المعجلات الخطية من الجسيمات المشحونة. كما عمل مسرعات الجسيمات. لماذا مسرعات الجسيمات؟

مسرع الجسيمات المشحونة - جهاز فيه شعاع من الجسيمات الذرية أو تحت الذرية المشحونة كهربائيا السفر بسرعة تقارب سرعة. أساس عمله هو الزيادة الضرورية من الطاقة عن طريق مجال كهربائي وتغيير مسار - المغناطيسي.

ما هي مسرعات الجسيمات؟

وتستخدم هذه الأجهزة على نطاق واسع في مختلف مجالات العلوم والصناعة. حتى الآن، في جميع أنحاء العالم هناك أكثر من 30 ألف. للفيزياء مسرعات الجسيمات المشحونة بمثابة أداة من البحوث الأساسية في بنية الذرات، طبيعة القوى النووية والخواص النووية، التي لا تحدث بشكل طبيعي. وتشمل هذه الأخيرة ما بعد اليورانيوم transuranic والعناصر الأخرى غير المستقرة.

مع أنبوب التصريف أصبح من الممكن تحديد تهمة محددة. وتستخدم مسرعات الجسيمات المشحونة أيضا لإنتاج النظائر المشعة في التصوير الإشعاعي الصناعي والعلاج الإشعاعي، لتعقيم المواد البيولوجية، و تحليل الكربون المشع. وتستخدم أكبر وحدة في دراسة التفاعلات الأساسية.

عمر الجسيمات المشحونة في بقية فيما يتعلق مسرع هو أصغر من الجسيمات المسرعة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. وهذا يؤكد كمية صغيرة نسبيا من محطات الزمن. على سبيل المثال، في CERN تم تحقيقه زيادة في عمر الميون 0،9994c سرعة 29 مرة.

تبدو هذه المادة على ما هو العمل داخل ومسرع الجسيمات، وتطورها، وأنواع مختلفة وميزات مختلفة.

مبادئ تسريع

بغض النظر عن أي نوع من مسرعات الجسيمات المشحونة تعلمون، لديهم كل العناصر المشتركة. أولا، يجب أن يكون مصدرا للإلكترونات في حالة وجود أنبوب التلفزيون صورة أو الإلكترونات، البروتونات والجسيمات المضادة في حالة المنشآت الكبيرة. وعلاوة على ذلك، يجب أن يكون كل المجالات الكهربائية لتسريع الجزيئات والمجالات المغناطيسية للسيطرة على مسارها. وبالإضافة إلى ذلك، الفراغ في مسرع الجسيمات المشحونة (10 ^-11 ملم زئبق. V.)، M. E. كمية الحد الأدنى من الهواء المتبقية، وذلك لضمان طويلة الحزم مدى الحياة. وأخيرا، يجب أن يكون جميع المنشآت وسائل التسجيل وفرز وقياس الجسيمات المسرعة.

جيل

تم العثور على الإلكترونات والبروتونات، والتي هي الأكثر شيوعا في المعجلات، في جميع المواد، ولكن أولا يجب أن تحديد من لهم. الإلكترونات يتم إنشاؤها عادة في نفس الطريقة كما في أنبوب الصورة - في الجهاز الذي يسمى "بندقية". وهو الكاثود (القطب السالب) في الفراغ، والتي يتم تسخينها إلى حالة حيث تبدأ الإلكترونات أن يأتي من الذرات. تنجذب الجسيمات المشحونة سلبا على الأنود (القطب الموجب) وتمر عبر منفذ. البندقية في حد ذاته هو أبسط مثل مسرع لأن الإلكترونات تتحرك تحت تأثير المجال الكهربائي. الجهد بين الكاثود والأنود، وعادة في نطاق 50-150 كيلو فولت.

