Pospeševalnik delcev je naprava, ki ustvarja snop električno nabitih atomskih ali subatomskih delcev, ki se gibljejo s skoraj svetlobnimi hitrostmi. Njegovo delo temelji na povečanju njihove energije z električnim poljem in spremembi poti - z magnetnim.
Zakaj so pospeševalniki delcev?
Te naprave se pogosto uporabljajo na različnih področjih znanosti in industrije. Danes jih je po vsem svetu več kot 30 tisoč. Za fizika pospeševalniki delcev služijo kot orodje za temeljne raziskave strukture atomov, narave jedrskih sil in lastnosti jeder, ki se v naravi ne pojavljajo. Slednji vključujejo transuran in druge nestabilne elemente.
S pomočjo izpustne cevi je bilo mogoče določiti specifičen naboj. Pospeševalniki delcev se uporabljajo tudi pri proizvodnji radioizotopov, v industrijski radiografiji, v radioterapiji, pri sterilizaciji bioloških materialov in v radiokarbonatu.analiza. Največje instalacije se uporabljajo pri preučevanju temeljnih interakcij.
Življenjska doba nabitih delcev v mirovanju glede na pospeševalnik je krajša od življenjske dobe delcev, pospešenih do hitrosti blizu svetlobne hitrosti. To potrjuje relativnost časovnih intervalov SRT. Na primer, v CERN-u so dosegli 29-kratno povečanje življenjske dobe mionov pri hitrosti 0,9994c.
Ta članek obravnava, kako deluje pospeševalnik delcev, njegov razvoj, različne vrste in značilnosti.
Načela pospeševanja
Ne glede na to, katere pospeševalnike delcev poznate, imajo vsi skupne elemente. Prvič, vsi morajo imeti vir elektronov v primeru televizijskega kineskopa ali elektronov, protonov in njihovih antidelcev v primeru večjih instalacij. Poleg tega morajo vsi imeti električna polja za pospeševanje delcev in magnetna polja za nadzor njihove poti. Poleg tega je vakuum v pospeševalniku delcev (10-11 mm Hg), to je minimalna količina preostalega zraka, nujen za zagotovitev dolge življenjske dobe žarkov. In končno, vse naprave morajo imeti sredstva za registracijo, štetje in merjenje pospešenih delcev.
generacija
Elektroni in protoni, ki se najpogosteje uporabljajo v pospeševalnikih, najdemo v vseh materialih, vendar jih je treba najprej izolirati od njih. Običajno nastajajo elektronitako kot v kineskopu – v napravi, imenovani »puška«. Je katoda (negativna elektroda) v vakuumu, ki se segreje do točke, ko se elektroni začnejo odvajati od atomov. Negativno nabiti delci se pritegnejo na anodo (pozitivna elektroda) in gredo skozi izhod. Sama pištola je tudi najpreprostejši pospeševalnik, saj se elektroni premikajo pod vplivom električnega polja. Napetost med katodo in anodo je običajno med 50-150 kV.
Poleg elektronov vsi materiali vsebujejo protone, vendar so samo jedra vodikovih atomov sestavljena iz posameznih protonov. Zato je vir delcev za protonske pospeševalnike plinasti vodik. V tem primeru se plin ionizira in protoni uidejo skozi luknjo. V velikih pospeševalnikih se protoni pogosto proizvajajo kot negativni vodikovi ioni. So atomi z dodatnim elektronom, ki so produkt ionizacije dvoatomskega plina. V začetnih fazah je lažje delati z negativno nabitimi vodikovimi ioni. Nato jih speljemo skozi tanko folijo, ki jim pred zadnjo stopnjo pospeška odvzame elektrone.
pospešek
Kako delujejo pospeševalniki delcev? Ključna značilnost katerega koli od njih je električno polje. Najenostavnejši primer je enakomerno statično polje med pozitivnimi in negativnimi električnimi potenciali, podobno tistemu, ki obstaja med sponkami električne baterije. V takihpolje, je elektron z negativnim nabojem podvržen sili, ki ga usmeri proti pozitivnemu potencialu. Ona ga pospešuje, in če temu nič ne prepreči, se njegova hitrost in energija povečata. Elektroni, ki se premikajo proti pozitivnemu potencialu v žici ali celo v zraku, trčijo v atome in izgubijo energijo, če pa so v vakuumu, pospešijo, ko se približujejo anodi.
