Pemecut linear zarah bercas. Sebagai pemecut zarah kerja. Mengapa pemecut zarah?

Pemecut zarah - alat yang mana pancaran zarah atom atau subatom bercas elektrik bergerak pada hampir kelajuan. Asas kerjanya adalah peningkatan perlu mereka tenaga oleh medan elektrik dan menukarkan trajektori - magnet.

Apakah pemecut zarah?

Alat-alat ini digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang sains dan industri. Setakat ini, di seluruh dunia terdapat lebih daripada 30 ribu. Untuk fizik pemecut zarah dikenakan berfungsi sebagai alat penyelidikan asas kepada struktur atom, sifat kuasa-kuasa nuklear dan sifat-sifat nuklear, yang tidak berlaku secara semula jadi. Yang terakhir ini termasuk transuranic dan unsur-unsur yang tidak stabil lain.

Dengan tiub pelepasan telah menjadi mungkin untuk menentukan caj tertentu. pemecut zarah dikenakan juga digunakan untuk pengeluaran radioisotop, dalam radiografi industri, radioterapi, untuk pensterilan bahan biologi, dan dalam analisis radiokarbon. Unit terbesar digunakan dalam kajian interaksi asas.

Hayat zarah bercas rehat berkenaan dengan pemecut adalah lebih kecil daripada zarah dipercepatkan kepada kelajuan yang hampir dengan kelajuan cahaya. Ini mengesahkan jumlah yang agak kecil stesen masa. Sebagai contoh, di CERN telah mencapai peningkatan dalam jangka hayat yang muon 0,9994c kelajuan 29 kali.

Artikel ini melihat apa yang di dalam dan bekerja pemecut zarah, perkembangannya, jenis dan ciri-ciri yang berbeza.

prinsip pecutan

Tidak kira apa jenis pemecut zarah bayaran yang anda tahu, mereka semua mempunyai elemen yang sama. Pertama, mereka mesti mempunyai sumber elektron dalam hal suatu tiub televisyen gambar atau elektron, proton dan anti zarah-zarah mereka dalam hal pemasangan yang lebih besar. Tambahan pula, mereka semua mesti mempunyai medan elektrik untuk mempercepatkan zarah dan medan magnet untuk mengawal trajektori mereka. Di samping itu, vakum dalam pemecut zarah yang dikenakan (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. A kuantiti minimum udara sisa, diperlukan untuk memastikan panjang rasuk masa kehidupan. Akhir sekali, semua pemasangan mesti mempunyai cara pendaftaran, pengiraan dan pengukuran zarah dipercepatkan.

generasi

Elektron dan proton, yang paling biasa digunakan dalam pemecut, terdapat dalam semua bahan-bahan, tetapi pada mulanya, mereka mesti memilih daripada mereka. Elektron biasanya dihasilkan dengan cara yang sama seperti dalam tiub gambar - dalam peranti yang dipanggil "senjata". Ia adalah katod (elektrod negatif) dalam vakum, yang dipanaskan kepada keadaan di mana elektron mula terkeluar atom. zarah bercas negatif tertarik ke anod (elektrod positif) dan melalui keluar. Senjata itu sendiri adalah mudah sebagai pemecut kerana elektron bergerak di bawah pengaruh medan elektrik. Voltan antara katod dan anod, biasanya dalam julat 50-150 kV.

Selain daripada elektron dalam semua bahan yang terkandung proton, tetapi hanya proton nukleus tunggal terdiri daripada atom hidrogen. Oleh itu, sumber zarah untuk pemecut proton adalah gas hidrogen. Dalam kes ini, gas terion dan proton terletak melalui lubang. Dalam pemecut besar proton sering terbentuk dalam bentuk ion hidrogen negatif. Mereka mewakili satu elektron tambahan daripada atom yang merupakan hasil daripada pengionan gas dwiatom. Sejak ion hidrogen bercas negatif pada peringkat awal kerja lebih mudah. Kemudian mereka melalui kerajang nipis, yang menafikan mereka elektron sebelum peringkat akhir pecutan.

pecutan

Sebagai pemecut zarah kerja? Ciri utama dari semua itu adalah medan elektrik. Contoh yang paling mudah - padang seragam statik antara potensi elektrik positif dan negatif, sama dengan apa yang wujud di antara terminal bateri elektrik. Bidang elektron membawa cas negatif terdedah kepada satu kuasa yang mengarahkan ia kepada potensi yang positif. Ia mempercepatkan, dan jika ada apa-apa yang akan berdiri di jalan, kelajuan dan kuasa peningkatan beliau. Elektron bergerak ke arah potensi positif pada wayar atau di udara, dan berlanggar dengan atom kehilangan tenaga, tetapi jika mereka berada di vacuo, kemudian dipercepatkan kerana mereka datang ke anod.

