'n Deeltjieversneller is 'n toestel wat 'n straal van elektries gelaaide atoom- of subatomiese deeltjies skep wat teen naby-ligspoed beweeg. Die werk daarvan is gebaseer op 'n toename in hul energie deur 'n elektriese veld en 'n verandering in die trajek - deur 'n magnetiese een.
Waarvoor is deeltjieversnellers?
Hierdie toestelle word wyd gebruik in verskeie velde van wetenskap en industrie. Vandag is daar meer as 30 duisend van hulle regoor die wêreld. Vir 'n fisikus dien deeltjieversnellers as 'n hulpmiddel vir fundamentele navorsing oor die struktuur van atome, die aard van kernkragte en die eienskappe van kerne wat nie in die natuur voorkom nie. Laasgenoemde sluit transuraan en ander onstabiele elemente in.
Met die hulp van 'n ontladingsbuis het dit moontlik geword om die spesifieke lading te bepaal. Deeltjieversnellers word ook gebruik in die vervaardiging van radio-isotope, in industriële radiografie, in bestralingsterapie, in die sterilisasie van biologiese materiale en in radiokoolstofontleding. Die grootste installasies word gebruik in die studie van fundamentele interaksies.
Die leeftyd van gelaaide deeltjies in rus relatief tot die versneller is minder as dié van deeltjies wat versnel word tot spoed naby aan die spoed van lig. Dit bevestig die relatiwiteit van SRT-tydintervalle. Byvoorbeeld, by CERN is 'n 29-voudige toename in die leeftyd van muone teen 'n spoed van 0,9994c behaal.
Hierdie artikel bespreek hoe 'n deeltjieversneller werk, sy ontwikkeling, verskillende tipes en kenmerkende kenmerke.
Beginsels van versnelling
Ongeag watter deeltjieversnellers jy ken, hulle het almal algemene elemente. Eerstens moet hulle almal 'n bron van elektrone hê in die geval van 'n televisiekineskoop, of elektrone, protone en hul antipartikels in die geval van groter installasies. Daarbenewens moet hulle almal elektriese velde hê om die deeltjies te versnel en magnetiese velde om hul baan te beheer. Daarbenewens is die vakuum in die partikelversneller (10-11 mm Hg), d.w.s. die minimum hoeveelheid oorblywende lug, nodig om 'n lang leeftyd van die balke te verseker. En, ten slotte, moet alle installasies die middele hê om versnelde deeltjies te registreer, te tel en te meet.
Generation
Elektrone en protone, wat die meeste in versnellers gebruik word, word in alle materiale aangetref, maar eers moet hulle daarvan geïsoleer word. Elektrone word gewoonlik gegenereernet soos in 'n kineskoop - in 'n toestel wat 'n "geweer" genoem word. Dit is 'n katode (negatiewe elektrode) in 'n vakuum, wat verhit word tot die punt waar elektrone begin wegbreek van atome. Negatief gelaaide deeltjies word na die anode (positiewe elektrode) aangetrek en gaan deur die uitlaat. Die geweer self is ook die eenvoudigste versneller, aangesien die elektrone onder die invloed van 'n elektriese veld beweeg. Die spanning tussen die katode en die anode is gewoonlik tussen 50-150 kV.
Benewens elektrone bevat alle materiale protone, maar net die kerne van waterstofatome bestaan uit enkelprotone. Daarom is die bron van deeltjies vir protonversnellers gasvormige waterstof. In hierdie geval word die gas geïoniseer en die protone ontsnap deur die gat. In groot versnellers word protone dikwels as negatiewe waterstofione geproduseer. Hulle is atome met 'n ekstra elektron, wat die produk is van ionisasie van 'n diatomiese gas. Dit is makliker om in die beginstadium met negatief gelaaide waterstofione te werk. Dan word hulle deur 'n dun foelie gevoer wat hulle van elektrone ontneem voor die finale stadium van versnelling.
versnelling
Hoe werk deeltjieversnellers? Die belangrikste kenmerk van enige van hulle is die elektriese veld. Die eenvoudigste voorbeeld is 'n eenvormige statiese veld tussen positiewe en negatiewe elektriese potensiale, soortgelyk aan dié wat tussen die terminale van 'n elektriese battery bestaan. In sulkeveld, is 'n elektron wat 'n negatiewe lading dra onderworpe aan 'n krag wat dit na 'n positiewe potensiaal rig. Sy versnel hom, en as daar niks is om dit te verhoed nie, neem sy spoed en energie toe. Elektrone wat na 'n positiewe potensiaal in 'n draad of selfs in lug beweeg, bots met atome en verloor energie, maar as hulle in 'n vakuum is, versnel hulle soos hulle die anode nader.
