Daļiņu paātrinātājs ir ierīce, kas rada elektriski lādētu atomu vai subatomisku daļiņu staru, kas kustas gandrīz gaismas ātrumā. Tās darbības pamatā ir to enerģijas palielināšanās ar elektrisko lauku un trajektorijas maiņa - ar magnētisko.
Kam ir paredzēti daļiņu paātrinātāji?
Šīs ierīces tiek plaši izmantotas dažādās zinātnes un rūpniecības jomās. Mūsdienās to ir vairāk nekā 30 tūkstoši visā pasaulē. Fiziķim daļiņu paātrinātāji kalpo kā instruments fundamentālai izpētei par atomu uzbūvi, kodolspēku būtību un kodolu īpašībām, kuras dabā nav sastopamas. Pēdējie ietver transurānu un citus nestabilus elementus.
Ar izlādes caurules palīdzību kļuva iespējams noteikt konkrēto lādiņu. Daļiņu paātrinātājus izmanto arī radioizotopu ražošanā, rūpnieciskajā rentgenogrāfijā, staru terapijā, bioloģisko materiālu sterilizācijā un radiooglekliņos.analīze. Lielākās instalācijas tiek izmantotas fundamentālo mijiedarbību izpētē.
Uzlādētu daļiņu kalpošanas laiks miera stāvoklī attiecībā pret akseleratoru ir mazāks nekā daļiņām, kas paātrinātas līdz ātrumam, kas ir tuvu gaismas ātrumam. Tas apstiprina SRT laika intervālu relativitāti. Piemēram, CERN tika sasniegts 29 reizes lielāks muonu dzīves ilgums ar ātrumu 0,9994c.
Šajā rakstā ir apskatīts, kā darbojas daļiņu paātrinātājs, tā izstrāde, dažādi veidi un atšķirīgās iezīmes.
Paātrinājuma principi
Neatkarīgi no jums zināmajiem daļiņu paātrinātājiem, tiem visiem ir kopīgi elementi. Pirmkārt, tiem visiem ir jābūt elektronu avotam, ja tiek izmantots televīzijas kineskops, vai elektroniem, protoniem un to antidaļiņām, ja ir lielākas iekārtas. Turklāt tiem visiem jābūt elektriskiem laukiem, lai paātrinātu daļiņas, un magnētiskajiem laukiem, lai kontrolētu to trajektoriju. Turklāt vakuums daļiņu paātrinātājā (10-11 mm Hg), t.i., minimālais atlikušā gaisa daudzums, ir nepieciešams, lai nodrošinātu siju ilgu kalpošanas laiku. Un, visbeidzot, visām instalācijām ir jābūt līdzekļiem, lai reģistrētu, skaitītu un izmērītu paātrinātas daļiņas.
Paaudze
Elektroni un protoni, kurus visbiežāk izmanto paātrinātājos, ir atrodami visos materiālos, taču vispirms tie ir jāizolē no tiem. Parasti tiek ģenerēti elektronigluži kā kineskopā – ierīcē, ko sauc par "pistoli". Tas ir katods (negatīvs elektrods) vakuumā, kas tiek uzkarsēts līdz vietai, kur elektroni sāk atrauties no atomiem. Negatīvi uzlādētas daļiņas tiek piesaistītas anodam (pozitīvajam elektrodam) un iziet cauri izejai. Pats lielgabals ir arī vienkāršākais paātrinātājs, jo elektroni pārvietojas elektriskā lauka ietekmē. Spriegums starp katodu un anodu parasti ir no 50 līdz 150 kV.
