Линейные ускорители заряженных частиц. Ускорители заряженных частиц
Лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.
Ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители , где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители , в которых пучки движутся по замкнутым кривым типа окружностей, проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители.
Конструкции ускорителей
Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)
Основная статья : Высоковольтный ускоритель
Ускоритель заряженных частиц (электронов) в котором ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество В.У. по сравнению с др. типами ускорителей – возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95%) и возможностью создания установок большой мощности (500кВт и выше) что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.
Электростатический ускоритель
Идеологически наиболее простой, линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды.
Разновидности:
- Ускоритель Ван де Граафа. генератором Ван де Граафа , основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. Максимальные электрические напряжения ~20МВ определяют максимальную энергию частиц ~20МэВ.
- Каскадный ускоритель. Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором , который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя.
Линейные ускорители электронов небольших энергий часто используются, как часть самых разных электровакуумных приборов (электронно-лучевая трубка , кинескоп , рентгеновская трубка и др.).
Циклотрон
Устройство циклотрона. 1 - место поступления частиц, 2 - траектория их движения, 3 - электроды, 4 - источник переменного напряжения. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.
Идея циклотрона проста. Между двумя полукруглыми полыми электродами, т. н. дуантами , приложено переменное электрическое напряжение. Дуанты помещены между полюсами электромагнита, создающего постоянное магнитное поле. Частица, вращаясь по окружности в магнитном поле, ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем . Понятно, что с увеличением энергии, на каждом обороте, радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы дуантов.
Циклотрон - первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в году Лоуренсом , за что ему была присуждена Нобелевская премия в году. До сих пор циклотроны применяются для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий, до 50МэВ/нуклон.
Бетатрон
Другое название: индукционный ускоритель. Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10-100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).
Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в году, который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан Д. В. Керстом лишь в - гг. в США.
Микротрон
Основная статья : Микротрон
Он же - ускоритель с переменной кратностью. Резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения.
Фазотрон (синхроциклотрон)
Принципиальное отличие от циклотрона - изменяемая в процессе ускорения частота электрического поля. Это позволяет, за счёт автофазировки, поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает 600-700 МэВ.
Синхрофазотрон
Циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля. Большинство современных циклических ускорителей являются сильнофокусирующими синхрофазотронами. Для ультрарелятивистских электронов в процессе ускорения частота обращения практически не меняется, и используются синхротроны.
Синхротрон
Циклический ускоритель с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего электрического поля, но изменяющимся ведущим магнитным полем.
Лазер на свободных электронах (ЛСЭ)
Основная статья : Лазер на свободных электронах
Специализированный источник когерентного рентгеновского излучения.
Линейный ускоритель
Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускоритель, в котором частицы пролетают однократно. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени (!) энергии частиц.
Колла́йдер
Он же ускоритель на встречных пучках. Чисто экспериментальные установки, цель которых - изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.
Применение
- Стерилизация (для стерилизации продуктов питания, медицинского инструмента).
- Медицина (лечение онкологических заболеваний , радиодиагностика).
- Производство полупроводниковых устройств (инжекция примесей).
- Радиационная дефектоскопия.
- Радиационное сшивание полимеров.
- Радиационная очистка топочных газов и сточных вод.
См. также
- Детектор частиц
Ссылки
- Коломенский Д.Д., Лебедев А. Н. Теория циклических ускорителей. М.: Физматгиз, 1962.
- A.Chao, M.Tigner, Handbook of Accelerator Physics and Engineering, 1999.
- Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин, Эксперимент (Web-публикация)
- История, классификация, принцип действия, основные типы современных ускорителей
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Условие Гельдера
- Ускоритель элементарных частиц
Смотреть что такое "Ускорители заряженных частиц" в других словарях:
УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ - установки, служащие для ускорения заряж. частиц до высоких энергий. При обычном словоупотреблении ускорителями (У.) наз. установки, рассчитанные на ускорение частиц до энергий более МэВ. На рекордном У. протонов теватроне достигнута энергия 940… … Физическая энциклопедия
Ускорители заряженных частиц - устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное… … Большая советская энциклопедия
УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ - установки для получения направл. пучков электронов, протонов, альфа частиц или ионов с энергией от сотен кэВ до сотен ГэВ. В У. з. ч. ускоряемые заряж. частицы увеличивают свою энергию, двигаясь в электрич. поле (статич., индуктированном или… … Большой энциклопедический политехнический словарь
ГОСТ 22491-87: Ускорители заряженных частиц. Термины и определения - Терминология ГОСТ 22491 87: Ускорители заряженных частиц. Термины и определения оригинал документа: 14. Бетатрон с подмаг ничиванием 15. Резонансный ускоритель Бетатрон с постоянной составляющей индукции магнитного поля Ускоритель… …
ГОСТ 4.477-87: Система показателей качества продукции. Ускорители заряженных частиц промышленного применения. Номенклатура показателей - Терминология ГОСТ 4.477 87: Система показателей качества продукции. Ускорители заряженных частиц промышленного применения. Номенклатура показателей оригинал документа: 3. Базовый образец Ускоритель, выбранный из группы ускорителей, наиболее… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Ускоритель заряженных частиц - Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо инжектор Ускоритель заряженных частиц класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных … Википедия
ускоритель (заряженных частиц) - Электрофизическое устройство, предназначенное для увеличения кинетической энергии заряженных частиц. Примечание Принято, что в ускорителях энергия частиц увеличивается более чем на 0,1 МэВ. [ГОСТ Р 52103 2003] Тематики ускорители заряженных… …
группирователь заряженных частиц - Устройство, осуществляющее фазовую группировку заряженных частиц. [ГОСТ Р 52103 2003] Тематики ускорители заряженных частиц EN charged particle buncher … Справочник технического переводчика
В мае ученые планируют воссоздать космические условия Вселенной, которые существовали в миллиардные доли секунды после Большого Взрыва. Согласно их теории, космос тогда был невероятно горячим, что позволяло материи распадаться на простейшие составляющие.
БАК должен проделать тот же фокус и помочь ученым заглянуть в текстуру нашей Вселенной.
Шаткая модель и одна частица
В 2012 году эксперимент БАК позволил физикам обнаружить призрачную частицу под названием бозон Хиггса, которая стала важной частицей головоломки в Стандартной модели физики элементарных частиц. Годом спустя коллайдер был остановлен для обслуживания и реконструкции, и обновление потребовало больше времени, чем ожидалось.
Хотя ученые и довольствуются открытием бозона, они не удовлетворены текущим состоянием физики элементарных частиц и своими находками. Бозон Хиггса, говорят ученые, это не конец пути, а новая дверь или «новый ключ» к сложному механизму. Кроме того, некоторые ученые жалуются, что смогли изучить только тысячу-другую частиц, в то время как частиц, объясняющих существующую Вселенную, намного больше.
Один из ученых, участвующих в эксперименте, считает, что нынешняя Стандартная модель Вселенной, построенная на физике элементарных частиц, «очень и очень хороша», но не может объяснить Вселенную. Вот почему некоторые члены команды хотят сбросить с трона некоторые существующие теории и перестроить их с нуля, вместо того чтобы доказывать, что они верны.
Воплощение темной материи
Один из ключевых вопросов, которые поднимет эксперимент, это темная материя. Согласно Стандартной модели, 95% Вселенной состоит из темной материи и темной энергии, которые невозможно обнаружить оптическими инструментами вроде телескопов.
Ученые CERN хотят раз и навсегда доказать, что темная материя существует не только в теории. Для этого команда планирует разбить частицу бозона Хиггса и заставить его распасться на протон и составляющую темной материи.
Ожидание неожиданного
Если ученым удастся, они разобьют текущую Стандартную модель и предоставят нам совершенно новое понимание Вселенной, которое называют «теорией всего».
Кроме того, ученые планируют проверить другую теорию - которая связана с сосуществованием материи и антиматерии в видимой Вселенной. Материя и антиматерия, как полагают, сталкивались много раз в космосе, поэтому то, что мы сегодня воспринимаем как видимую Вселенную, является лишь результатом столкновений.
В любом случае антиматерия — это гипотеза. Обычно в фантастических фильмах и книгах много антиматерии, но не в реальности, объясняют ученые. БАК начнет поиски антиматерии также в мае.
Два других горячих вопроса - теории, связанные с отсутствием гравитации в Стандартной модели физики, и возможность существования множества мелких частиц во Вселенной. Ученые мечтают найти мельчайшую частицу в электроне.
Однако через умы ученых проходят «миллионы безумных идей». Пока осталось просто дождаться запуска Большого адронного коллайдера и новых данных.
УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Accelerators
Ускорители заряженных частиц – установки для ускорения заряженных частиц до энергий, при которых они могут использоваться для физических исследований, в промышленности и медицине. При сравнительно низких энергиях ускоренные частицы используют, например, для получения изображения на экране телевизора или электронного микроскопа, генерации рентгеновских лучей (электронно-лучевые трубки), разрушения раковых клеток, уничтожения бактерий. При ускорении заряженных частиц до энергий, превышающих 1 мегаэлектронвольт (МэВ) их используют для изучения структуры микрообъектов (например, атомных ядер) и природы фундаментальных сил. В этом случае ускорители заряженных частиц выполняют роль источников пробных частиц, зондирующих изучаемый объект.
Роль ускорителя в современном физическом эксперименте
поясняется рисунком. Коллимированный пучок пробных частиц от ускорителя
направляют на исследуемую тонкую мишень, содержащую, например, ядра какого-либо
химического элемента, и рассеянные мишенью пробные частицы или другие продукты
их взаимодействия с ядрами мишени регистрируют детектором или системой детекторов.
Анализ результатов эксперимента даёт сведения о природе взаимодействия и
структуре исследуемого объекта.
Необходимость использования ускорителей для исследования таких
микрообъектов как атомные ядра и элементарные частицы обусловлена следующим.
Во-первых, атомные ядра и элементарные частицы занимают малые области пространства
(R < 10 -12 см), и проникновение в эти области требует высокой
разрешающей способности (а значит и энергии) зондирующего пучка, обеспечивающей
взаимодействие отдельной пробной частицы с отдельным микрообъектом. Во-вторых,
чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой
или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует всё большей
энергии.
Зная размеры изучаемого объекта, легко оценить энергию пробных
частиц, необходимую, для его изучения. Частицы обладают волновыми свойствами.
Длина волны частицы
зависит от её импульса р и даётся формулой де Бройля
Здесь h – постоянная Планка, а 1 Фм = 10 -13 см. Приведённая
формула даёт также связь между длиной волны релятивистской частицы и её
кинетической энергией Е в мегаэлектронвольтах.
В эксперименте по рассеянию структура объекта становится “видимой”
(посредством, например, дифракции дебройлевских волн), если длина волны
де Бройля сравнима или меньше размера (радиуса) объекта R, т.е. при λ
<
R. При использовании в качестве зондирующих частиц электронов
внутрь ядра можно “заглянуть”, если энергия электрона будет превышать 100
МэВ. Для наблюдения структуры нуклона энергия электрона должна уже исчисляться
гигаэлектронвольтами (1 ГэВ = 10 9 эВ).
Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками
пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены
ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц проще всего
приготовить. В современных ускорителях, предназначенных для изучения элементарных
частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны), и для увеличения
эффективности использования энергии частиц их пучки в ряде установок, называемых
коллайдерами, после завершения ускорительного цикла сталкиваются (встречные
пучки).
Любой ускоритель конструктивно состоит из трёх частей – системы,
где “изготавливаются” ускоряемые частицы (инжектор), ускорительной системы,
где низкоэнергичные частицы от инжектора (обычно сформированные в виде локализованных
в пространстве сгустков) увеличивают в высоком вакууме энергию до проектной,
и системы транспортировки (вывода) пучка к экспериментальной установке.
Условно, с точки зрения траектории, по которой частицы двигаются
в процессе ускорения, ускорители можно разбить на два класса – линейные
(и прямого действия) и циклические. В линейных ускорителях частицы в процессе
ускорения двигаются прямолинейно, а в циклических – либо по одной и той
же замкнутой траектории, многократно проходя одни и те же ускоряющие промежутки
(синхротроны), либо по траектории, напоминающей раскручивающуюся спираль
(циклотроны, микротроны, фазотроны).
Для исследования структуры атомных ядер их бомбардируют частицами, имеющими большую энергию, то есть летящими с очень большой скоростью. Для их получения в лабораторных условиях используют различного рода ускорители, одним из которых и является циклический ускоритель (циклотрон).
В циклотроне заряженная частица, размещенная между полюсами электромагнита, многократно проходит через электрическое поле. В каждый проход она наращивает свою энергию от нескольких сотен до нескольких тысяч электрон – вольт. Для периодического возвращения и управления движением заряженной частицы применяют поперечное магнитное поле.