وبصرف النظر عن الإلكترونات في جميع المواد الواردة البروتونات، ولكن فقط نواة بروتون واحدة تتكون من ذرات الهيدروجين. ولذلك، فإن مصدر الجسيمات لمسرعات البروتون هو غاز الهيدروجين. في هذه الحالة، يتم المتأينة الغاز وتوجد البروتونات من خلال ثقب. في المعجلات كبيرة في كثير من الأحيان تتشكل البروتونات في شكل أيونات الهيدروجين السلبية. وهي تمثل إلكترون إضافي من الذرات التي هي نتاج للتأين الغاز ثنائي الذرة. منذ أيونات الهيدروجين المشحونة سلبا في المراحل الأولى من العمل أكثر سهولة. ثم أنها تمر من خلال احباط رقيقة، والذي يحرمهم من الإلكترونات قبل المرحلة النهائية من التسارع.

تسارع

كما عمل مسرعات الجسيمات؟ ومن السمات الرئيسية لجميع من لهم هو الحقل الكهربائي. وأبسط مثال - في حقل ثابت موحد بين إمكانات الكهربائية الموجبة والسالبة، مماثلة لتلك التي وجدت بين محطات للبطارية الكهربائية. يتعرض هذا المجال الإلكترون يحمل شحنة سالبة للقوة التي توجهها إلى الإمكانات الإيجابية. فإنه يعجل ذلك، وإذا كان هناك أي شيء من شأنه أن تقف في الطريق، سرعته وقوة الزيادة. الإلكترونات تتحرك نحو الإمكانات الإيجابية على السلك أو في الهواء، وتتصادم مع ذرات تفقد الطاقة، ولكن إذا كانت تقع في الخلاء، ثم تسارعت لأنها تقترب من الأنود.

التوتر بين بداية ونهاية الموقف من يعرف الإلكترون شراؤها لهم الطاقة. عندما تتحرك من خلال فرق الجهد من 1 V يساوي 1 إلكترون فولت (إلكترون فولت). هذا هو ما يعادل 1،6 × 10 ^-19 جول. الطاقة من البعوض تحلق تريليون مرات أكثر. في الإلكترونات شريط سينمائي وتسارع الجهد أكبر من 10 كيلو فولت. العديد من المعجلات تصل طاقات أعلى بكثير قياس الضخمة، جيجا وتيرا إلكترون فولت.

نوع

بعض من أقدم أنواع مسرعات الجسيمات، مثل مضاعفة الجهد وفان دي غراف مولد، وذلك باستخدام المجال الكهربائي المستمر الناتجة عن إمكانات يصل إلى مليون فولت. مع هذه الفولتية العالية من السهل العمل. وثمة بديل أكثر واقعية هو العمل المتكررة من الحقول الكهربائية الضعيفة تنتج إمكانيات منخفضة. ويستخدم هذا المبدأ في هذين النوعين من المعجلات الحديثة - الخطية ودوري (أساسا السيكلوترونات ومسرع دوراني تزامني). مسرعات الجسيمات الخطي، وباختصار، مرت عليها مرة واحدة من خلال سلسلة من المجالات متسارع، في حين أنها تتحرك مرات عديدة دوريا في مسار دائري من خلال حقل كهربائي صغير نسبيا. في كلتا الحالتين، فإن الطاقة النهائية من الجسيمات تعتمد على المجال الكلي للعمل، بحيث أن العديد من "المطبات" صغيرة تضاف معا لإعطاء تأثير المشترك لكبيرة واحدة.

هيكل المتكررة من معجل خطي لتوليد المجالات الكهربائية بطريقة طبيعية هو استخدام AC، وليس DC. وتسارع الجسيمات المشحونة بشكل إيجابي في السلبية المحتملة والحصول على دفعة جديدة، إذا تمرير إيجابية. في الممارسة العملية، يجب تغيير الجهد بسرعة كبيرة. على سبيل المثال، في طاقة من 1 إلكترون فولت يتحرك بروتون بسرعة عالية جدا هي سرعة الضوء من 0.46، ويمر 1.4 م 0.01 مللي ثانية. وهذا يعني أن في بنية التكرار من بضعة أمتار طويلة، يجب أن الحقول الكهربائية تغيير الاتجاه على تردد 100 ميغاهيرتز على الأقل. الخطية ومسرعات الجسيمات دوري عادة تفريق بينها وبين بالتناوب تردد الحقل الكهربائي من 100 ميغاهرتز إلى 3000، تي. E. في نطاق موجات الراديو لأفران ميكروويف.