Ketegangan antara permulaan dan akhir kedudukan daripada mentakrifkan elektron dibeli mereka tenaga. Apabila bergerak melalui beza keupayaan 1 V adalah sama dengan 1 elektron-volt (eV). Ini adalah bersamaan dengan 1,6 × 10 ^-19 joule. Tenaga nyamuk terbang trilion kali lebih. Dalam elektron kinescope dipecut voltan yang lebih besar daripada 10 kV. Banyak pemecut mencapai tenaga lebih tinggi diukur mega, giga dan tera-elektron-volt.

spesies

Beberapa jenis terawal pemecut zarah, seperti pengganda voltan dan penjana penjana Van de Graaff, dengan menggunakan medan elektrik yang berterusan yang dihasilkan oleh potensi sehingga satu juta volt. Dengan voltan tinggi seperti bekerja mudah. Satu alternatif yang lebih praktikal adalah tindakan yang berulang-ulang bidang elektrik lemah dihasilkan potensi rendah. Prinsip ini digunakan dalam kedua-dua jenis pemecut moden - linear dan kitaran (terutamanya siklotron dan synchrotrons). pemecut zarah linear, pendek, yang diluluskan mereka apabila melalui urutan bidang mempercepatkan, manakala cyclically banyak kali mereka bergerak dalam laluan bulatan melalui medan elektrik yang agak kecil. Dalam kedua-dua kes, tenaga akhir zarah bergantung kepada jumlah bidang tindakan, supaya banyak kecil "lebam" ditambah bersama-sama untuk memberi kesan gabungan besar tunggal.

Struktur berulang pemecut linear untuk menjana medan elektrik dengan cara yang semulajadi adalah dengan menggunakan AC, tidak DC. Zarah bercas positif yang dipercepatkan kepada potensi negatif dan mendapat nafas baru, jika lulus positif. Dalam amalan, voltan yang mesti berubah dengan cepat. Sebagai contoh, pada suatu kuasa 1 bergerak MeV proton pada kelajuan yang sangat tinggi adalah kelajuan cahaya 0.46, lulus 1.4 m 0.01 ms. Ini bermakna bahawa dalam struktur berulang beberapa meter panjang, bidang elektrik mesti berubah arah pada frekuensi sekurang-kurangnya 100 MHz. Linear dan pemecut zarah kitaran biasanya menyuraikan mereka dengan kekerapan medan elektrik seli dari 100 MHz hingga 3000, t. E. Dalam julat gelombang radio untuk ketuhar gelombang mikro.

Gelombang elektromagnet adalah gabungan medan elektrik dan magnet berayun berayun pada sudut tepat antara satu sama lain. Perkara utama adalah untuk menyesuaikan gelombang pemecut supaya pada kedatangan zarah medan elektrik diarahkan mengikut vektor pecutan. Ini boleh dilakukan dengan menggunakan gelombang berdiri - gabungan gelombang ke dalam arah yang bertentangan dalam ruang yang tertutup, gelombang bunyi di organ paip. Penjelmaan alternatif untuk elektron yang halaju menghampiri kelajuan cahaya, gelombang perjalanan cepat bergerak.

autophasing

Kesan penting pecutan dalam medan elektrik yang berselang-seli ialah "kestabilan fasa". Dalam satu bidang ayunan kitaran seli melalui sifar dari nilai maksimum kembali ke sifar, ia mengurangkan tahap minimum dan naik ke sifar. Oleh itu, ia pas dua kali melalui nilai yang diperlukan untuk pecutan. Jika satu zarah yang halaju bertambah, datang terlalu awal, ia tidak akan berfungsi bidang kekuatan yang mencukupi, dan push tersebut akan menjadi lemah. Apabila ia mencapai kawasan yang akan datang, ujian-an dan kesan yang lebih. Hasilnya, berperingkat diri berlaku, zarah akan berada dalam fasa dengan setiap bidang di rantau ini meningkat. kesan lain adalah perkumpulan mereka dalam masa untuk membentuk darah beku dan bukannya aliran berterusan.