На совершающую движение в постоянном магнитном поле частицу будет действовать , результатом чего станет движение заряженного элемента по окружности постоянного радиуса в случае если масса и скорость его останутся неизменными:
Сила Лоренца F Л, которая направлена по радиусу к центру окружности, вызовет центростремительное ускорение и согласно 2-му закону Ньютона будет равна:
Где: R – радиус орбиты, m – масса заряженной частицы, V – ее скорость. Из этого можно сделать вывод, что F Ц = F Л, или:
Где: q – величина заряда, В – индукция магнитного поля (векторы В и V взаимно перпендикулярны, то есть sin α = 1). Из этой формулы получаем выражение для угловой скорости частицы:
Если B, q и m – величины постоянные, то скорость угловая, а следовательно и количество оборотов частицы в секунду тоже являют собой величину постоянную, не зависящими от ее энергии. Однако радиус орбиты все же зависит от скорости движения, так как это следует из равенства (1):
С ростом энергии заряженного элемента и увеличением его скорости радиус орбиты увеличивается, именно поэтому элемент в ускорителе (например, циклотроне), будет двигаться по спирали.
Схема устройства циклотрона показана на рисунке ниже:
На два металлических электрода 3, помещенные между полюсами электромагнита, который в свою очередь состоит из обмоток 2 и магнита 1, подается высокое напряжение от высокочастотного генератора (рисунок а)). Очень часто электроды называют дуантами из-за их похожести на заглавную латинскую букву D. В промежутке между дуантами вблизи центра магнита расположен источник 4 заряженных элементов (ионов). Вся система из ионного источника и электродов помещается в вакуумную камеру 5, разрежение в которой достигает 10 -5 мм рт. ст. Положительный ион будет вылетать из источника в то время, когда электрод 1 имеет отрицательный потенциал. Он приобретет некоторую скорость и в полости дуанта I опишет полуокружность постоянного радиуса, так как внутри дуанта электрическое поле отсутствует (рисунок б)). К моменту выхода иона из дуанта I высокочастотный генератор изменит направление электрического поля на обратное: дуант II получит отрицательный потенциал, а дуант I положительный. Это приведет к ускорению иона и внутри дуанта II он опишет полуокружность уже большего радиуса. Двигаясь в с высокочастотным полем, ионы будут по спирали приближаться к краю полюса магнита. Их энергия будет возрастать после каждого прохождения частицей ускоряющей цепи между дуантами. Пучок ускоренных положительных ионов выводится из циклотрона благодаря отклоняющему электроду 6 (рисунок б)), на который подают отрицательный потенциал. Проходя мимо него, пучок ионов изменяет свою траекторию и через окошко, закрытое тонкой фольгой выходит из камеры.
Циклотрон используют в качестве ускорителя тяжелых частиц – положительных многозарядных ионов и протонов. В циклотроне присутствуют причины, которые ограничивают возможности значительного увеличения энергии ионов. Кинетическая энергия любой частицы равна E = mV 2 /2. Поэтому для получения частиц с очень большим запасом энергии их нужно разгонять до очень большой скорости, практически равной скорости света. Из теории относительности известно, что масса заряженной частицы зависит от ее движения и скорости:
Где: m 0 – масса частицы в покое, V – ее скорость, с – скорость света. В условиях, когда и V« c, массу тела можно считать строго постоянной. Однако в ускорителях, где частица разгоняется до скорости близкой к скорости света, с этой массой пригодиться считаться. Из формулы (2) можно получить выражение периода вращения заряженной частицы в циклотроне:
То есть период обращения прямо пропорционален массе элемента. Поэтому по мере ускорения частиц растет период обращения, а период высокочастотного поля остается неизменным. В результате при каждом последующем попадании в ускоряющую щель элементы будут опаздывать, приобретая меньшую энергию, пока не начнут попадать в тормозящее поле.
Для разгона электронов используют другой ускоритель – бетатрон, в котором используется вихревое электрическое поле. Однако энергия, получаемая элементами с помощью циклотрона, не удовлетворяла ученых. Для достижения большей энергии частиц используют два приема:
- С увеличением периода обращения частицы уменьшается частота высокочастотного генератора. Ускорители, использующие этот принцип, носят название фазотрон;
- При неизменной частоте электрического ускоряющего поля увеличивают магнитное поле. Если сохранять отношения m/B неизменным, то есть с ростом массы частицы плавно увеличивать индукцию поля, то период ее обращения также будет постоянным. На этом принципе работают ускорители типа синхрофазотрон и синхротрон.