Napetost med začetnim in končnim položajem elektrona določa energijo, ki jo pridobi. Ko se premikate skozi potencialno razliko 1 V, je enaka 1 elektronvoltu (eV). To je enako 1,6 × 10-19 joulov. Energija letečega komarja je bilijonkrat večja. V kineskopu se elektroni pospešujejo z napetostjo nad 10 kV. Številni pospeševalniki dosegajo veliko višje energije, merjene v mega-, giga- in teraelektronvoltih.
Sorte
Nekateri najzgodnejši tipi pospeševalnikov delcev, kot sta množitelj napetosti in Van de Graaffov generator, so uporabljali konstantna električna polja, ki jih ustvarjajo potenciali do milijon voltov. S tako visokimi napetostmi ni lahko delati. Bolj praktična alternativa je ponavljajoče se delovanje šibkih električnih polj, ki jih ustvarjajo nizki potenciali. Ta princip se uporablja v dveh vrstah sodobnih pospeševalnikov - linearnih in cikličnih (predvsem v ciklotronih in sinhrotronih). Skratka, linearni pospeševalniki delcev jih prepeljejo enkrat skozi zaporedjepospeševalna polja, medtem ko se v cikličnem večkrat gibljejo po krožni poti skozi relativno majhna električna polja. V obeh primerih je končna energija delcev odvisna od skupnega učinka polj, tako da se sešteje veliko majhnih "sukov", ki dajo skupni učinek enega velikega.
Ponavljajoča se struktura linearnega pospeševalnika za ustvarjanje električnih polj seveda vključuje uporabo izmenične in ne enosmerne napetosti. Pozitivno nabiti delci se pospešujejo proti negativnemu potencialu in dobijo nov zagon, če gredo mimo pozitivnega. V praksi bi se morala napetost spreminjati zelo hitro. Na primer, pri energiji 1 MeV proton potuje z zelo visokimi hitrostmi 0,46 svetlobne hitrosti in potuje 1,4 m v 0,01 ms. To pomeni, da morajo električna polja v ponavljajočem se vzorcu, dolgem nekaj metrov, spremeniti smer s frekvenco najmanj 100 MHz. Linearni in ciklični pospeševalniki nabitih delcev jih praviloma pospešujejo z izmeničnimi električnimi polji s frekvenco od 100 do 3000 MHz, torej v razponu od radijskih valov do mikrovalov.
Elektromagnetno valovanje je kombinacija izmeničnih električnih in magnetnih polj, ki nihajo pravokotno drug na drugega. Ključna točka pospeševalnika je prilagoditi val tako, da je ob prihodu delca električno polje usmerjeno v skladu z vektorjem pospeška. To je mogoče storiti s stoječim valom – kombinacijo valov, ki potujejo v nasprotnih smereh v zaprti zanki.prostor, kot zvočni valovi v orgelski cevi. Alternativa za zelo hitro premikajoče se elektrone, ki se približujejo svetlobni hitrosti, je potujoči val.
Autophasing
Pomemben učinek pri pospeševanju v izmeničnem električnem polju je "avtofaziranje". V enem ciklu nihanja se izmenično polje od nič preko največje vrednosti spet premakne na nič, pade na minimum in naraste na nič. Torej gre skozi vrednost, ki je potrebna za dvakratno pospešitev. Če pospeševalni delec prispe prehitro, potem nanj ne bo vplivalo polje zadostne moči in potis bo šibek. Ko pride do naslednjega odseka, bo zamudila in bo doživela močnejši udar. Posledično bo prišlo do samofaziranja, delci bodo v fazi s poljem v vsakem pospeševalnem območju. Drug učinek bi bil, če bi jih sčasoma združili v gruče in ne v neprekinjen tok.