Papildus elektroniem visi materiāli satur protonus, bet tikai ūdeņraža atomu kodoli sastāv no atsevišķiem protoniem. Tāpēc protonu paātrinātāju daļiņu avots ir gāzveida ūdeņradis. Šajā gadījumā gāze tiek jonizēta, un protoni izplūst cauri caurumam. Lielos paātrinātājos protoni bieži tiek ražoti kā negatīvi ūdeņraža joni. Tie ir atomi ar papildu elektronu, kas ir divatomiskās gāzes jonizācijas produkts. Sākotnējās stadijās ir vieglāk strādāt ar negatīvi lādētiem ūdeņraža joniem. Pēc tam tie tiek izlaisti caur plānu foliju, kas atņem tiem elektronus pirms pēdējās paātrinājuma stadijas.
Paātrinājums
Kā darbojas daļiņu paātrinātāji? Jebkuras no tām galvenā iezīme ir elektriskais lauks. Vienkāršākais piemērs ir vienmērīgs statiskais lauks starp pozitīvo un negatīvo elektrisko potenciālu, kas ir līdzīgs tam, kas pastāv starp elektriskā akumulatora spailēm. TādāLaukā elektrons, kuram ir negatīvs lādiņš, ir pakļauts spēkam, kas virza to uz pozitīvu potenciālu. Viņa viņu paātrina, un, ja nekas to neaizkavē, viņa ātrums un enerģija palielinās. Elektroni, kas virzās uz pozitīvu potenciālu vadā vai pat gaisā, saduras ar atomiem un zaudē enerģiju, bet, ja tie atrodas vakuumā, tie paātrinās, tuvojoties anodam.
Spriegums starp elektrona sākotnējo un beigu pozīciju nosaka tā iegūto enerģiju. Pārvietojoties caur potenciālu starpību 1 V, tā ir vienāda ar 1 elektronvoltu (eV). Tas atbilst 1,6 × 10-19 džouliem. Lidojoša moskīta enerģija ir triljonus reižu lielāka. Kineskopā elektronus paātrina spriegums virs 10 kV. Daudzi paātrinātāji sasniedz daudz lielāku enerģiju, ko mēra mega-, giga- un teraelektronvoltos.
Šķirnes
Daži no senākajiem daļiņu paātrinātāju veidiem, piemēram, sprieguma reizinātājs un Van de Grāfa ģenerators, izmantoja pastāvīgus elektriskos laukus, ko radīja potenciāls līdz miljonam voltu. Nav viegli strādāt ar tik augstu spriegumu. Praktiskāka alternatīva ir vāju elektrisko lauku atkārtota darbība, ko rada zems potenciāls. Šis princips tiek izmantots divu veidu mūsdienu paātrinātājos - lineārajos un cikliskajos (galvenokārt ciklotronos un sinhrotronos). Īsāk sakot, lineārie daļiņu paātrinātāji tos vienu reizi izlaiž cauri secībaipaātrinošie lauki, savukārt cikliskajā tie atkārtoti pārvietojas pa apļveida ceļu caur salīdzinoši maziem elektriskiem laukiem. Abos gadījumos daļiņu galīgā enerģija ir atkarīga no lauku kopējās ietekmes, tā ka daudzi mazi "trieciņi" summējas, veidojot viena liela kombinēto efektu.
Atkārtotā lineārā paātrinātāja struktūra, lai radītu elektriskos laukus, dabiski ietver maiņstrāvas, nevis līdzstrāvas sprieguma izmantošanu. Pozitīvi lādētās daļiņas tiek paātrinātas pret negatīvo potenciālu un iegūst jaunu impulsu, ja tās iet garām pozitīvajam. Praksē spriegumam vajadzētu mainīties ļoti ātri. Piemēram, pie enerģijas 1 MeV protons pārvietojas ar ļoti lielu ātrumu 0,46 gaismas ātruma, nobraucot 1,4 m 0,01 ms. Tas nozīmē, ka vairāku metru garumā atkārtojoties, elektriskajiem laukiem ir jāmaina virziens ar frekvenci vismaz 100 MHz. Lādētu daļiņu lineārie un cikliskie paātrinātāji, kā likums, tos paātrina, izmantojot mainīgus elektriskos laukus ar frekvenci no 100 līdz 3000 MHz, t.i., sākot no radioviļņiem līdz mikroviļņiem.
