A részecskegyorsító olyan eszköz, amely elektromosan töltött atomi vagy szubatomi részecskékből álló sugarat hoz létre, amelyek közel fénysebességgel mozognak. Munkája az energiájuk elektromos térrel történő növekedésén és a pálya - mágneses - változáson alapul.
Mire valók a részecskegyorsítók?
Ezeket az eszközöket széles körben használják a tudomány és az ipar különböző területein. Ma már több mint 30 ezer van belőlük szerte a világon. Egy fizikus számára a részecskegyorsítók eszközül szolgálnak az atomok szerkezetének, a nukleáris erők természetének és a természetben nem előforduló atommagok tulajdonságainak alapkutatásához. Ez utóbbiak közé tartozik a transzurán és más instabil elemek.
Egy kisülési cső segítségével lehetővé vált a fajlagos töltés meghatározása. A részecskegyorsítókat radioizotópok előállításában, ipari radiográfiában, sugárterápiában, biológiai anyagok sterilizálásában és radiokarbonban is használják.elemzés. A legnagyobb installációkat az alapvető kölcsönhatások tanulmányozására használják.
A töltött részecskék élettartama nyugalmi állapotban a gyorsítóhoz képest rövidebb, mint a fénysebességhez közeli sebességre felgyorsult részecskéké. Ez megerősíti az SRT időintervallumok relativitását. Például a CERN-ben a müonok élettartama 29-szeresére nőtt 0,9994 fokos sebesség mellett.
Ez a cikk a részecskegyorsító működését, fejlesztését, különböző típusait és jellemzőit tárgyalja.
A gyorsítás elvei
Függetlenül attól, hogy melyik részecskegyorsítót ismeri, mindegyiknek van közös eleme. Először is, mindegyiknek rendelkeznie kell elektronforrással a televíziós kineszkóp esetében, vagy elektronokkal, protonokkal és ezek antirészecskéivel nagyobb létesítmények esetén. Ezenkívül mindegyiknek rendelkeznie kell elektromos mezővel a részecskék felgyorsításához, és mágneses mezőkkel kell szabályozni a pályájukat. Ezenkívül a részecskegyorsítóban lévő vákuum (10-11 Hgmm), azaz a maradék levegő minimális mennyisége szükséges a gerendák hosszú élettartamának biztosításához. És végül minden telepítésnek rendelkeznie kell a felgyorsult részecskék regisztrálásához, számlálásához és méréséhez szükséges eszközökkel.
Generáció
A gyorsítókban leggyakrabban használt elektronok és protonok minden anyagban megtalálhatók, de először el kell őket izolálni tőlük. Általában elektronok keletkeznekakárcsak a kineszkópban – egy „fegyvernek” nevezett eszközben. Ez egy vákuumban lévő katód (negatív elektród), amelyet addig a pontig melegítenek, ahol az elektronok elkezdenek elszakadni az atomoktól. A negatív töltésű részecskék az anódhoz (pozitív elektródához) vonzódnak, és áthaladnak a kimeneten. Maga a fegyver egyben a legegyszerűbb gyorsító is, mivel az elektronok elektromos tér hatására mozognak. A katód és az anód közötti feszültség általában 50-150 kV.
Az elektronokon kívül minden anyag tartalmaz protont, de csak a hidrogénatom atommagjai állnak egyetlen protonból. Ezért a protongyorsítók részecskéinek forrása a gáznemű hidrogén. Ebben az esetben a gáz ionizálódik, és a protonok a lyukon keresztül távoznak. A nagy gyorsítókban a protonok gyakran negatív hidrogénionként keletkeznek. Ezek extra elektronnal rendelkező atomok, amelyek egy kétatomos gáz ionizációjának termékei. A kezdeti szakaszban könnyebb a negatív töltésű hidrogénionokkal dolgozni. Ezután egy vékony fólián vezetik át őket, amely megfosztja őket az elektronoktól a gyorsulás utolsó szakasza előtt.