Die spanning tussen die aanvanklike en finale posisie van 'n elektron bepaal die energie wat daardeur verkry word. Wanneer deur 'n potensiaalverskil van 1 V beweeg word, is dit gelyk aan 1 elektronvolt (eV). Dit is gelykstaande aan 1,6 × 10-19 joule. Die energie van 'n vlieënde muskiet is 'n triljoen keer groter. In 'n kineskoop word elektrone versnel deur 'n spanning van meer as 10 kV. Baie versnellers bereik baie hoër energieë, gemeet in mega-, giga- en tera-elektronvolts.
variëteite
Sommige van die vroegste soorte deeltjieversnellers, soos die spanningsvermenigvuldiger en die Van de Graaff-opwekker, het konstante elektriese velde gebruik wat deur potensiaal tot 'n miljoen volt gegenereer is. Dit is nie maklik om met sulke hoë spannings te werk nie. 'n Meer praktiese alternatief is die herhalende aksie van swak elektriese velde wat deur lae potensiale gegenereer word. Hierdie beginsel word gebruik in twee tipes moderne versnellers - lineêr en siklies (hoofsaaklik in siklotrone en sinchrotrone). Kortom, lineêre deeltjieversnellers laat hulle een keer deur 'n ry beweegversnellende velde, terwyl hulle in die sikliese een herhaaldelik langs 'n sirkelpad deur relatief klein elektriese velde beweeg. In beide gevalle hang die finale energie van die deeltjies af van die gekombineerde effek van die velde, sodat baie klein "skokke" bymekaar kom om die gekombineerde effek van een groot een te gee.
Die herhalende struktuur van 'n lineêre versneller om elektriese velde te skep, behels natuurlik die gebruik van WS eerder as GS-spanning. Positief gelaaide deeltjies word na die negatiewe potensiaal versnel en kry 'n nuwe impuls as hulle by die positiewe een verbygaan. In die praktyk behoort die spanning baie vinnig te verander. Byvoorbeeld, teen 'n energie van 1 MeV beweeg 'n proton teen baie hoë spoed van 0,46 die spoed van lig, en beweeg 1,4 m in 0,01 ms. Dit beteken dat in 'n herhalende patroon van etlike meters lank, die elektriese velde van rigting moet verander teen 'n frekwensie van ten minste 100 MHz. Lineêre en sikliese versnellers van gelaaide deeltjies versnel hulle as 'n reël deur afwisselende elektriese velde met 'n frekwensie van 100 tot 3000 MHz, d.w.s. wat wissel van radiogolwe tot mikrogolwe.
'n Elektromagnetiese golf is 'n kombinasie van afwisselende elektriese en magnetiese velde wat loodreg op mekaar ossilleer. Die sleutelpunt van die versneller is om die golf so aan te pas dat wanneer die deeltjie aankom, die elektriese veld in ooreenstemming met die versnellingsvektor gerig word. Dit kan gedoen word met 'n staande golf - 'n kombinasie van golwe wat in teenoorgestelde rigtings in 'n geslote lus beweeg.ruimte, soos klankgolwe in 'n orrelpyp. 'n Alternatief vir baie vinnig bewegende elektrone wat die spoed van lig nader, is 'n bewegende golf.
Outofasering
'n Belangrike effek wanneer jy in 'n afwisselende elektriese veld versnel, is "outofasering". In een siklus van ossillasie gaan die wisselveld van nul deur 'n maksimum waarde weer na nul, daal tot 'n minimum en styg tot nul. Dit gaan dus deur die waarde wat nodig is om twee keer te versnel. As die versnellende deeltjie te gou aankom, sal dit nie deur 'n veld van voldoende sterkte beïnvloed word nie, en die stoot sal swak wees. Wanneer sy die volgende afdeling bereik, sal sy laat wees en 'n sterker impak ervaar. As gevolg hiervan sal outofasering plaasvind, die deeltjies sal in fase met die veld in elke versnellende gebied wees. Nog 'n effek sal wees om hulle oor tyd in klompe te groepeer eerder as 'n aaneenlopende stroom.
