Accelerators linier partikel boga muatan. Salaku accelerators partikel karya. Naha accelerators partikel?

The akselerator partikel boga muatan - alat anu wherein a beam tina muatan listrik partikel atom atawa subatomik iinditan di ampir laju. Dasar karyana perlu nambahan maranéhna énergi ku médan listrik sarta ngarobahna lintasan nu - magnét.

Naon accelerators partikel?

Alat ieu loba dipaké di sagala rupa widang élmu jeung industri. Pikeun tanggal, di sakuliah dunya aya leuwih ti 30 rebu. Keur fisika ngeunaan accelerators partikel boga muatan ngawula salaku alat panalungtikan dasar dina struktur atom, sipat kakuatan nuklir jeung pasipatan nuklir, nu teu kajadian sacara alami. Kiwari dimungkinkeun kaasup transuranic sarta elemen stabil lianna.

Jeung tube ngurangan geus jadi mungkin keur nangtukeun muatan husus. Muatan accelerators partikel anu ogé dipaké pikeun ngahasilkeun radioisotopes, dina radiography industri, radiotherapy, pikeun sterilization bahan biologis, sarta dina analisis pananggalan. Unit panggedena anu dipaké dina pangajaran interaksi fundamental.

Hirupna tina partikel boga muatan dina sésana nu aya kaitannana ka akselerator nu leuwih leutik ti éta partikel gancangan mun speeds deukeut jeung laju cahaya. Ieu confirms jumlah relatif leutik stasion waktos. Contona, dina CERN geus kahontal paningkatan dina hirupna tina muon speed 0,9994c 29 kali.

Artikel ieu Sigana di naon di jero jeung gawe akselerator partikel, perkembangannya, tipena béda jeung fitur béda.

prinsip akselerasi

Paduli jenis accelerators partikel boga muatan anjeun terang, aranjeunna sadayana gaduh elemen umum. Kahiji, maranéhna kudu boga sumber éléktron dina kasus pipah televisi gambar atanapi éléktron, proton jeung antiparticles maranéhanana dina kasus pamasangan nu leuwih gede. Saterusna, aranjeunna kedah sadayana gaduh widang listrik pikeun ngagancangkeun partikel jeung widang magnetik ngadalikeun lintasan maranéhanana. Sajaba ti éta, vakum dina akselerator partikel boga muatan (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. A kadar hawa residual, anu diperlukeun pikeun mastikeun umur panjang waktos balok. Tungtungna, sagala pamasangan kudu boga hartosna pendaptaran, anu cacah tur ukur partikel gancangan.

turunan

Éléktron jeung proton nu paling ilahar dipake dina accelerators, anu kapanggih dina sakabéh bahan, tapi mimitina aranjeunna kedah milih ti aranjeunna. Éléktron ilaharna nu dihasilkeun dina cara nu sarua saperti dina tube gambar - dina alat nu disebut "gun". Ieu mangrupakeun katoda (éléktroda négatip) dina vakum, nu dipanaskeun nepi ka kaayaan nu mana éléktron mimiti datangna off atom. partikel boga muatan négatip nu katarik kana anoda (éléktroda positif) jeung nembus outlet di. The gun sorangan pangbasajanna sakumaha akselerator nu alatan éléktron nu pindah dina pangaruh médan listrik. Tegangan antara katoda jeung anoda, ilaharna dina rentang 50-150 kV.

Sajaba ti éléktron dina sakabéh bahan ngandung proton, tapi ukur hiji inti proton tunggal diwangun ku atom hidrogén. Kituna, sumber partikel pikeun accelerators proton nyaéta gas hidrogén. Dina hal ieu, gas anu ionized jeung proton anu lokasina ngaliwatan liang. Dina accelerators badag proton anu mindeng kabentuk dina bentuk ion hidrogén négatip. Aranjeunna ngagambarkeun hiji éléktron tambahan tina atom nu aya produk anu ionisasi gas diatomik. Ti ion hidrogén boga muatan négatip dina tahap awal gawé gampang. Tuluy maranehna nembus hiji foil ipis, nu deprives aranjeunna éléktron saméméh tahap ahir akselerasi.

gagancangan

Salaku accelerators partikel gawé? A fitur konci sadaya sahijina nyaeta médan listrik. Conto sederhana - widang statik seragam antara potentials listrik positif jeung negatif, sarupa jeung nu mana aya antara terminal tina batré listrik. médan éléktron ieu mawa muatan négatip geus kakeunaan kakuatan nu ngarahkeun ka hiji poténsi positif. Ieu accelerates dinya, sarta lamun aya nanaon anu bakal nangtung di jalan, laju sarta kakuatan na nambahan. Éléktron pindah arah potensi positif dina kawat atawa dina hawa, sarta ngahiji sacara lengkep jeung atom leungit tanaga, tapi lamun aya nu lokasina di vacuo, teras gancangan sabab kaanggo anoda.