Elektromagnētiskais vilnis ir mainīgu elektrisko un magnētisko lauku kombinācija, kas svārstās perpendikulāri viens otram. Paātrinātāja galvenais punkts ir noregulēt vilni tā, lai daļiņai ienākot elektriskais lauks tiktu virzīts atbilstoši paātrinājuma vektoram. To var izdarīt ar stāvviļņu – viļņu kombināciju, kas slēgtā lokā virzās pretējos virzienos.telpa, kā skaņas viļņi ērģeļu caurulē. Alternatīva ļoti ātri kustīgiem elektroniem, kas tuvojas gaismas ātrumam, ir ceļojošs vilnis.
Automātiskā fāze
Svarīgs efekts, paātrinot mainīgā elektriskā laukā, ir "automātiskā fāze". Vienā svārstību ciklā mainīgais lauks pāriet no nulles caur maksimālo vērtību atkal uz nulli, nokrītas līdz minimumam un paaugstinās līdz nullei. Tātad tas iet cauri vērtībai, kas nepieciešama, lai paātrinātu divas reizes. Ja paātrinājuma daļiņa ierodas pārāk ātri, tad to neietekmēs pietiekami spēcīga lauks, un spiediens būs vājš. Kad viņa sasniegs nākamo sadaļu, viņa kavēsies un piedzīvos spēcīgāku ietekmi. Rezultātā notiks automātiskā fāze, daļiņas būs fāzē ar lauku katrā paātrinājuma reģionā. Vēl viens efekts būtu to sagrupēšana laika gaitā, nevis nepārtrauktā straumē.
Siju virziens
Magnētiskajiem laukiem ir arī liela nozīme uzlādētu daļiņu paātrinātāja darbībā, jo tie var mainīt kustības virzienu. Tas nozīmē, ka ar tiem var "saliekt" sijas pa apļveida trajektoriju tā, lai tās vairākas reizes izietu cauri vienam un tam pašam paātrinājuma posmam. Vienkāršākajā gadījumā uzlādēta daļiņa, kas kustas taisnā leņķī pret vienmērīga magnētiskā lauka virzienu, tiek pakļauta spēka iedarbībai.perpendikulāri gan tā nobīdes vektoram, gan laukam. Tas liek staram kustēties pa apļveida trajektoriju, kas ir perpendikulāra laukam, līdz tas atstāj savu darbības zonu vai uz to sāk darboties cits spēks. Šo efektu izmanto cikliskajos paātrinātājos, piemēram, ciklotronā un sinhrotronā. Ciklotronā pastāvīgu lauku ģenerē liels magnēts. Daļiņas, pieaugot to enerģijai, virzās uz āru, paātrinoties ar katru apgriezienu. Sinhrotronā ķekari pārvietojas ap gredzenu ar nemainīgu rādiusu, un elektromagnētu radītais lauks ap gredzenu palielinās, daļiņām paātrinoties. "Liekšanas" magnēti ir dipoli, kuru ziemeļu un dienvidu pols ir saliekts pakava formā, lai stars varētu iziet starp tiem.
Otra svarīgā elektromagnētu funkcija ir koncentrēt starus tā, lai tie būtu pēc iespējas šauri un intensīvāki. Vienkāršākā fokusēšanas magnēta forma ir ar četriem poliem (divi ziemeļu un divi dienvidu) viens otram pretī. Tie virza daļiņas uz centru vienā virzienā, bet ļauj tām izplatīties perpendikulārā virzienā. Četrpolu magnēti fokusē staru kūli horizontāli, ļaujot tam vertikāli iziet no fokusa. Lai to izdarītu, tie ir jāizmanto pa pāriem. Precīzākai fokusēšanai tiek izmantoti arī sarežģītāki magnēti ar vairāk poliem (6 un 8).