Smer žarka
Magnetna polja igrajo pomembno vlogo tudi pri delovanju pospeševalnika nabitih delcev, saj lahko spremenijo smer svojega gibanja. To pomeni, da se lahko z njimi "upogibajo" nosilci po krožni poti, tako da večkrat preidejo skozi isti pospeševalni odsek. V najpreprostejšem primeru je nabiti delec, ki se giblje pravokotno na smer enakomernega magnetnega polja, izpostavljen silipravokotno tako na vektor njegovega premika kot na polje. To povzroči, da se žarek premika po krožni poti, pravokotni na polje, dokler ne zapusti svojega območja delovanja ali pa nanj začne delovati druga sila. Ta učinek se uporablja v cikličnih pospeševalnikih, kot sta ciklotron in sinhrotron. V ciklotronu konstantno polje ustvarja velik magnet. Delci, ko njihova energija raste, se spiralno navzven pospešujejo z vsakim obratom. V sinhrotronu se snopi gibljejo okoli obroča s konstantnim polmerom, polje, ki ga ustvarjajo elektromagneti okoli obroča, pa se povečuje, ko se delci pospešujejo. "Upogibni" magneti so dipoli s severnim in južnim polom, upognjenim v obliki podkve, tako da lahko žarek prehaja med njimi.
Druga pomembna funkcija elektromagnetov je koncentriranje žarkov, tako da so čim bolj ozki in intenzivni. Najpreprostejša oblika fokusnega magneta je s štirimi poli (dva severna in dva južna) drug proti drugemu. Delce potiskajo proti središču v eni smeri, vendar jim omogočajo, da se širijo v pravokotni smeri. Kvadrupolni magneti usmerijo žarek vodoravno, kar mu omogoča, da izostri fokus navpično. Če želite to narediti, jih je treba uporabiti v parih. Za natančnejše ostrenje se uporabljajo tudi kompleksnejši magneti z več polovi (6 in 8).
Ko se energija delcev povečuje, se povečuje moč magnetnega polja, ki jih vodi. To ohranja žarek na isti poti. Strdek se vnese v obroč in pospeši dozahtevano energijo, preden jo lahko odvzamemo in uporabimo v poskusih. Umik se doseže z elektromagneti, ki se vklopijo in potisnejo delce iz sinhrotronskega obroča.
Trčenje
Pospeševalniki delcev, ki se uporabljajo v medicini in industriji, večinoma proizvajajo žarek za posebne namene, kot je radioterapija ali ionska implantacija. To pomeni, da se delci uporabijo enkrat. Dolga leta je enako veljalo za pospeševalnike, ki se uporabljajo v temeljnih raziskavah. Toda v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja so bili razviti obroči, v katerih oba žarka krožita v nasprotnih smereh in trčita vzdolž celotnega kroga. Glavna prednost takšnih inštalacij je, da pri čelnem trku energija delcev preide neposredno v energijo interakcije med njimi. To je v nasprotju s tem, kar se zgodi, ko žarek trči v material v mirovanju: v tem primeru se večina energije porabi za postavitev ciljnega materiala v gibanje v skladu z načelom ohranjanja zagona.
Nekateri stroji z trkajočimi žarki so zgrajeni z dvema obročema, ki se sekata na dveh ali več mestih, v katerih delci iste vrste krožijo v nasprotnih smereh. Bolj pogosti so trkalniki z delci in antidelci. Antidelec ima nasproten naboj pridruženega delca. Na primer, pozitron je pozitivno nabit, medtem ko je elektron negativno nabit. To pomeni, da polje, ki pospešuje elektron, upočasni pozitron,premikajo v isto smer. Če pa se slednji premika v nasprotni smeri, se bo pospešil. Podobno se bo elektron, ki se premika skozi magnetno polje, upognil v levo, pozitron pa v desno. Če pa se pozitron premakne proti njemu, bo njegova pot še vedno zavila v desno, vendar po isti krivulji kot elektron. Skupaj to pomeni, da se ti delci lahko gibljejo vzdolž sinhrotronskega obroča zaradi istih magnetov in jih pospešujejo ista električna polja v nasprotnih smereh. Številni najmočnejši trkalniki na trkajočih žarkih so bili ustvarjeni po tem principu, saj je potreben samo en pospeševalni obroč.