Tegangan antara mimiti na tungtung posisi tina ngahartikeun éléktron dibeuli éta énergi. Lamun pindah ngaliwatan béda poténsial ti 1 V sarua jeung 1 éléktron-volt (EV). Ieu sarua jeung 1,6 × 10 ^-19 joule. Énergi hiji reungit ngalayang triliun kali leuwih. Dina éléktron kinescope anu gancangan tegangan gede ti 10 kV. Loba accelerators ngahontal énergi loba nu leuwih luhur diukur mega, giga na tera-éléktron-volt.

spésiés

Sababaraha jenis pangheubeulna ngeunaan accelerators partikel, kayaning nu multiplier tegangan jeung generator Van de Graaff generator, maké médan listrik konstan dihasilkeun ku potentials nepi ka juta volt. Kalawan tegangan tinggi sapertos dianggo gampang. A alternatif leuwih praktis mangrupa peta-terusan tina widang listrik lemah dihasilkeun potentials low. Prinsip ieu dipaké dina dua jenis accelerators modern - liniér sarta siklik (utamana cyclotrons na synchrotrons). accelerators partikel linier, dina pondok, diliwatan aranjeunna sakali ngaliwatan urutan widang accelerating, sedengkeun cyclically sababaraha kali aranjeunna mindahkeun dina jalur sirkular ngaliwatan médan listrik relatif leutik. Dina dua kasus, énergi ahir partikel gumantung kana total widang Peta, supaya loba leutik "nabrak" nu ditambahkeun babarengan pikeun masihan pangaruh dikombinasikeun of a single badag.

Struktur repetitive of a akselerator linier keur ngahasilkeun widang listrik dina cara alam nyaeta ngagunakeun AC, teu DC. partikel nu boga muatan positip nu gancangan kana poténsi négatip sarta meunangkeun impetus anyar, lamun lulus positif. Dina prakték, tegangan kudu dirobah kacida gancangna. Contona, dina hiji énergi 1 MeV proton belah di speed kacida luhurna nyaéta laju cahaya tina 0,46, ngalirkeun 1.4 m tina 0.01 mdet. Ieu ngandung harti yén dina struktur repeating tina sababaraha méter lila, huma listrik kudu ngarobah arah dina frékuénsi sahenteuna 100 MHz. Liniér sarta accelerators siklik partikel biasana bubarkeun aranjeunna kalayan frékuénsi médan listrik alik ti 100 MHz nepi ka 3000, t. E. Dina lingkup gelombang radio jeung microwaves.

Gelombang elektromagnetik téh kombinasi widang listrik jeung magnét osilasi osilasi di sudut katuhu pikeun tiap lianna. Titik konci téh nyaluyukeun gelombang akselerator supaya dina datangna partikel médan listrik diarahkeun saluyu jeung véktor akselerasi. Ieu bisa dilakukeun ku maké gelombang nangtung - kombinasi gelombang iinditan dina arah sabalikna dina spasi katutup, gelombang sora dina organ pipe. Hiji perwujudan alternatif pikeun gancang pindah éléktron anu velocities approaching laju cahaya, gelombang iinditan.

autophasing

Pangaruh penting akselerasi dina hiji médan listrik alik mangrupakeun "stabilitas fase". Dina hiji widang osilasi siklus bolak ngaliwatan enol ti nilai maksimum deui enol, eta nurun ka minimum a sarta ningkat kana enol. Ku kituna, eta pas dua kali liwat ka nilai diperlukeun pikeun akselerasi. Lamun hiji partikel anu laju nambahan, asalna teuing mimiti, éta iyeu moal jalan mun widang kakuatan cukup, sarta push bakal jadi kuat. Nalika eta ngahontal wewengkon hareup, anu test kasep jeung dampak langkung. Hasilna, timer phasing lumangsung, partikel bakal dina fase jeung unggal widang di wewengkon accelerating. pangaruh sejen teh ngagolongkeun aranjeunna dina jangka waktu pikeun ngabentuk clot tinimbang aliran kontinyu.