Palielinoties daļiņu enerģijai, palielinās tās vadošā magnētiskā lauka stiprums. Tādējādi stars paliek tajā pašā virzienā. Trombu ievada gredzenā un paātrina līdznepieciešamo enerģiju, pirms to var izņemt un izmantot eksperimentos. Ievilkšanu nodrošina elektromagnēti, kas ieslēdzas, lai izstumtu daļiņas no sinhrona gredzena.
Sadursme
Medicīnā un rūpniecībā izmantotie daļiņu paātrinātāji galvenokārt ražo staru kūli noteiktam mērķim, piemēram, staru terapijai vai jonu implantācijai. Tas nozīmē, ka daļiņas tiek izmantotas vienreiz. Daudzus gadus tas pats attiecās uz pamatpētījumos izmantotajiem paātrinātājiem. Bet 1970. gados tika izstrādāti gredzeni, kuros divi stari cirkulē pretējos virzienos un saduras visā ķēdē. Šādu iekārtu galvenā priekšrocība ir tāda, ka frontālās sadursmes gadījumā daļiņu enerģija nonāk tieši to mijiedarbības enerģijā. Tas ir pretstatā tam, kas notiek, kad stars saduras ar materiālu miera stāvoklī: šajā gadījumā lielākā daļa enerģijas tiek tērēta mērķa materiāla iestatīšanai kustībā saskaņā ar impulsa saglabāšanas principu.
Dažas sadursmju staru mašīnas ir veidotas ar diviem gredzeniem, kas krustojas divās vai vairākās vietās un kuros viena veida daļiņas cirkulē pretējos virzienos. Biežāk sastopami sadursmes līdzekļi ar daļiņām un antidaļiņām. Antidaļiņai ir pretējs lādiņš tai saistītajai daļiņai. Piemēram, pozitrons ir pozitīvi uzlādēts, bet elektrons ir negatīvi. Tas nozīmē, ka lauks, kas paātrina elektronu, palēnina pozitronu,virzās tajā pašā virzienā. Bet, ja pēdējais pārvietojas pretējā virzienā, tas paātrinās. Līdzīgi elektrons, kas pārvietojas pa magnētisko lauku, liecīsies pa kreisi, bet pozitrons – pa labi. Bet, ja pozitrons virzās uz to, tad tā ceļš joprojām novirzīsies pa labi, bet pa to pašu līkni kā elektronam. Kopā tas nozīmē, ka šīs daļiņas var pārvietoties pa sinhrotrona gredzenu, pateicoties tiem pašiem magnētiem, un tos paātrina tie paši elektriskie lauki pretējos virzienos. Daudzi no jaudīgākajiem sadursmju sijām sadursmēm ir izveidoti saskaņā ar šo principu, jo ir nepieciešams tikai viens akseleratora gredzens.
Sinhrotronā esošais stars nepārvietojas nepārtraukti, bet tiek apvienots "klučos". Tie var būt vairākus centimetrus gari un milimetra desmitdaļu diametrā, un tajos var būt aptuveni 1012 daļiņu. Tas ir mazs blīvums, jo šāda izmēra viela satur apmēram 1023 atomus. Tāpēc, kad stari krustojas ar pretimnākošiem stariem, ir tikai neliela iespēja, ka daļiņas mijiedarbosies viena ar otru. Praksē ķekari turpina kustēties pa gredzenu un atkal satiekas. Dziļais vakuums daļiņu paātrinātājā (10-11 mmHg) ir nepieciešams, lai daļiņas varētu cirkulēt daudzas stundas, nesaskaroties ar gaisa molekulām. Tāpēc gredzenus sauc arī par akumulatoriem, jo kūļi tajos faktiski tiek glabāti vairākas stundas.