Straalrigting
Magnetiese velde speel ook 'n belangrike rol in hoe 'n gelaaide deeltjieversneller werk, aangesien hulle die rigting van hul beweging kan verander. Dit beteken dat hulle gebruik kan word om die balke langs’n sirkelbaan te “buig” sodat hulle verskeie kere deur dieselfde versnellingsgedeelte gaan. In die eenvoudigste geval word 'n gelaaide deeltjie wat reghoekig met die rigting van 'n eenvormige magneetveld beweeg, aan 'n krag onderwerploodreg op beide die vektor van sy verplasing en op die veld. Dit veroorsaak dat die balk langs 'n sirkelvormige trajek loodreg op die veld beweeg totdat dit sy area van aksie verlaat of 'n ander krag daarop begin inwerk. Hierdie effek word gebruik in sikliese versnellers soos die siklotron en sinchrotron. In 'n siklotron word 'n konstante veld deur 'n groot magneet gegenereer. Die deeltjies, soos hul energie groei, spiraal uitwaarts en versnel met elke omwenteling. In 'n sinchrotron beweeg die trosse om 'n ring met 'n konstante radius, en die veld wat deur die elektromagnete rondom die ring geskep word, neem toe soos die deeltjies versnel. Die "buig" magnete is dipole met die noord- en suidpool in 'n hoefystervorm gebuig sodat die balk tussen hulle kan beweeg.
Die tweede belangrike funksie van elektromagnete is om strale te konsentreer sodat hulle so smal en intens moontlik is. Die eenvoudigste vorm van 'n fokusmagneet is met vier pole (twee noord en twee suid) oorkant mekaar. Hulle druk die deeltjies in een rigting na die middel, maar laat hulle in die loodregte rigting voortplant. Vierpoolmagnete fokus die straal horisontaal, sodat dit vertikaal uit fokus kan gaan. Om dit te doen, moet hulle in pare gebruik word. Meer komplekse magnete met meer pole (6 en 8) word ook gebruik vir meer presiese fokus.
Namate die energie van die deeltjies toeneem, neem die sterkte van die magneetveld wat hulle lei, toe. Dit hou die balk op dieselfde pad. Die klont word in die ring ingebring en versnel totbenodigde energie voordat dit onttrek en in eksperimente gebruik kan word. Terugtrekking word verkry deur elektromagnete wat aanskakel om deeltjies uit die sinkrotronring te druk.
botsing
Partikelversnellers wat in medisyne en industrie gebruik word, produseer hoofsaaklik 'n straal vir 'n spesifieke doel, soos bestralingsterapie of ioon-inplanting. Dit beteken dat die deeltjies een keer gebruik word. Vir baie jare was dieselfde waar vir versnellers wat in basiese navorsing gebruik word. Maar in die 1970's is ringe ontwikkel waarin die twee strale in teenoorgestelde rigtings sirkuleer en langs die hele stroombaan bots. Die grootste voordeel van sulke installasies is dat in 'n kop-aan-kop botsing die energie van die deeltjies direk in die energie van interaksie tussen hulle gaan. Dit staan in kontras met wat gebeur wanneer die straal in rus met materiaal bots: in hierdie geval word die meeste van die energie daaraan bestee om die teikenmateriaal in beweging te bring, in ooreenstemming met die beginsel van behoud van momentum.
Sommige botsende straalmasjiene is gebou met twee ringe wat op twee of meer plekke sny, waarin deeltjies van dieselfde tipe in teenoorgestelde rigtings sirkuleer. Botsers met deeltjies en teendeeltjies is meer algemeen. 'n Antideeltjie het die teenoorgestelde lading van sy geassosieerde deeltjie. Byvoorbeeld, 'n positron is positief gelaai, terwyl 'n elektron negatief gelaai is. Dit beteken dat die veld wat die elektron versnel die positron vertraag,in dieselfde rigting beweeg. Maar as laasgenoemde in die teenoorgestelde rigting beweeg, sal dit versnel. Net so sal 'n elektron wat deur 'n magnetiese veld beweeg na links buig, en 'n positron sal na regs buig. Maar as die positron daarheen beweeg, sal sy pad steeds na regs afwyk, maar langs dieselfde kromme as die elektron. Saam beteken dit dat hierdie deeltjies langs die sinkrotronring kan beweeg as gevolg van dieselfde magnete en deur dieselfde elektriese velde in teenoorgestelde rigtings versnel kan word. Baie van die kragtigste botsers op botsende strale is volgens hierdie beginsel geskep, aangesien slegs een versnellerring nodig is.