Žarek v sinhrotronu se ne premika neprekinjeno, ampak je združen v "grude". Lahko so dolgi nekaj centimetrov in v premeru desetinka milimetra ter vsebujejo približno 1012 delcev. To je majhna gostota, saj snov te velikosti vsebuje približno 1023 atomov. Zato, ko se žarki sekajo s prihajajočimi žarki, obstaja le majhna možnost, da bodo delci medsebojno vplivali. V praksi se grozdi še naprej premikajo vzdolž obroča in se ponovno srečajo. Globok vakuum v pospeševalniku delcev (10-11 mmHg) je potreben, da lahko delci krožijo več ur brez trka z molekulami zraka. Zato se obročki imenujejo tudi akumulacijski, saj so snopi dejansko shranjeni v njih več ur.
Registracija
Pospeševalniki delcev večinoma lahko registrirajo, kaj se zgodi kdajko delci zadenejo tarčo ali drug žarek, ki se premika v nasprotni smeri. V televizijskem kineskopu elektroni iz pištole zadenejo fosfor na notranji površini zaslona in oddajajo svetlobo, ki tako poustvari preneseno sliko. V pospeševalnikih se takšni specializirani detektorji odzivajo na razpršene delce, vendar so običajno zasnovani za ustvarjanje električnih signalov, ki jih je mogoče pretvoriti v računalniške podatke in analizirati s pomočjo računalniških programov. Samo nabiti elementi ustvarjajo električne signale s prehodom skozi material, na primer z vzbujanjem ali ionizirajočim atomom, in jih je mogoče neposredno zaznati. Nevtralne delce, kot so nevtroni ali fotoni, je mogoče zaznati posredno z obnašanjem nabitih delcev, ki jih sprožijo.
Obstaja veliko specializiranih detektorjev. Nekateri od njih, kot je Geigerjev števec, preprosto štejejo delce, drugi pa se uporabljajo na primer za beleženje sledi, merjenje hitrosti ali merjenje količine energije. Sodobni detektorji se gibljejo po velikosti in tehnologiji od majhnih nabojnih naprav do velikih plinskih komor, napolnjenih z žicami, ki zaznavajo ionizirane sledi, ki jih ustvarijo nabiti delci.
Zgodovina
Pospeševalniki delcev so bili razviti predvsem za preučevanje lastnosti atomskih jeder in elementarnih delcev. Od odkritja reakcije med jedrom dušika in alfa delcem britanskega fizika Ernesta Rutherforda leta 1919 so vse raziskave jedrske fizike doLeto 1932 je minilo s helijevimi jedri, ki so se sprostile pri razpadu naravnih radioaktivnih elementov. Naravni alfa delci imajo kinetično energijo 8 MeV, vendar je Rutherford menil, da jih je treba za opazovanje razpada težkih jeder umetno pospešiti do še večjih vrednosti. Takrat se je zdelo težko. Vendar pa je izračun, ki ga je leta 1928 naredil Georgy Gamow (na univerzi v Göttingenu, Nemčija), pokazal, da je mogoče uporabiti ione z veliko nižjo energijo, kar je spodbudilo poskuse izgradnje objekta, ki bi zagotavljal dovolj žarka za jedrske raziskave.
Drugi dogodki tega obdobja so pokazali načela, po katerih so do danes zgrajeni pospeševalniki delcev. Prve uspešne poskuse z umetno pospešenimi ioni sta Cockcroft in W alton izvedla leta 1932 na Univerzi v Cambridgeu. S pomočjo množitelja napetosti so pospešili protone na 710 keV in pokazali, da slednji reagirajo z litijevim jedrom in tvorijo dva alfa delca. Do leta 1931 je Robert van de Graaff na univerzi Princeton v New Jerseyju zgradil prvi elektrostatični generator z visokim potencialom. Cockcroft-W altonovi napetostni množitelji in Van de Graaffovi generatorji se še vedno uporabljajo kot viri energije za pospeševalnike.