الموجات الكهرومغناطيسية هو مزيج من الحقول الكهربائية والمغناطيسية تتأرجح تتأرجح بزاوية قائمة على بعضها البعض. والنقطة الأساسية هي لضبط موجة مسرع حتى أنه في وصول جزيئات يتم توجيه المجال الكهربائي وفقا لناقلات التسارع. ويمكن القيام بذلك عن طريق استخدام موجة يقف - مزيج من موجات السفر في اتجاهين متعاكسين في مكان مغلق، والموجات الصوتية في الجهاز الأنابيب. تجسيدا بديل للتحرك بسرعة الإلكترونات التي سرعات تقترب من سرعة الضوء، موجة السفر.

autophasing

أثر هام من تسارع في مجال كهربائي بالتناوب هو "الاستقرار المرحلة". في واحد يمر الحقل التذبذب دورة بالتناوب من خلال الصفر من الحد الأقصى المسموح به الى نقطة الصفر، فإنه يقلل إلى أدنى حد ممكن وترتفع إلى الصفر. وهكذا، فإنه يمر مرتين خلال القيمة المطلوبة لتسريع. إذا كان الجسيم الذي يزيد من سرعة، ويأتي في وقت مبكر جدا، فهو لن يعمل في مجال ما يكفي من القوة، وسوف دفع تكون ضعيفة. عندما تصل إلى المنطقة القادمة، واختبار في وقت متأخر وأكثر تأثيرا. كما يحدث نتيجة لذلك، التخلص الذاتي، فإن الجزيئات تكون في مرحلة مع كل حقل في منطقة متسارع. تأثير آخر هو تجميعها في الوقت المناسب لتشكيل جلطة بدلا من تيار مستمر.

اتجاه شعاع

دورا هاما في كيفية عمل ومسرع الجسيمات، تلعب والمجالات المغناطيسية، لأنها يمكن أن تغير اتجاه حركتها. وهذا يعني أنها يمكن أن تستخدم ل"الانحناء" من الحزم في مسار دائري، حتى مروا مرارا وتكرارا خلال نفس القسم متسارع. في أبسط الحالات، على الجسيمات المشحونة تتحرك في الزاوية اليمنى لاتجاه المجال المغناطيسي متجانسة، متجه القوة عمودي على كل من حركته، وإلى الميدان. هذا يسبب شعاع للتحرك في مسار دائري عمودي إلى الميدان، حتى يخرج من ميدان عملها أو قوة أخرى شرعت في العمل على ذلك. ويستخدم هذا التأثير في المعجلات الدائرية مثل السنكروترون وتحطيم الذرة. في سيكلوترون، وينتج حقل مستمر من قبل نقطة جذب كبيرة. الجسيمات مع زيادة طاقتها تتحرك بشكل حلزوني تسارع ظاهريا مع كل ثورة. الجلطات السنكروترون تتحرك حول الحلبة مع دائرة نصف قطرها ثابت، وتسارع مجال الناتجة عن المغناطيسات الكهربائية حول الزيادات الحلبة والجسيمات. المغناطيس توفير "الانحناء"، تمثل ثنائيات الاقطاب مع القطبين الشمالي والجنوبي، عازمة على شكل حدوة حصان بحيث يمكن تمرير شعاع therebetween.

وظيفة هامة الثانية من المغناطيسات الكهربائية هي التركيز على الحزم بحيث تكون ضيقة جدا ومكثفة ممكن. أبسط شكل المغناطيس التركيز - مع أربعة أعمدة (اثنان الشمالي واثنين من جنوب) تقع مقابل بعضها البعض. أنها تدفع الجزيئات إلى مركز في اتجاه واحد، ولكن يسمح لهم ليتم توزيعها في عمودي. مغناطيس رباعي تركز شعاع أفقيا، والسماح له للخروج من التركيز عموديا. للقيام بذلك، لكن يجب استخدامها في أزواج. لتستخدم أيضا المغناطيس أكثر تطورا مع عدد كبير من أقطاب (6 و 8) أكثر دقة التركيز.