Die straal in die sinchrotron beweeg nie aanhoudend nie, maar word in "klonte" gekombineer. Hulle kan 'n paar sentimeter lank en 'n tiende van 'n millimeter in deursnee wees, en bevat ongeveer 1012 deeltjies. Dit is 'n klein digtheid, aangesien 'n stof van hierdie grootte ongeveer 1023 atome bevat. Wanneer strale dus met aankomende strale sny, is daar slegs 'n klein kans dat die deeltjies met mekaar sal in wisselwerking tree. In die praktyk bly die trosse langs die ring beweeg en ontmoet mekaar weer. Die diep vakuum in die deeltjieversneller (10-11 mmHg) is nodig sodat die deeltjies vir baie ure kan sirkuleer sonder om met lugmolekules te bots. Daarom word die ringe ook akkumulatief genoem, aangesien die bondels eintlik vir etlike ure daarin gestoor word.
Registreer
Partikelversnellers kan meestal registreer wat wanneer gebeurwanneer deeltjies 'n teiken of 'n ander straal tref wat in die teenoorgestelde rigting beweeg. In 'n televisie-kineskoop tref elektrone van 'n geweer 'n fosfor op die binneoppervlak van die skerm en straal lig uit, wat dus die oorgedra beeld herskep. In versnellers reageer sulke gespesialiseerde detektors op verstrooide deeltjies, maar hulle is gewoonlik ontwerp om elektriese seine op te wek wat in rekenaardata omgeskakel en met behulp van rekenaarprogramme ontleed kan word. Slegs gelaaide elemente skep elektriese seine deur deur 'n materiaal te gaan, byvoorbeeld deur opwindende of ioniserende atome, en kan direk opgespoor word. Neutrale deeltjies soos neutrone of fotone kan indirek opgespoor word deur die gedrag van die gelaaide deeltjies wat hulle in beweging bring.
Daar is baie gespesialiseerde detektors. Sommige van hulle, soos die Geiger-teller, tel bloot deeltjies, terwyl ander byvoorbeeld gebruik word om spore aan te teken, spoed te meet of die hoeveelheid energie te meet. Moderne detektors wissel in grootte en tegnologie van klein ladinggekoppelde toestelle tot groot draadgevulde gasgevulde kamers wat die geïoniseerde spore opspoor wat deur gelaaide deeltjies geskep word.
Geskiedenis
Partikelversnellers is hoofsaaklik ontwikkel om die eienskappe van atoomkerne en elementêre deeltjies te bestudeer. Vanaf die ontdekking van die reaksie tussen die stikstofkern en die alfadeeltjie deur die Britse fisikus Ernest Rutherford in 1919, het alle navorsing in kernfisika tot1932 is deurgebring met heliumkerne wat vrygestel is deur die verval van natuurlike radioaktiewe elemente. Natuurlike alfa-deeltjies het 'n kinetiese energie van 8 MeV, maar Rutherford het geglo dat om die verval van swaar kerne waar te neem, hulle kunsmatig tot selfs groter waardes versnel moet word. Destyds het dit moeilik gelyk. 'n Berekening wat in 1928 deur Georgy Gamow (aan die Universiteit van Göttingen, Duitsland) gemaak is, het egter getoon dat ione met baie laer energieë gebruik kan word, en dit het pogings gestimuleer om 'n fasiliteit te bou wat 'n straal verskaf het wat voldoende was vir kernnavorsing.