Načelo linearnega resonančnega pospeševalnika je pokazal Rolf Wideröe leta 1928. Na Tehnološki univerzi Ren-Vestfalija v Aachnu v Nemčiji je uporabil visoko izmenično napetost, da je dvakrat pospešil natrijeve in kalijeve ione do energijepresegajo tiste, o katerih so poročali. Leta 1931 sta Ernest Lawrence in njegov pomočnik David Sloan s kalifornijske univerze v Berkeleyju v ZDA uporabila visokofrekvenčna polja za pospeševanje živosrebrovih ionov do energije, ki presega 1,2 MeV. To delo je dopolnilo pospeševalnik težkih delcev Wideröe, vendar ionski žarki niso bili uporabni pri jedrskih raziskavah.
Magnetni resonančni pospeševalnik ali ciklotron je Lawrence zamislil kot modifikacijo instalacije Wideröe. Študent Lawrencea Livingstona je leta 1931 pokazal princip delovanja ciklotrona s proizvodnjo ionov z močjo 80 keV. Leta 1932 sta Lawrence in Livingston napovedala pospešek protonov na več kot 1 MeV. Pozneje v tridesetih letih prejšnjega stoletja je energija ciklotronov dosegla približno 25 MeV, energija Van de Graaffovih generatorjev pa približno 4 MeV. Leta 1940 je Donald Kerst, ki je uporabil rezultate skrbnih orbitalnih izračunov pri načrtovanju magnetov, zgradil prvi betatron, pospeševalnik elektronov z magnetno indukcijo, na Univerzi v Illinoisu.
Sodobna fizika: pospeševalniki delcev
Po drugi svetovni vojni je znanost pospeševanja delcev do visokih energij hitro napredovala. Začela sta ga Edwin Macmillan na Berkeleyju in Vladimir Veksler v Moskvi. Leta 1945 sta oba neodvisno opisala princip fazne stabilnosti. Ta koncept ponuja sredstvo za vzdrževanje stabilnih orbit delcev v cikličnem pospeševalniku, ki je odstranil omejitev energije protonov in omogočil ustvarjanje magnetnih resonančnih pospeševalnikov (sinkrotronov) za elektrone. Avtofaziranje, izvajanje principa fazne stabilnosti, je bilo potrjeno po izgradnjimajhen sinhrociklotron na univerzi v Kaliforniji in sinhrotron v Angliji. Kmalu zatem je bil ustvarjen prvi protonski linearni resonančni pospeševalnik. To načelo se uporablja v vseh velikih protonskih sinhrotronih, izdelanih od takrat.
Leta 1947 je William Hansen na univerzi Stanford v Kaliforniji zgradil prvi linearni pospeševalnik elektronov potujočega valovanja z uporabo mikrovalovne tehnologije, ki je bila razvita za radar med drugo svetovno vojno.
Napredek v raziskavah je bil omogočen s povečanjem energije protonov, kar je privedlo do gradnje vedno večjih pospeševalnikov. Ta trend so zaustavili visoki stroški izdelave ogromnih obročastih magnetov. Največji tehta okoli 40.000 ton. Načine za povečanje energije brez povečanja velikosti strojev so leta 1952 prikazali Livingston, Courant in Snyder v tehniki izmeničnega ostrenja (včasih imenovano močno ostrenje). Sinhrotroni, ki temeljijo na tem principu, uporabljajo magnete, 100-krat manjše kot prej. Takšno ostrenje se uporablja v vseh sodobnih sinhrotronih.
Leta 1956 je Kerst spoznal, da bi lahko opazili trčenje dveh nizov delcev, ki se nahajata v sekajočih se orbitah. Uporaba te ideje je zahtevala kopičenje pospešenih žarkov v ciklih, imenovanih shranjevanje. Ta tehnologija je omogočila doseganje največje interakcijske energije delcev.