منذ الطاقة من الزيادات الجسيمات، وقوة المجال المغناطيسي، وتوجيههم الزيادات. هذا يحافظ على شعاع على نفس المسار. وقدم اللبن الرائب الى الحلبة وتسارع إلى الطاقة المطلوبة قبل أن يتم سحبها واستخدامها في التجارب. ويتحقق تراجع من قبل الكهربائي التي يتم تنشيطها لدفع جزيئات من الحلقة السنكروترون.

تصادم

مسرعات الجسيمات المشحونة المستخدمة في الطب والصناعة، وذلك أساسا إنتاج شعاع لغرض معين، على سبيل المثال، تشعيع أو زرع الأيونات. وهذا يعني أن جزيئات تستخدم مرة واحدة. والشيء نفسه ينطبق على المعجلات المستخدمة في البحوث الأساسية لسنوات عديدة. ولكن الحلقات وضعت في عام 1970، والتي شعاعين المتداولة في اتجاهين متعاكسين وتصطدم حول الحلبة. والميزة الرئيسية لهذه الأنظمة هو أنه في الطاقة الاصطدام الأمامية من الجسيمات يذهب مباشرة إلى طاقة التفاعل بينهما. وهذا يتناقض مع ما يحدث عندما يصطدم شعاع مع صور ثابتة، وفي هذه الحالة أكثر من الطاقة يذهب إلى الحد من المواد المستهدفة في الحركة، وفقا لمبدأ الحفاظ على الزخم.

هي التي شيدت بعض الأجهزة مع الحزم المتصادمة مع اثنين من الخواتم، وتتقاطع في اثنين أو أكثر من الأماكن، التي عممت في اتجاهين متعاكسين، وجزيئات من نفس النوع. أكثر شيوعا مصادم الجسيمات جسيم مضاد. جسيم مضاد له تهمة العكس من الجزيئات المرتبطة بها. على سبيل المثال، بوزيترون، وموجبة، وإلكترونات - سلبا. وهذا يعني أن الحقل الذي يسرع الإلكترون والبوزيترون يبطئ، تسير في نفس الاتجاه. ولكن اذا كانت هذه التحركات الأخيرة في الاتجاه المعاكس، وسوف يتسارع. وبالمثل، الإلكترون يتحرك من خلال المغناطيسي إرادة الحقل منحنى إلى اليسار، وبوزيترون - حق. ولكن إذا كان بوزيترون يتحرك إلى الأمام، ثم سوف تستمر طريقه إلى الانحراف إلى اليمين، ولكن في نفس منحنى كما أن للإلكترون. ومع ذلك، فإن هذا يعني أن الجسيمات يمكن ان تتحرك من خلال حلقة من السنكروترون نفس المغناطيس وتسارع من الحقول الكهربائية نفسها في اتجاهين متعاكسين. على هذا المبدأ إنشاء العديد من المصادمات القوية الاصطدام الحزم، ر. ب. ويتطلب سوى واحد مسرع الحلبة.

شعاع في السنكروترون لا يتحرك باستمرار ودمجها في "كتل". ويمكن أن تكون عدة سنتيمترات في الطول وعشر المليمتر في القطر، وتشكل حوالي ¹² جزيئات ^{أكتوبر.} هذه الكثافة المنخفضة، وذلك لأن حجم هذه المواد يحتوي على حوالي ²³ ذرات ^{أكتوبر.} لذلك، عندما تتقاطع على الحزم المتصادمة، لا يوجد سوى احتمال صغير أن الجسيمات سيكون رد فعل مع بعضها البعض. في الممارسة العملية لا تزال جلطات التحرك في جميع أنحاء الحلبة، ويجتمع مرة أخرى. فراغ عالية في مسرع الجسيمات المشحونة (10 ^-11 ملم زئبق. V.) مطلوب من أجل أن الجسيمات يمكن أن يعمم لعدة ساعات دون الاصطدام مع جزيئات الهواء. لذلك، ويسمى أيضا حلقة التراكمي، لأن الحزم تخزين الواقع فيه لعدة ساعات.