Ander gebeurtenisse van hierdie tydperk het die beginsels gedemonstreer waarvolgens deeltjieversnellers tot vandag toe gebou word. Die eerste suksesvolle eksperimente met kunsmatig versnelde ione is in 1932 deur Cockcroft en W alton aan die Universiteit van Cambridge uitgevoer. Deur 'n spanningsvermenigvuldiger te gebruik, het hulle protone tot 710 keV versnel en gewys dat laasgenoemde met die litiumkern reageer om twee alfa-deeltjies te vorm. Teen 1931, by die Princeton Universiteit in New Jersey, het Robert van de Graaff die eerste hoëpotensiaal gordel elektrostatiese kragopwekker gebou. Cockcroft-W alton spanningsvermenigvuldigers en Van de Graaff kragopwekkers word steeds as kragbronne vir versnellers gebruik.
Die beginsel van 'n lineêre resonante versneller is deur Rolf Wideröe in 1928 gedemonstreer. By die Ryn-Wesfaliese Universiteit van Tegnologie in Aken, Duitsland, het hy 'n hoë wisselspanning gebruik om natrium- en kaliumione twee keer tot energie te versnel.meer as dié wat deur hulle gerapporteer is. In 1931 in die Verenigde State het Ernest Lawrence en sy assistent David Sloan van die Universiteit van Kalifornië, Berkeley, hoëfrekwensievelde gebruik om kwikione tot energieë van meer as 1,2 MeV te versnel. Hierdie werk het die Wideröe swaardeeltjieversneller aangevul, maar ioonstrale was nie bruikbaar in kernnavorsing nie.
Die magnetiese resonante versneller, of siklotron, is deur Lawrence bedink as 'n wysiging van die Wideröe-installasie. Lawrence Livingston se student het die beginsel van die siklotron in 1931 gedemonstreer deur 80 keV ione te produseer. In 1932 het Lawrence en Livingston die versnelling van protone tot meer as 1 MeV aangekondig. Later in die 1930's het die energie van siklotrone ongeveer 25 MeV bereik, en dié van Van de Graaff-opwekkers ongeveer 4 MeV. In 1940 het Donald Kerst, deur die resultate van noukeurige orbitaalberekeninge op die ontwerp van magnete toe te pas, die eerste betatron, 'n magnetiese induksie-elektronversneller, by die Universiteit van Illinois gebou.
Moderne fisika: deeltjieversnellers
Na die Tweede Wêreldoorlog het die wetenskap van versnelling van deeltjies tot hoë energieë vinnige vordering gemaak. Dit is deur Edwin Macmillan by Berkeley en Vladimir Veksler in Moskou begin. In 1945 het beide van hulle onafhanklik die beginsel van fasestabiliteit beskryf. Hierdie konsep bied 'n manier om stabiele partikelbane in 'n sikliese versneller te handhaaf, wat die beperking op die energie van protone verwyder het en dit moontlik gemaak het om magnetiese resonansieversnellers (sinkrotrone) vir elektrone te skep. Autophasing, die implementering van die beginsel van fasestabiliteit, is ná konstruksie bevestig'n klein sinchrosiklotron aan die Universiteit van Kalifornië en 'n sinchrotron in Engeland. Kort daarna is die eerste proton lineêre resonante versneller geskep. Hierdie beginsel is gebruik in alle groot proton-sinchrotrone wat sedertdien gebou is.
In 1947 het William Hansen, aan die Stanford-universiteit in Kalifornië, die eerste lineêre bewegende golf-elektronversneller gebou met behulp van mikrogolftegnologie wat tydens die Tweede Wêreldoorlog vir radar ontwikkel is.
Vooruitgang in navorsing is moontlik gemaak deur die energie van protone te verhoog, wat gelei het tot die konstruksie van al hoe groter versnellers. Hierdie neiging is gestuit deur die hoë koste om groot ringmagnete te maak. Die grootste weeg sowat 40 000 ton. Maniere om energie te verhoog sonder om die grootte van masjiene te vergroot, is in 1952 deur Livingston, Courant en Snyder gedemonstreer in die tegniek van afwisselende fokus (soms sterk fokus genoem). Sinkrotrone gebaseer op hierdie beginsel gebruik magnete 100 keer kleiner as voorheen. Sulke fokus word in alle moderne sinchrotrone gebruik.
In 1956 het Kerst besef dat as twee stelle deeltjies in kruisende wentelbane gehou word, waargeneem kan word dat hulle bots. Die toepassing van hierdie idee het die ophoping van versnelde strale vereis in siklusse wat berging genoem word. Hierdie tegnologie het dit moontlik gemaak om die maksimum interaksie-energie van deeltjies te bereik.