Arah rasuk

Peranan penting dalam bagaimana kerja-kerja dan pemecut zarah, bermain dan medan magnet, kerana mereka boleh mengubah arah pergerakan mereka. Ini bermakna bahawa ia boleh digunakan untuk "lentur" rasuk di jalan yang bulat, supaya mereka berulang kali melalui seksyen mempercepatkan sama. Dalam kes yang paling mudah, pada zarah bercas yang bergerak pada sudut tepat dengan arah medan magnet homogen, vektor daya berserenjang dengan kedua-dua pergerakan, dan ke padang. Ini menyebabkan rasuk untuk bergerak di jalan yang bulat serenjang ke padang, sehingga ia keluar dari bidangnya tindakan atau daya lain bermula untuk bertindak ke atasnya. Kesan ini digunakan dalam pemecut kitaran seperti sinkrotron dan siklotron. Dalam siklotron, bidang yang berterusan yang dihasilkan oleh magnet yang besar. Zarah dengan peningkatan tenaga mereka bergerak berpilin zahir dipercepatkan dengan setiap revolusi. The sinkrotron beku bergerak gelanggang dengan radius yang berterusan, dan bidang yang dihasilkan oleh elektromagnet sekitar meningkat cincin sebagai zarah dipercepatkan. Magnet menyediakan "lentur", mewakili dipoles dengan utara dan kutub selatan, bengkok dalam bentuk ladam supaya rasuk boleh lulus therebetween.

Fungsi penting kedua elektromagnet adalah untuk memberi tumpuan rasuk supaya mereka begitu sempit dan sengit yang mungkin. Bentuk yang paling mudah daripada magnet memberi tumpuan - dengan empat tiang (dua utara dan dua selatan) terletak bertentangan antara satu sama lain. Mereka menolak zarah ke pusat dalam satu arah, tetapi membenarkan mereka untuk diedarkan di serenjang. magnet kuadrupol menumpukan rasuk mendatar, membenarkan beliau untuk keluar dari fokus menegak. Untuk melakukan ini, mereka mesti digunakan secara berpasangan. Untuk fokus yang lebih tepat juga digunakan magnet yang lebih canggih dengan sebilangan besar tiang (6 dan 8).

Kerana tenaga zarah bertambah, kekuatan medan magnet, mengarahkan mereka meningkat. Ini membolehkan rasuk pada trajektori yang sama. curd ini diperkenalkan ke dalam gelanggang dan dipercepatkan kepada tenaga yang diingini sebelum ia boleh dikeluarkan dan digunakan dalam eksperimen. Penarikan balik dicapai dengan elektromagnet yang diaktifkan untuk menolak zarah dari cincin sinkrotron itu.

perlanggaran

pemecut zarah dikenakan digunakan dalam perubatan dan industri, terutamanya menghasilkan rasuk untuk tujuan tertentu, misalnya, penyinaran atau ion implantasi. Ini bermakna bahawa zarah digunakan sekali. Yang sama adalah benar pemecut yang digunakan dalam penyelidikan asas untuk bertahun-tahun. Tetapi cincin telah dibangunkan pada tahun 1970, di mana dua rasuk beredar dalam arah yang bertentangan dan bertembung di sekitar litar. Kelebihan utama sistem tersebut adalah bahawa dalam tenaga perlanggaran frontal zarah pergi terus kepada tenaga interaksi antara mereka. Ini berbeza dengan apa yang berlaku apabila rasuk bertembung dengan gambar pegun, di mana sebahagian besar tenaga yang pergi kepada pengurangan bahan sasaran bergerak, selaras dengan prinsip keabadian momentum.

Beberapa mesin dengan rasuk berlanggar dibina dengan dua cincin, bersilang dalam dua atau lebih banyak tempat, di mana diedarkan dalam arah yang bertentangan, zarah dari jenis yang sama. Lebih biasa collider zarah-antiparticle. Antiparticle mempunyai caj yang bertentangan dengan zarah yang berkaitan. Sebagai contoh, positron, didakwa secara positif, dan elektron - negatif. Ini bermakna bahawa medan yang mempercepatkan elektron, positron melambatkan, bergerak dalam arah yang sama. Tetapi jika bergerak kedua ke arah yang bertentangan, ia akan mempercepatkan. Begitu juga, elektron bergerak melalui medan magnet kehendak keluk ke kiri, dan positron - kanan. Tetapi jika positron ini bergerak ke hadapan, maka jalan-Nya akan terus menyimpang ke kanan, tetapi pada lengkung sama dengan elektron. Walau bagaimanapun, ini bermakna bahawa zarah boleh bergerak melalui cincin sinkrotron magnet sama dan dipercepatkan oleh medan elektrik sama dalam arah yang bertentangan. Prinsip ini mencipta banyak colliders berkuasa berlanggar rasuk, t. Untuk. Satu-satunya memerlukan satu cincin pemecut.