تسجيل

اتهم مسرعات الجسيمات في معظم يمكن تسجيل يحدث عندما تضرب الجزيئات الهدف أو شعاع آخر، تتحرك في الاتجاه المعاكس. في أنبوب الصورة التلفزيونية، الإلكترونات من بندقية لضرب شاشة الفوسفور على السطح الداخلي وينبعث الضوء، والتي بالتالي يعيد الصورة المنقولة. في المعجلات تتفاعل هذه كاشفات متخصصة لجزيئات متناثرة، ولكن أنها مصممة عادة لخلق الإشارات الكهربائية التي يمكن تحويلها إلى بيانات الكمبيوتر وتحليلها باستخدام برامج الكمبيوتر. اتهم فقط العناصر تنتج الإشارات الكهربائية التي تمر عبر المادة، على سبيل المثال التأين أو إثارة الذرات، ويمكن الكشف عن مباشرة. جسيمات محايدة مثل النيوترونات أو فوتونات يمكن الكشف عنها بشكل غير مباشر من خلال سلوك الجسيمات المشحونة أنهم في الحركة.

هناك العديد من كشف المتخصصة. بعضها، مثل عداد جيجر، العد الجسيمات، وغيرها من الاستخدامات، على سبيل المثال، لتسجيل المسارات أو قياس سرعة الطاقة. كشف الحديثة في الحجم والتكنولوجيا، ويمكن أن تختلف من الأجهزة المسؤولة إلى جانب الصغيرة لغرف مليئة بالغاز كبيرة مع الأسلاك التي كشف المسارات المتأينة التي تنتجها الجسيمات المشحونة.

قصة

مسرعات الجسيمات المشحونة وضعت أساسا لدراسات خصائص النوى الذرية والجسيمات الأولية. منذ افتتاح الفيزيائي البريطاني إرنست رذرفورد في عام 1919، تم تنفيذ رد فعل نواة النيتروجين والجسيمات ألفا جميع البحوث في مجال الفيزياء النووية إلى 1932 من أصل مع نوى الهليوم، صدر عن تحلل العناصر المشعة الطبيعية. جسيمات ألفا الطبيعية لديها الطاقة الحركية من 8 إلكترون فولت، ولكن روثرفورد يعتقد أنهم يجب أن يكون بشكل مصطنع تسارع القيم إلى أعلى لرصد تسوس النوى الثقيلة. في الوقت الذي بدا صعبا. ومع ذلك، فإن حساب المحرز في عام 1928 من قبل Georgiem Gamovym (في جامعة غوتنغن، ألمانيا)، وأظهرت أن الأيونات يمكن استخدامها في الطاقات أقل من ذلك بكثير، وهذا ما حفز محاولات لبناء منشأة التي توفر حزمة كافية للأبحاث النووية.

أثبتت الأحداث الأخرى من هذه الفترة المبادئ التي يتم بناؤها مسرعات الجسيمات المشحونة حتى يومنا هذا. وجرت التجارب الناجحة الأولى مع أيونات تسارع بشكل مصطنع كوكروفت والتون في عام 1932 في جامعة كامبريدج. باستخدام الجهد المضاعف، وتسارع البروتونات إلى 710 كيلو، وأظهرت أن تتفاعل هذه الأخيرة مع الليثيوم إلى تشكيل لجنتين جسيمات ألفا. قبل عام 1931، في جامعة برينستون في ولاية نيوجيرسي، روبرت فان دي غراف حزام كهرباء بنيت أول مولد ذات الإمكانات العالية. الجهد المضاعف كوكروفت-والتون المولدات وفان دي غراف لا تزال تستخدم كمصادر للطاقة لالمعجلات.