Gyorsulás
Hogyan működnek a részecskegyorsítók? Mindegyikük fő jellemzője az elektromos tér. A legegyszerűbb példa egy egyenletes statikus tér pozitív és negatív elektromos potenciálok között, hasonló ahhoz, amely egy elektromos akkumulátor kivezetései között létezik. Ilyenbenmezőben a negatív töltést hordozó elektronra olyan erő hat, amely pozitív potenciál felé irányítja. Felgyorsítja, és ha ennek nincs akadálya, megnő a sebessége és az energiája. A vezetékben vagy akár levegőben pozitív potenciál felé mozgó elektronok atomokkal ütköznek, és energiát veszítenek, de ha vákuumban vannak, az anódhoz közeledve felgyorsulnak.
Az elektron kezdeti és végső helyzete közötti feszültség határozza meg az elektron által felvett energiát. Ha 1 V-os potenciálkülönbségen haladunk keresztül, az 1 elektronvoltnak (eV) egyenlő. Ez 1,6 × 10-19 joule-nak felel meg. Egy repülő szúnyog energiája trilliószor nagyobb. A kineszkópban az elektronokat 10 kV feletti feszültség gyorsítja. Sok gyorsító sokkal nagyobb energiát ér el, mega-, giga- és teraelektronvoltban mérve.
fajták
A részecskegyorsítók legkorábbi típusai közül néhány, mint például a feszültségsokszorozó és a Van de Graaff generátor, állandó elektromos mezőket használtak, amelyeket egymillió voltig terjedő potenciál generál. Ilyen nagy feszültséggel nem könnyű dolgozni. Praktikusabb alternatíva az alacsony potenciálok által generált gyenge elektromos mezők ismétlődő hatása. Ezt az elvet kétféle modern gyorsítóban alkalmazzák - lineáris és ciklikus (főleg ciklotronokban és szinkrotronokban). A lineáris részecskegyorsítók röviden egyszer átengedik őket egy sorozatongyorsuló mezőkben, míg a ciklikusban ismételten körpályán mozognak viszonylag kis elektromos mezőkön keresztül. Mindkét esetben a részecskék végső energiája a mezők együttes hatásától függ, így sok kis "rázkódás" összeadódik, és egy nagy együttes hatását adja.
A lineáris gyorsító ismétlődő szerkezete elektromos mezők létrehozására természetesen inkább váltakozó áramot, mint egyenfeszültséget használ. A pozitív töltésű részecskék a negatív potenciál felé gyorsulnak, és új lendületet kapnak, ha elhaladnak a pozitív mellett. A gyakorlatban a feszültségnek nagyon gyorsan kell változnia. Például 1 MeV energiánál egy proton nagyon nagy, 0,46 fénysebességgel halad, és 1,4 métert tesz meg 0,01 ms alatt. Ez azt jelenti, hogy egy több méter hosszú ismétlődő mintában az elektromos mezőknek legalább 100 MHz-es frekvencián kell irányt váltaniuk. A töltött részecskék lineáris és ciklikus gyorsítói általában 100-3000 MHz frekvenciájú váltakozó elektromos mezőkkel gyorsítják őket, azaz a rádióhullámoktól a mikrohullámokig.
Az elektromágneses hullám váltakozó elektromos és mágneses mezők kombinációja, amelyek egymásra merőlegesen oszcillálnak. A gyorsító kulcsa, hogy a hullámot úgy állítsa be, hogy amikor a részecske megérkezik, az elektromos tér a gyorsulási vektornak megfelelően irányuljon. Ez megtehető állóhullámmal – zárt hurokban ellentétes irányban haladó hullámok kombinációjával.tér, mint hanghullámok az orgonasípban. A fénysebességet megközelítő, nagyon gyorsan mozgó elektronok alternatívája a mozgó hullám.
Autophasing
A váltakozó elektromos térben történő gyorsítás egyik fontos hatása az "autophasing". Az egyik rezgési ciklusban a váltakozó mező nulláról egy maximumon át ismét nullára megy, minimumra esik és nullára emelkedik. Tehát kétszer megy át a gyorsításhoz szükséges értéken. Ha a gyorsuló részecske túl korán érkezik, akkor nem lesz rá hatással a kellő erősségű tér, gyenge lesz a lökés. Amikor eléri a következő szakaszt, késni fog, és erősebb hatást fog tapasztalni. Ennek eredményeként autofázisosodás következik be, a részecskék fázisban lesznek a mezővel minden gyorsító tartományban. Egy másik hatás az lenne, ha idővel csomókba csoportosítanák őket, nem pedig folyamatos folyamként.