Reģistrēties
Daļiņu paātrinātāji lielākoties var reģistrēt, kas notiek, kadkad daļiņas ietriecas mērķī vai citā starā, kas kustas pretējā virzienā. Televīzijas kineskopā pistoles elektroni ietriecas fosforā uz ekrāna iekšējās virsmas un izstaro gaismu, kas tādējādi atjauno pārraidīto attēlu. Akseleratoros šādi specializēti detektori reaģē uz izkliedētām daļiņām, taču tie parasti ir paredzēti elektrisko signālu ģenerēšanai, kurus var pārvērst datora datos un analizēt, izmantojot datorprogrammas. Tikai uzlādēti elementi rada elektriskus signālus, ejot cauri materiālam, piemēram, ar aizraujošiem vai jonizējošiem atomiem, un tos var noteikt tieši. Neitrālas daļiņas, piemēram, neitronus vai fotonus, var noteikt netieši, izmantojot lādēto daļiņu uzvedību, ko tās iekustina.
Ir daudz specializētu detektoru. Daži no tiem, piemēram, Geigera skaitītājs, vienkārši saskaita daļiņas, bet citi tiek izmantoti, piemēram, pēdu ierakstīšanai, ātruma mērīšanai vai enerģijas daudzuma mērīšanai. Mūsdienu detektori ir dažāda izmēra un tehnoloģiju diapazonā, sākot no mazām ar lādiņu savienotām ierīcēm līdz lielām ar vadu pildītām ar gāzi pildītām kamerām, kas nosaka uzlādētu daļiņu radītās jonizētās pēdas.
Vēsture
Daļiņu paātrinātāji galvenokārt tika izstrādāti, lai pētītu atomu kodolu un elementārdaļiņu īpašības. Kopš britu fiziķa Ernesta Raterforda 1919. gadā atklājot reakciju starp slāpekļa kodolu un alfa daļiņu, visi pētījumi kodolfizikā līdz pat1932. gads tika pavadīts ar hēlija kodoliem, kas atbrīvoti no dabisko radioaktīvo elementu sabrukšanas. Dabisko alfa daļiņu kinētiskā enerģija ir 8 MeV, taču Rezerfords uzskatīja, ka, lai novērotu smago kodolu sabrukšanu, tās mākslīgi jāpaātrina līdz vēl lielākām vērtībām. Toreiz tas šķita grūti. Tomēr 1928. gadā Georgija Gamova (Getingenas Universitātē, Vācijā) veiktais aprēķins parādīja, ka var izmantot jonus ar daudz mazāku enerģiju, un tas veicināja mēģinājumus izveidot iekārtu, kas nodrošinātu kodolpētniecībai pietiekamu staru.
Citi šī perioda notikumi demonstrēja principus, pēc kuriem daļiņu paātrinātāji tiek veidoti līdz mūsdienām. Pirmos veiksmīgos eksperimentus ar mākslīgi paātrinātiem joniem veica Kokkrofts un Voltons 1932. gadā Kembridžas Universitātē. Izmantojot sprieguma reizinātāju, viņi paātrināja protonus līdz 710 keV un parādīja, ka pēdējie reaģē ar litija kodolu, veidojot divas alfa daļiņas. Līdz 1931. gadam Prinstonas universitātē Ņūdžersijā Roberts van de Grāfs bija uzbūvējis pirmo augsta potenciāla lentes elektrostatisko ģeneratoru. Cockcroft-W alton sprieguma pavairotāji un Van de Graaff ģeneratori joprojām tiek izmantoti kā paātrinātāju enerģijas avoti.