وقد تجلى مبدأ مسرع الخطي الرنانة رولف ايدرو في عام 1928. في جامعة الراين وستفاليا التقنية في آخن، ألمانيا، وقال انه استخدم عالي الجهد AC لتسريع أيونات الصوديوم والبوتاسيوم والطاقات ما يزيد على مرتين لنقول لهم. في عام 1931 في الولايات المتحدة الأمريكية إرنست لورنس ومساعده ديفيد سلون من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، وتستخدم في مجالات عالية التردد لتسريع الأيونات الزئبق إلى طاقات أكبر من 1.2 إلكترون فولت. ويكمل هذا العمل معجل الجسيمات المشحونة الثقيلة وايدرو، ولكن الأشعة الأيونية ليست مفيدة في الأبحاث النووية.

مسرع بالرنين المغناطيسي أو سيكلوترون ولدت، وتعديل التركيب لورانس ايدرو. تظاهر الطلاب لورانس ليفينغستون مبدأ سيكلوترون في عام 1931، مما يجعل أيونات مع طاقة من 80 كيلو. وفي عام 1932، أعلن لورانس وليفينغستون تسريع البروتونات تصل إلى أكثر من 1 إلكترون فولت. في وقت لاحق في 1930s، وصلت السيكلوترونات الطاقة حوالي 25 إلكترون فولت، وفان دي غراف - حوالي 4 إلكترون فولت. في عام 1940، دونالد كيرست، وتطبيق نتائج حسابات دقيقة من المدار إلى هيكل المغناطيس، الذي بني في جامعة إلينوي، وبيتاترون الأول، الحث المغناطيسي الإلكترون مسرع.

الفيزياء الحديثة: مسرعات الجسيمات

بعد الحرب العالمية الثانية كان هناك تقدم سريع في علم تسريع الجسيمات إلى طاقات عالية. وقد بدأت إدوين ماكميلان في بيركلي، وفلاديمير فيكسلر في موسكو. في عام 1945، وكلاهما بشكل مستقل عن بعضها البعض وصفه مبدأ الاستقرار المرحلة. يقدم هذا المفهوم وسيلة للحفاظ على المدارات المستقرة للجسيمات في معجل دائري إزالة القيود المفروضة على الطاقة بروتون وساعد إنشاء مسرعات الرنين المغناطيسي (مسرع دوراني تزامني) للإلكترونات. Autophasing، وتنفيذ مبدأ الاستقرار المرحلة وأكد، بعد بناء synchrocyclotron صغيرة في جامعة كاليفورنيا والسنكروترون في انكلترا. بعد ذلك بوقت قصير، تم إنشاء مسرع الرنانة الأول بروتون الخطية. ويستخدم هذا المبدأ في كل مسرع دوراني تزامني بروتون الرئيسية التي بنيت منذ ذلك الحين.

في عام 1947، ويليام هانزن، في جامعة ستانفورد في ولاية كاليفورنيا، التي بنيت أول معجل خطي الإلكترون في موجة السفر، والتي تستخدم تكنولوجيا الميكروويف التي تم تطويرها للرادار خلال الحرب العالمية الثانية.

تم إحراز تقدم في الدراسة من الممكن من خلال زيادة الطاقة بروتون، الأمر الذي أدى إلى بناء المعجلات أكبر من أي وقت مضى. هذا الاتجاه هو من تم إيقاف ارتفاع تكلفة التصنيع خاتم المغناطيس الضخم. أكبر يزن حوالي 40،000 طن. تم فحص طرق لزيادة الطاقة دون نمو حجم الجهاز في حوالي 1952 godu ليفينغستون، كورنت وسنايدر تقنية التناوب التركيز (التي تسمى أحيانا قوي التركيز). مسرع دوراني تزامني تعمل على هذا المبدأ، واستخدام مغناطيس 100 مرات أصغر من ذي قبل. مثل التركيز، يستخدم في جميع مسرع دوراني تزامني الحديثة.

في عام 1956 أدرك عيد الميلاد أنه إذا تم الإبقاء على مجموعتين من الجسيمات في مدارات تتقاطع، يمكنك مشاهدتها الاصطدام. تطبيق هذه الفكرة يتطلب تراكم تسارع الحزم في دورات، ودعا التراكمي. وقد حققت هذه التقنية أقصى الطاقة من جزيئات التفاعل.