Sugárirány
A mágneses mezők is fontos szerepet játszanak a töltött részecskegyorsító működésében, mivel megváltoztathatják mozgásuk irányát. Ez azt jelenti, hogy a gerendákat körpályán lehet "hajlítani" úgy, hogy azok többször is átmenjenek ugyanazon a gyorsító szakaszon. A legegyszerűbb esetben az egyenletes mágneses tér irányára merőlegesen mozgó töltött részecskét erőhatás éri.merőleges mind az elmozdulásának vektorára, mind a mezőre. Ez azt eredményezi, hogy a nyaláb a mezőre merőleges körpályán mozog, amíg el nem hagyja a hatásterületét, vagy más erő nem kezd rá hatni. Ezt a hatást olyan ciklikus gyorsítókban használják, mint a ciklotron és a szinkrotron. A ciklotronban egy nagy mágnes állandó mezőt hoz létre. A részecskék, ahogy energiájuk növekszik, spirálisan kifelé haladnak, és minden fordulattal felgyorsulnak. A szinkrotronban a csomók egy állandó sugarú gyűrű körül mozognak, és a részecskék gyorsulásával növekszik a gyűrű körüli elektromágnesek által létrehozott mező. A "hajlító" mágnesek olyan dipólusok, amelyeknek az északi és déli pólusa patkó alakban van meghajlítva, hogy a sugár áthaladhasson közöttük.
Az elektromágnesek második fontos funkciója a nyalábok koncentrálása, hogy azok a lehető legkeskenyebbek és legintenzívebbek legyenek. A fókuszmágnes legegyszerűbb formája négy pólus (két északi és kettő déli) egymással szemben. A részecskéket egy irányban a középpont felé tolják, de engedik, hogy merőleges irányban terjedjenek. A négypólusú mágnesek vízszintesen fókuszálják a sugarat, lehetővé téve, hogy függőlegesen elmenjen a fókuszból. Ehhez párban kell őket használni. A több pólusú (6 és 8) összetettebb mágnesek is használhatók a pontosabb fókuszáláshoz.
A részecskék energiájának növekedésével az őket irányító mágneses tér erőssége nő. Ez ugyanazon az úton tartja a gerendát. A vérrögöt bevezetik a gyűrűbe, és felgyorsítjákenergiát igényel, mielőtt kivonható és kísérletekben felhasználható lenne. A visszahúzást elektromágnesek biztosítják, amelyek bekapcsolnak, hogy kiszorítsák a részecskéket a szinkrotrongyűrűből.
Ütközés
Az orvostudományban és az iparban használt részecskegyorsítók főként meghatározott célra, például sugárterápiára vagy ionbeültetésre állítanak elő sugarat. Ez azt jelenti, hogy a részecskéket egyszer használják fel. Sok éven át ugyanez igaz volt az alapkutatásban használt gyorsítókra is. Ám az 1970-es években olyan gyűrűket fejlesztettek ki, amelyekben a két nyaláb ellentétes irányban kering, és az egész körben ütközik. Az ilyen berendezések fő előnye, hogy frontális ütközés esetén a részecskék energiája közvetlenül a köztük lévő kölcsönhatás energiájába kerül. Ez ellentétben áll azzal, ami akkor történik, amikor a nyaláb ütközik az anyaggal nyugalmi állapotban: ebben az esetben az energia nagy részét a célanyag mozgásba hozására fordítják, az impulzusmegmaradás elvének megfelelően.
Egyes ütközősugaras gépek két, két vagy több helyen metsző gyűrűvel készülnek, amelyekben az azonos típusú részecskék ellentétes irányban keringenek. A részecskékkel és antirészecskékkel való ütköztetők gyakoribbak. Az antirészecske töltése ellentétes a hozzá tartozó részecskével. Például egy pozitron pozitív töltésű, míg egy elektron negatív töltésű. Ez azt jelenti, hogy az elektront gyorsító mező lelassítja a pozitront,ugyanabba az irányba haladva. De ha az utóbbi az ellenkező irányba mozog, akkor felgyorsul. Hasonlóképpen, a mágneses mezőn áthaladó elektron balra, a pozitron pedig jobbra hajlik. De ha a pozitron feléje mozdul, akkor útja továbbra is jobbra fog térni, de ugyanazon a görbén, mint az elektron. Ez együtt azt jelenti, hogy ezek a részecskék ugyanazon mágnesek hatására a szinkrotrongyűrű mentén mozoghatnak, és ugyanazon elektromos mezők ellentétes irányban gyorsíthatják fel őket. Az ütköző gerendák legerősebb ütközői közül sok ennek az elvnek megfelelően készült, mivel csak egy gyorsítógyűrűre van szükség.