Arah beam nu

Peran penting dina sabaraha karya na akselerator partikel, maén jeung widang magnet, sabab bisa ngarobah arah gerak maranéhanana. Ieu ngandung harti yén maranéhna bisa dipaké pikeun "bending" tina beam dina jalur sirkular, ngarah sababaraha kali dialirkeun bagian accelerating sarua. Dina kasus pangbasajanna, dina partikel boga muatan pindah di sudut katuhu ka arah médan magnét homogen, vektor gaya jejeg duanana gerak na, sarta ka sawah. Ieu ngabalukarkeun beam keur mindahkeun dina jalur sirkular jejeg lapangan, dugi datang kaluar lapangan miboga Peta atanapi gaya séjénna dimimitian meta dina eta. Éfék ieu dipaké dina accelerators siklik kayaning a synchrotron na cyclotron. Dina cyclotron a, widang konstan dihasilkeun magnet badag. Partikel kalawan ngaronjatkeun energi maranéhanana pindah spirally lahiriah gancangan kalawan unggal revolusi. The gumpalan synchrotron mindahkeun sabudeureun ring kalawan radius konstan, sarta widang dihasilkeun ku electromagnets sabudeureun naek cingcin salaku partikel anu gancangan. The magnet nyadiakeun "bending", ngagambarkeun nyatukeun iketan jeung kalér sarta kutub kidul, ngagulung dina bentuk tapal kuda supaya beam bisa lulus therebetween.

Fungsi penting kadua electromagnets nyaeta fokus dina balok ambéh maranéhanana anu jadi sempit tur sengit jéntré. Bentuk pangbasajanna magnet fokus - kalawan opat kutub (dua kalér jeung dua kidul) lokasina sabalikna unggal lianna. Aranjeunna nyorong partikel ka puseur dina hiji arah, tapi ngawenangkeun aranjeunna bisa disebarkeun dina jejeg. Quadrupole magnet museurkeun beam nu horisontal, sahingga anjeunna rék kaluar tina fokus vertikal. Jang ngalampahkeun ieu, maranéhna kudu dipaké di pasang. Pikeun leuwih akurat fokus anu ogé dipaké magnet leuwih canggih jeung angka nu gede ngarupakeun kutub (6 jeung 8).

Kusabab énergi naek partikel, kakuatan médan magnét, ngarahkeun aranjeunna nambahan. Ieu ngajaga beam dina lintasan sarua. curd ieu diwanohkeun ka ring na ieu gancangan ka energi dipikahoyong sateuacan eta bisa ditarik sarta dipaké dina percobaan. Retraction kahontal ku electromagnets nu diaktipkeun nyorong partikel tina ring synchrotron.

tabrakan

accelerators partikel boga muatan dipaké natambaan jeung industri, utamana ngahasilkeun beam pikeun Tujuan husus, e.g., irradiation atawa ion implantation. Ieu ngandung harti yén partikel dipake sakali. Sami éta sabenerna accelerators dipaké dina ieu panalungtikan dasar salila sababaraha taun. Tapi éta cingcin anu dimekarkeun dina taun 1970, nu dua balok sirkulasi dina arah sabalikna sarta ngahiji sacara lengkep sabudeureun sirkuit. Kauntungan utama sistem sapertos éta dina énérgi tabrakan frontal partikel mana langsung ka énergi interaksi antara maranéhna. Ieu jelas beda jeung naon kajadian nalika beam nu patubruk sareng gambar cicing, nu hal paling énergi nu mana ka réduksi tina bahan udagan ojah, luyu jeung prinsip konservasi moméntum.