Lineārās rezonanses paātrinātāja principu 1928. gadā demonstrēja Rolfs Wideröe. Reinas-Vestfālenes Tehnoloģiju universitātē Āhenē, Vācijā, viņš izmantoja augstu maiņspriegumu, lai divreiz paātrinātu nātrija un kālija jonus līdz enerģijām.pārsniedz to ziņoto. 1931. gadā Amerikas Savienotajās Valstīs Ernests Lorenss un viņa asistents Deivids Slouns no Kalifornijas Universitātes Bērklijā izmantoja augstfrekvences laukus, lai paātrinātu dzīvsudraba jonus līdz enerģijai, kas pārsniedz 1,2 MeV. Šis darbs papildināja Wideröe smago daļiņu paātrinātāju, taču jonu stari nebija noderīgi kodolpētniecībā.
Magnētiskās rezonanses paātrinātāju jeb ciklotronu Lorenss izdomāja kā Wideröe instalācijas modifikāciju. Lorensa Livingstona skolnieks 1931. gadā demonstrēja ciklotrona principu, ražojot 80 keV jonus. 1932. gadā Lorenss un Livingstons paziņoja par protonu paātrinājumu līdz virs 1 MeV. Vēlāk 1930. gados ciklotronu enerģija sasniedza aptuveni 25 MeV, bet Van de Graaff ģeneratoru enerģija sasniedza aptuveni 4 MeV. 1940. gadā Donalds Kersts, izmantojot rūpīgu orbītas aprēķinu rezultātus magnētu projektēšanā, Ilinoisas Universitātē uzbūvēja pirmo betatronu, magnētiskās indukcijas elektronu paātrinātāju.
Mūsdienu fizika: daļiņu paātrinātāji
Pēc Otrā pasaules kara zinātne par daļiņu paātrināšanu līdz lielai enerģijai strauji progresēja. To aizsāka Edvīns Makmilāns Bērklijā un Vladimirs Vekslers Maskavā. 1945. gadā abi neatkarīgi aprakstīja fāzes stabilitātes principu. Šī koncepcija piedāvā līdzekli, kā uzturēt stabilas daļiņu orbītas cikliskā paātrinātājā, kas atcēla protonu enerģijas ierobežojumus un ļāva izveidot magnētiskās rezonanses paātrinātājus (sinkrotronus) elektroniem. Autofāzēšana, fāzes stabilitātes principa īstenošana, ir apstiprināta pēc būvniecībasneliels sinhrociklotrons Kalifornijas Universitātē un sinhrotrons Anglijā. Neilgi pēc tam tika izveidots pirmais protonu lineārās rezonanses paātrinātājs. Šis princips ir izmantots visos lielajos protonu sinhrotronos, kas uzbūvēti kopš tā laika.
1947. gadā Viljams Hansens Stenfordas universitātē Kalifornijā uzbūvēja pirmo lineāro ceļojošo viļņu elektronu paātrinātāju, izmantojot mikroviļņu tehnoloģiju, kas tika izstrādāta radariem Otrā pasaules kara laikā.
Progress pētniecībā bija iespējams, palielinot protonu enerģiju, kā rezultātā tika uzbūvēti arvien lielāki paātrinātāji. Šo tendenci ir apturējusi milzīgu gredzenu magnētu izgatavošanas augstās izmaksas. Lielākais sver aptuveni 40 000 tonnu. Veidus, kā palielināt enerģiju, nepalielinot mašīnu izmērus, 1952. gadā demonstrēja Livingstons, Kurants un Snaiders mainīgās fokusēšanas tehnikā (dažkārt saukta par spēcīgu fokusēšanu). Sinhrotronos, kuru pamatā ir šis princips, tiek izmantoti magnēti, kas ir 100 reizes mazāki nekā iepriekš. Šāda fokusēšana tiek izmantota visos mūsdienu sinhrotronos.
1956. gadā Kersta saprata, ka, ja divas daļiņu kopas tiktu turētas krustojošās orbītās, varētu novērot to sadursmi. Šīs idejas piemērošanai bija nepieciešama paātrinātu staru uzkrāšanās ciklos, ko sauc par uzglabāšanu. Šī tehnoloģija ļāva sasniegt maksimālo daļiņu mijiedarbības enerģiju.