A szinkrotronban lévő nyaláb nem mozog folyamatosan, hanem "csomókba" egyesül. Lehetnek több centiméter hosszúak és egy tizedmilliméter átmérőjűek, és körülbelül 1012 részecskét tartalmaznak. Ez kicsi a sűrűség, mivel egy ekkora anyag körülbelül 1023 atomot tartalmaz. Ezért amikor a nyalábok metszik egymást a szembejövő nyalábokkal, csak kicsi az esélye annak, hogy a részecskék kölcsönhatásba lépnek egymással. A gyakorlatban a csomók tovább mozognak a gyűrű mentén, és újra találkoznak. A részecskegyorsítóban lévő mély vákuum (10-11 Hgmm) azért szükséges, hogy a részecskék több órán keresztül keringhessenek anélkül, hogy a levegőmolekulákkal ütköznének. Ezért a gyűrűket akkumulatívnak is nevezik, mivel a kötegeket valójában több órán keresztül tárolják bennük.
Regisztráció
A részecskegyorsítók többnyire képesek regisztrálni, hogy mikor mi történikamikor a részecskék eltalálnak egy célt vagy egy másik, ellentétes irányba mozgó sugarat. A televíziós kineszkópban a fegyverből származó elektronok a képernyő belső felületére csapnak fényporba, és fényt bocsátanak ki, amely így újra létrehozza a továbbított képet. A gyorsítókban az ilyen speciális detektorok a szórt részecskékre reagálnak, de általában elektromos jelek generálására szolgálnak, amelyek számítógépes adatokká alakíthatók és számítógépes programok segítségével elemezhetők. Csak a töltött elemek hoznak létre elektromos jeleket egy anyagon áthaladva, például gerjesztő vagy ionizáló atomok által, és közvetlenül észlelhetők. A semleges részecskék, például a neutronok vagy fotonok közvetetten észlelhetők az általuk mozgásba hozott töltött részecskék viselkedésén keresztül.
Sok speciális detektor létezik. Némelyikük, mint például a Geiger-számláló, egyszerűen részecskéket számol, míg másokat például nyomok rögzítésére, sebesség mérésére vagy energiamennyiség mérésére használnak. A modern detektorok méretük és technológiájuk a kis töltéscsatolt eszközöktől a nagy, vezetékkel töltött gázzal töltött kamrákig terjed, amelyek érzékelik a töltött részecskék által létrehozott ionizált nyomvonalakat.
Előzmények
A részecskegyorsítókat elsősorban az atommagok és az elemi részecskék tulajdonságainak tanulmányozására fejlesztették ki. Attól kezdve, hogy Ernest Rutherford brit fizikus 1919-ben felfedezte a nitrogénmag és az alfa-részecske közötti reakciót, az összes magfizikai kutatás egészen addig.1932-t a természetes radioaktív elemek bomlásából felszabaduló héliummagokkal töltötték. A természetes alfa-részecskék kinetikai energiája 8 MeV, de Rutherford úgy vélte, hogy a nehéz atommagok bomlásának megfigyeléséhez mesterségesen még nagyobb értékekre kell gyorsítani őket. Akkoriban nehéznek tűnt. Azonban Georgy Gamow (a németországi Göttingeni Egyetemen) 1928-ban végzett számítása kimutatta, hogy sokkal kisebb energiájú ionok is használhatók, és ez ösztönözte a kísérleteket olyan létesítmény építésére, amely elegendő sugarat biztosít a nukleáris kutatáshoz.