Sababaraha mesin jeung colliding balok anu diwangun ku dua cingcin, intersecting di dua atawa leuwih tempat, nu sumebar di arah sabalikna, partikel tina tipe sarua. Langkung biasa collider partikel-antiparticle. Antiparticle boga muatan sabalikna ti partikel pakait. Contona, positron, nyaeta boga muatan positif, sarta éléktron - négatip. Ieu ngandung harti yén hiji widang nu accelerates éléktron, positron nu slows turun, gerak dina arah nu sarua. Tapi lamun ngalir dimungkinkeun dina arah nu lalawanan, éta bakal ngagancangkeun. Nya kitu, hiji éléktron pindah ngaliwatan widang bakal kurva magnét ka kénca, sarta positron nu - katuhu. Tapi lamun positron nu geus pindah ka hareup, lajeng jalur na bakal neruskeun nyimpang ka katuhu, tapi dina kurva sarua jeung nu ti éléktron. Sanajan kitu, ieu ngandung harti yén partikel bisa mindahkeun ngaliwatan cingcin tina synchrotron magnet sarua jeung gancangan ku widang listrik sarua dina arah sabalikna. Dina prinsipna kieu dijieun loba colliders kuat colliding balok, t. Ka. Hiji-hijina merlukeun hiji akselerator cingcin.

Beam di synchrotron henteu pindah terus sarta terpadu kana "clumps". Aranjeunna tiasa sababaraha sénti panjangna sarta kasapuluh tina hiji millimeter diaméterna, sarta ngandung ngeunaan ¹² partikel ^Oktober. kapadetan low ieu, kusabab ukuran tina bahan sapertos ngandung ngeunaan ²³ atom ^Oktober. Ku alatan éta, nalika hiji balok colliding motong, aya ngan kamungkinan leutik nu partikel baris meta saling. Dina prakték gumpalan neruskeun mindahkeun sabudeureun ring na papanggih deui. vakum tinggi di akselerator partikel boga muatan (10 ^-11 mm Hg. V.) Diteraskeun dina urutan nu partikel bisa ngiderkeun keur loba jam tanpa collisions kalawan molekul hawa. Ku alatan éta, ring disebut oge kumulatif, sabab balok sabenerna disimpen therein pikeun sababaraha jam.

daptaran

Muatan accelerators partikel dina mayoritas bisa ngadaptar lumangsung nalika partikel pencét udagan atawa beam sejen, gerak dina arah nu lalawanan. Dina pipah gambar televisi, éléktron ti gun ka mogok Layar phosphor dina beungeut batin na emit lampu nu kukituna recreates gambar dikirimkeun. Dina accelerators detéktor husus sapertos meta pikeun partikel sumebar, tapi maranéhna nu biasana dirancang nyieun sinyal listrik nu bisa dirobah jadi data komputer tur dianalisis maké program komputer. Ngan boga muatan elemen ngahasilkeun sinyal listrik ngaliwatan bahan, contona ku ionisasi atanapi éksitasi atom, sarta bisa ditandaan langsung. Partikel nétral kayaning neutron atawa foton bisa ditandaan langsung ngaliwatan paripolah partikel boga muatan anu sipatna ojah.

Aya loba detéktor husus. Sababaraha di antarana, saperti counter Geiger, a count partikel, sarta kagunaan séjén, e.g., keur lagu rekaman atawa pangukuran laju énergi. detéktor modern dina ukuran jeung téhnologi, bisa rupa-rupa ti alat muatan gandeng leutik ka kamar dieusi gas-badag kalayan kawat nu ngadeteksi lagu ionized dihasilkeun ku partikel boga muatan.

dongeng

Muatan accelerators partikel utamana dikembangkeun pikeun nalungtik ngeunaan sipat inti atom jeung partikel éleméntér. Kusabab bubuka tina fisikawan Inggris Ernest Rutherford di 1919, réaksi inti nitrogén sarta hiji partikel alpha, sadaya hasil panalungtikan dina widang fisika nuklir mun 1932 anu dilumangsungkeun ku inti hélium, dileupaskeun ku buruk unsur radioaktif alami. alfa-partikel Pengetahuan Alam boga énergi kinétik 8 MeV tapi Rutherford dipercaya yén maranéhna kudu artifisial gancangan nilai ka malah luhur pikeun mantau buruk tina inti beurat. Wanoh eta seemed hésé. Sanajan kitu, itungan buatan 1928 ku Georgiem Gamovym (di Universitas Göttingen, Jerman), némbongkeun yén ion bisa dipaké dina énergi leuwih handap, jeung ieu geus dirangsang usaha ngawangun fasilitas nu nyadiakeun beam kacukupan keur Panalungtikan Nuklir.

acara séjén tina mangsa ieu nunjukkeun prinsip ku nu accelerators partikel boga muatan nu diwangun nepi ka poé ieu. The percobaan suksés kahiji kalayan ion artifisial gancangan diayakeun Cockroft na Walton taun 1932 di Cambridge University. Ku ngagunakeun multiplier tegangan, proton nu gancangan ka 710 keV, sarta némbongkeun yén kiwari dimungkinkeun meta jeung litium ngahasilkeun dua partikel alfa. Ku 1931, di Princeton Universitas di New Jersey, Robert Van de Graaff sabuk éléktrostatik diwangun dina generator tinggi-poténsi munggaran. Tegangan multiplier Cockcroft-Walton Generators sarta Van de Graaff generator masih dipaké salaku sumber énérgi pikeun accelerators.