Rasuk dalam sinkrotron tidak bergerak secara berterusan dan bersepadu ke dalam "rumpun." Mereka boleh menjadi beberapa sentimeter panjang dan sepersepuluh milimeter diameter, dan terdiri daripada kira-kira 10 ¹² zarah. Ini ketumpatan yang rendah, kerana saiz bahan itu mengandungi kira-kira ²³ atom ^Oktober. Oleh itu, apabila rasuk berlanggar bersilang, hanya ada kebarangkalian kecil zarah akan bertindak balas antara satu sama lain. Dalam amalan beku terus bergerak gelanggang dan bertemu lagi. vakum yang tinggi dalam pemecut zarah bercas (10 ^-11 mm Hg. V.) diperlukan agar zarah boleh mengedarkan untuk berjam-jam tanpa perlanggaran dengan molekul udara. Oleh itu, cincin itu juga dikenali sebagai kumulatif, kerana rasuk sebenarnya disimpan di dalamnya selama beberapa jam.

pendaftaran

pemecut zarah didakwa di majoriti boleh mendaftar berlaku apabila zarah memukul sasaran atau rasuk yang lain, bergerak ke arah yang bertentangan. Dalam tiub gambar televisyen, elektron dari senjata untuk menyerang skrin fosfor pada permukaan dalam dan mengeluarkan cahaya, yang sekali gus mencipta imej yang dipancarkan. Dalam pemecut Pengesan khusus seperti bertindak balas terhadap zarah bertaburan, tetapi mereka biasanya direka untuk mewujudkan isyarat elektrik yang boleh ditukarkan ke dalam data komputer dan dianalisis menggunakan program komputer. Hanya dikenakan elemen menghasilkan isyarat elektrik melalui bahan, contohnya dengan pengionan atau pengujaan atom, dan boleh dikesan secara langsung. Zarah neutral seperti neutron atau foton boleh dikesan secara tidak langsung melalui kelakuan zarah bahawa mereka berada dalam gerakan.

Terdapat banyak Pengesan khusus. Sesetengah daripada mereka, seperti kaunter Geiger, kiraan zarah, dan kegunaan lain, misalnya, untuk landasan rakaman atau pengukuran halaju tenaga. Pengesan moden dalam saiz dan teknologi, boleh berbeza dari caj ditambah kecil peranti untuk kamar gas berisi besar dengan wayar yang mengesan trek terion dihasilkan oleh zarah bercas.

cerita

pemecut zarah dikenakan terutamanya dibangunkan untuk kajian sifat-sifat nukleus atom dan zarah asas. Sejak pembukaan ahli fizik British Ernest Rutherford pada tahun 1919, tindak balas nukleus nitrogen dan zarah alfa, semua penyelidikan dalam bidang fizik nuklear untuk tahun 1932 telah dijalankan dengan nukleus helium, dibebaskan oleh reputan unsur-unsur radioaktif semula jadi. Natural alpha-zarah mempunyai tenaga kinetik 8 MeV, tetapi Rutherford percaya bahawa mereka perlu menjadi buatan dipercepatkan nilai kepada yang lebih tinggi untuk memantau pereputan nukleus berat. Pada masa yang ia seolah-olah sukar. Walau bagaimanapun, pengiraan yang dibuat pada tahun 1928 oleh Georgiem Gamovym (di Universiti Göttingen, Jerman), menunjukkan bahawa ion boleh digunakan pada tenaga jauh lebih rendah, dan ini telah merangsang percubaan untuk membina kemudahan yang menyediakan rasuk yang mencukupi untuk Penyelidikan Nuklear.

acara-acara lain tempoh ini menunjukkan prinsip-prinsip yang mana pemecut zarah dikenakan dibina untuk hari ini. Percubaan pertama yang berjaya dengan ion buatan dipercepatkan telah diadakan Cockroft dan Walton pada tahun 1932 di Universiti Cambridge. Dengan menggunakan pengganda voltan, proton dipecut kepada 710 keV, dan menunjukkan bahawa mereka ini bertindak balas dengan litium untuk membentuk dua zarah alfa. By 1931, di Princeton University di New Jersey, Robert Van de Graaff tali pinggang elektrostatik dibina penjana berpotensi tinggi pertama. Voltan pengganda Cockcroft-Walton penjana dan penjana Van de Graaff masih digunakan sebagai sumber tenaga untuk pemecut.