Ebben az időszakban más események is bemutatták azokat az elveket, amelyek alapján a részecskegyorsítókat a mai napig építik. Az első sikeres kísérleteket mesterségesen gyorsított ionokkal Cockcroft és W alton végezte 1932-ben a Cambridge-i Egyetemen. Feszültségsokszorozó segítségével 710 keV-ra gyorsították fel a protonokat, és kimutatták, hogy az utóbbiak reakcióba lépnek a lítiummaggal, és két alfa-részecskét képeznek. 1931-re a New Jersey-i Princeton Egyetemen Robert van de Graaff megépítette az első nagy potenciálú szalagos elektrosztatikus generátort. A Cockcroft-W alton feszültségszorzókat és a Van de Graaff generátorokat továbbra is a gyorsítók áramforrásaként használják.
A lineáris rezonáns gyorsító elvét Rolf Wideröe demonstrálta 1928-ban. A Rajna-Vesztfáliai Műszaki Egyetemen, Aachenben (Németország) nagy váltakozó feszültséget használt a nátrium- és káliumionok kétszeres energiává gyorsítására.meghaladja az általuk bejelentetteket. 1931-ben az Egyesült Államokban Ernest Lawrence és asszisztense, David Sloan, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetemről nagyfrekvenciás mezőket használtak a higanyionok 1,2 MeV-ot meghaladó energiákra való felgyorsítására. Ez a munka kiegészítette a Wideröe nehéz részecskegyorsítót, de az ionsugarak nem voltak hasznosak a nukleáris kutatásban.
A mágneses rezonanciagyorsítót, vagyis a ciklotront Lawrence a Wideröe installáció módosításaként képzelte el. Lawrence Livingston tanítványa 1931-ben 80 keV-os ionok előállításával demonstrálta a ciklotron elvét. 1932-ben Lawrence és Livingston bejelentette, hogy a protonokat 1 MeV fölé gyorsítják. Később, az 1930-as években a ciklotronok energiája elérte a 25 MeV-ot, a Van de Graaff-generátoroké pedig a 4 MeV-ot. 1940-ben Donald Kerst, gondos pályaszámítások eredményeit alkalmazva a mágnesek tervezésére, megépítette az első betatront, egy mágneses indukciós elektrongyorsítót az Illinoisi Egyetemen.
Modern fizika: részecskegyorsítók
A második világháború után a részecskék nagy energiára gyorsításának tudománya gyorsan fejlődött. Edwin Macmillan a Berkeley-ben és Vladimir Veksler indította el Moszkvában. 1945-ben mindkettő egymástól függetlenül leírta a fázisstabilitás elvét. Ez a koncepció lehetőséget kínál a részecskepálya stabilitásának fenntartására egy ciklikus gyorsítóban, ami megszüntette a protonok energiájának korlátozását, és lehetővé tette az elektronok számára mágneses rezonanciagyorsítók (szinkrotronok) létrehozását. Az autophasing, a fázisstabilitás elvének megvalósítása a kivitelezés után megerősítést nyertegy kis szinkrociklotron a Kaliforniai Egyetemen és egy szinkrotron Angliában. Nem sokkal ezután létrehozták az első proton lineáris rezonanciagyorsítót. Ezt az elvet alkalmazzák az azóta épített összes nagy proton szinkrotronban.
1947-ben William Hansen, a kaliforniai Stanford Egyetemen megépítette az első lineáris utazóhullámú elektrongyorsítót mikrohullámú technológiával, amelyet a második világháború alatti radarokhoz fejlesztettek ki.
A kutatás előrehaladását a protonok energiájának növelése tette lehetővé, ami egyre nagyobb gyorsítók felépítéséhez vezetett. Ezt a tendenciát megállította a hatalmas gyűrűmágnesek magas költsége. A legnagyobb súlya körülbelül 40 000 tonna. 1952-ben Livingston, Courant és Snyder mutatta be, hogyan lehet növelni az energiát a gépek méretének növelése nélkül a váltakozó fókuszálás technikájában (néha erős fókuszálásnak is nevezik). Az ezen az elven alapuló szinkrotronok a korábbinál 100-szor kisebb mágneseket használnak. Az ilyen fókuszálást minden modern szinkrotron alkalmazza.
1956-ban Kerst rájött, hogy ha két részecskekészletet egymást metsző pályán tartanak, megfigyelhető azok ütközése. Ennek az ötletnek az alkalmazása megkövetelte a felgyorsult nyalábok felhalmozását a tárolásnak nevezett ciklusokban. Ez a technológia lehetővé tette a részecskék maximális kölcsönhatási energiájának elérését.