Prinsip akselerator resonant liniér ieu nunjukkeun Rolf Widerøe dina 1928. The Rhine-Westphalian Universitas Téknis di Aachen, Jerman, anjeunna dipaké hiji tegangan AC tinggi mun ngagancangkeun natrium jeung kalium ion kana énergi dina kaleuwihan dua kali pikeun ngabejaan aranjeunna. Dina 1931 dina Amerika Ernest Lourens sarta asisten na Daud Sloan Universitas California, Berkeley, dipaké huma frékuénsi luhur jeung ngagancangkeun ion raksa kana énergi gede ti 1.2 MeV. Karya ieu complemented akselerator partikel boga muatan beurat Wideröe, tapi balok ion teu mangpaat dina panalungtikan nuklir.

Magnét résonansi akselerator atanapi cyclotron, ieu katimu salaku modifikasi instalasi Lawrence Wideröe. Murid Lawrence Livingston nunjukkeun prinsip cyclotron dina 1931, nyieun ion kalawan énergi 80 keV. Dina 1932, Lawrence na Livingston ngumumkeun akselerasi proton nepi ka leuwih ti 1 MeV. Engké dina 1930-an, cyclotrons énergi ngahontal kira 25 Mev, sarta Van de Graaff - ngeunaan 4 MeV. Dina 1940, Donald Kerst, nerapkeun hasil itungan ati tina orbit kana struktur magnet, diwangun di Universitas Illionis, anu betatron heula, induksi magnétik éléktron akselerator.

Fisika modéren: accelerators partikel

Sanggeus Perang Dunya II aya kamajuan anu pesat dina élmu accelerating partikel ka énergi tinggi. Ieu mimiti Edwin McMillan di Berkeley na Vladimir Veksler di Moscow. Dina 1945, aranjeunna duanana bebas tina saling geus ditétélakeun prinsip stabilitas fase. Konsep ieu nawarkeun sarana pikeun ngajaga orbit stabil tina partikel dina akselerator sirkular yén ngahupus larangan dina énergi proton na mantuan nyieun hiji accelerators résonansi magnetik (synchrotrons) pikeun éléktron. Autophasing, palaksanaan prinsip stabilitas fase, ieu dikonfirmasi sanggeus pangwangunan hiji synchrocyclotron leutik di University of California jeung synchrotron di Inggris. Teu lila saterusna, kahiji proton linier akselerator resonant dijieun. Prinsip ieu dipaké dina sakabéh synchrotrons proton utama diwangun saprak lajeng.

Dina taun 1947, William Hansen, di Stanford University di California, diwangun dina akselerator éléktron linier munggaran di gelombang iinditan, nu dipaké téhnologi microwave nu geus maju pikeun radar nalika Perang Dunya Kadua.

Kamajuan dina pangajaran ieu dimungkinkeun ku cara ningkatkeun énergi proton nu ngarah ka pangwangunan accelerators kantos leuwih gede. trend ieu biaya manufaktur tinggi ring magnet badag geus pareum. Panggedena weighs sabudeureun 40.000 ton. Métode pikeun ngaronjatna énérgi tanpa pertumbuhan ukuran mesin anu diayak di tentang 1952 godu Livingstone, Courant na Snyder hiji tehnik bolak fokus (kadangkala disebut kuat fokus). Synchrotrons dipake dina prinsip ieu, migunakeun magnet 100 kali leuwih leutik batan saméméhna. Misalna fokus ieu dipaké dina sakabéh synchrotrons modern.

Dina 1956 Kerst sadar yén lamun di dua sét partikel nu dipikagaduh on intersecting orbit, Anjeun bisa lalajo aranjeunna ngahiji sacara lengkep. Aplikasi tina gagasan ieu diperlukeun akumulasi gancangan balok dina siklus, disebutna kumulatif. téhnologi ieu kahontal hiji énergi maksimum partikel interaksi.