Prinsip pemecut linear salunan ditunjukkan Rolf Widerøe pada tahun 1928. The Rhine-Westphalia Universiti Teknikal di Aachen, Jerman, beliau menggunakan voltan AC yang tinggi untuk mempercepatkan natrium dan kalium ion tenaga yang melebihi dua kali untuk memberitahu mereka. Pada tahun 1931 di Amerika Syarikat Ernest Lourens dan pembantunya David Sloan daripada University of California, Berkeley, digunakan bidang frekuensi tinggi untuk mempercepatkan ion merkuri untuk tenaga yang lebih besar daripada 1.2 MeV. Kerja ini dilengkapi pemecut zarah yang berat Wideroe, tetapi rasuk ion tidak berguna dalam penyelidikan nuklear.

pemecut resonans magnetik atau siklotron, telah dianggap sebagai suatu pengubahsuaian pemasangan Lawrence Widerøe. Pelajar Lawrence Livingston menunjukkan prinsip siklotron pada tahun 1931, membuat ion dengan tenaga 80 keV. Pada tahun 1932, Lawrence dan Livingston mengumumkan pecutan proton sehingga lebih daripada 1 MeV. Kemudian pada tahun 1930-an, siklotron tenaga mencapai kira-kira 25 MeV, dan Van de Graaff - kira-kira 4 MeV. Pada tahun 1940, Donald Kerst, memohon keputusan pengiraan teliti orbit ke struktur magnet, yang dibina di Universiti Illinois, betatron pertama, aruhan magnet elektron pemecut.

fizik moden: pemecut zarah

Selepas Perang Dunia II terdapat kemajuan yang pesat dalam ilmu mempercepatkan zarah tenaga tinggi. Ia bermula Edwin McMillan di Berkeley dan Vladimir Veksler di Moscow. Pada tahun 1945, kedua-duanya adalah bebas daripada satu sama lain telah diterangkan prinsip kestabilan fasa. Konsep ini menawarkan satu kaedah untuk mengekalkan orbit stabil zarah dalam pemecut pekeliling yang dikeluarkan sekatan ke atas tenaga proton dan membantu mewujudkan pemecut resonans magnet (synchrotrons) untuk elektron. Autophasing, pelaksanaan prinsip kestabilan fasa, telah disahkan selepas pembinaan synchrocyclotron kecil di Universiti California dan sinkrotron di England. Tidak lama selepas itu, yang pertama proton linear accelerator salunan telah dibuat. Prinsip ini digunakan dalam semua synchrotrons proton utama yang dibina sejak itu.

Pada tahun 1947, William Hansen, di Universiti Stanford di California, membina pemecut elektron linear pertama pada gelombang perjalanan, yang menggunakan teknologi gelombang mikro yang telah dibangunkan untuk radar semasa Perang Dunia Kedua.

Kemajuan dalam kajian ini telah dapat dilaksanakan dengan meningkatkan tenaga proton, yang membawa kepada pembinaan pemecut pernah lebih besar. Trend ini adalah kos pengeluaran tinggi gelang magnet besar telah dihentikan. Terbesar mempunyai berat kira-kira 40,000 tan. Kaedah untuk meningkatkan tenaga tanpa pertumbuhan saiz mesin telah disaring dalam kira-kira 1952 godu Livingstone, Courant dan Snyder teknik seli pemfokusan (kadang-kadang dipanggil memberi tumpuan yang kukuh). Synchrotrons bekerja pada prinsip ini, menggunakan magnet 100 kali lebih kecil daripada sebelumnya. pemfokusan itu digunakan dalam semua synchrotrons moden.

Pada tahun 1956 Kerst sedar bahawa jika kedua-dua set zarah dikekalkan pada orbit bersilang, anda boleh menonton mereka berlanggar. Aplikasi idea ini diperlukan rasuk pengumpulan dipercepatkan dalam kitaran, dipanggil kumulatif. Teknologi ini telah mencapai tenaga maksimum zarah interaksi.