Zaryadlangan zarrachalar Chiziqli Hızlandırıcılar. Zarrachalar Hızlandırıcılar ish sifatida. Nima uchun zarracha Hızlandırıcılar?

zaryadlangan zarrachalar tezlatgichi - bir qurilma bo'lib, taxminan tezlikda sayohat elektrik zaryadlangan atom yoki subatom zarrachalar bir nur. Uning ishi asoslari zarur o'sish ularning hisoblanadi elektr maydon tomonidan energiya va traektoriyasini o'zgartirish - magnit.

zarracha Hızlandırıcılar nima?

Bu qurilmalar keng ilm-fan va sanoatning turli sohalarida ishlatiladi. Bugungi kunda dunyo bo'ylab 30 dan ortiq ming bor. zaryadlangan zarracha tezlatgichlar fizika atomlarning tuzilishi, tabiiy sodir bo'lmagan yadroviy kuchlar va atom xususiyatlari, tabiati asosiy tadqiqot vositasi sifatida xizmat qiladi. ikkinchisi transuranic va boshqa beqaror elementlarni o'z ichiga oladi.

evakuatsiya trubkasi mumkin aylandi maxsus zaryad aniqlash. Zaryadlangan zarracha Hızlandırıcılar ham biologik materiallarni sterillash uchun, sanoat rentgenografiya, insultni ham, radyoizotopların ishlab chiqarish uchun ishlatiladi, va qilingan Radyokarbon tahlil. Eng yirik birliklari asosiy o'zaro ta'sirlarning o'rganishda foydalaniladi.

tezlatkich nisbatan orom zaryadlangan zarralarning umrbod yaqin tezlik jadal zarrachalar undan kichikroq bo'lgan yorug'lik tezligi. Bu safar stantsiyalar nisbatan kichik miqdorda tasdiqlaydi. Misol uchun, CERN da muon 0,9994c tezlik 29 marta hayotlik o'sishiga erishildi.

Ushbu maqola ichidagi va zarracha hızlandırıcı, uning rivojlanishini, har xil turdagi va har xil xususiyatlarga ish nima qaraydi.

tezlashtirish tamoyillari

Nima bo'lishidan qat'iy nazar, siz bilasiz zaryadlangan zarracha tezlatgichlar qanday, ular barcha umumiy elementlari bor. Birinchidan, ular bir televizion tasvir naycha yoki elektronlar, protonlar va katta qurilmalarini holda ularning qarshi zarracha taqdirda elektronlar manbai bo'lishi kerak. Bundan tashqari, ular o'zlarining barcha traektoriyasini nazorat qilish zarralar va magnit maydonlarini jadallashtirish elektr maydonlarini bo'lishi kerak. Bundan tashqari, zaryadlangan zarracha tezlatuvchida vakuum (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. qoldiq havo minimal miqdori, uzoq umr vaqt nurlarini ta'minlash uchun talab qilinadi. Nihoyat, barcha qurilmalar Ro'yxatdan vositalarini, jadal zarralar sanab chiqishda va o'lchash bo'lishi kerak.

avlod

eng keng tarqalgan hızlandırıcıları qo'llanilmoqda, elektronlar va protonlar, barcha materiallar topilgan, lekin birinchi ulardan tanlashingiz lozim. Elektronlar odatda rasm naycha bilan bir xil tarzda hosil qilingan - bir "qurol" deb nomlangan bir qurilmada. Bu elektronlar atomlar off kelish boshlash qaerda bir davlat uchun isitiladi vakuum, bir katod (salbiy elektrod) hisoblanadi. Manfiy zaryadlangan zarralar anod (ijobiy elektrod) jalb qilish va o'zgaruvchan tok manbaiga o'tib etiladi. elektronlar elektr maydon ta'sirida harakat, chunki qurol o'zi tezlatkich sifatida oddiy bo'ladi. odatda qator 50-150 kV yilda Katot va Anote o'rtasidagi kuchlanish.

Biridan barcha materiallar elektronlar dan proton mavjud, lekin faqat bitta proton yadro vodorod atomlaridan tashkil topgan. Shuning uchun, proton hızlandırıcıları uchun zarracha manbai vodorod gaz hisoblanadi. Bu holda, gaz iyonize va proton teshikdan joylashgan. katta hızlandırıcıları protonlar ko'pincha salbiy vodorod ionlari shaklida tashkil etiladi. Ular ikki atomli gaz ionlanish mahsulot bo'lgan atomlarning bir qo'shimcha elektron vakili. Ish oson dastlabki bosqichlarida manfiy zaryadlangan vodorod ionlari beri. Bas, ular jadallashtirish final bosqichida oldin elektronlar ularni mahrum ingichka folga orqali o'tadi.

tezlatish

Zarrachalar Hızlandırıcılar ish sifatida? Ularning hammasi bir muhim xususiyati elektr maydon hisoblanadi. oddiy misol - elektr batareyaning terminallari o'rtasida borligiga o'xshash musbat va manfiy elektr salohiyati o'rtasida yagona statik maydon. manfiy zaryadli ko'tarib Bu elektron maydon ijobiy salohiyatini uni boshqaradigan kuch ochiq. Uni tezlashtiradi va yo'l, uning tezligi va kuch o'sishiga asos bo'lardi narsa bor bo'lsa. sim yoki havoda ijobiy salohiyatini tomon harakat qiluvchi elektronlar va atomlar energiyani yo'qotadi bilan to'qnashganda, lekin ular vakuum ostida joylashgan bo'lsa, u holda ular Anote yaqinlashish sifatida jadal.

elektron belgilaydi boshlash va tugatish holatda o'rtasidagi taranglik ularga energiya sotib oldi. 1 V potentsial farqi orqali harakat 1 elektron volt (eV) teng bo'ladi. Bu 1,6 × 10 ^-19 Joule degan tengdir. trillion marta ko'proq uchib chivin energiya. kineskop elektronlar 10 kV dan katta kuchlanish tezlashadi. Ko'pchilik Hızlandırıcılar mega, Giga va Tera-elektron-voltgacha o'lchanadi ancha yuqori kuchini erishish.

turlari

kabi zarracha hızlandırıcıları, dastlabki turdagi Ba'zi kuchlanish marta qadar bir million sarma salohiyati bilan hosil doimiy elektr maydoni yordamida va generator Van de Graaff generator. Bunday yuqori keskinliklar bilan oson ish. A ko'proq amaliy muqobil kam salohiyati ishlab chiqarilgan zaif elektr maydonlarining takroriy harakat hisoblanadi. Bu tamoyil zamonaviy tezlatgichlar ikki turdagi ishlatiladi - chiziqli va tsiklik (asosan cyclotrons va sinkrotronları). dönemsellikten ko'p marta ular nisbatan kichik elektr maydon orqali dairesel yo'l ustida harakat esa Chiziqli zarracha Akselarator, qisqasi, jadallashtirish konlarini ketma orqali bir marta ularni o'tdi. qancha kichik "Zarba" yagona katta kombinatsiyalangan ta'sir berish uchun birgalikda qo'shiladi, shunday qilib, har ikkala holatda ham, zarrachalar final energiya, harakat umumiy sohasida bog'liq.

tabiiy yo'l AC emas, balki DC foydalanish hisoblanadi bir chiziqli tezlatkich zerikarli tarkibi elektr maydonlarini ishlab chiqarish uchun. ijobiy o'tishi bo'lsa musbat zaryadlangan zarralar, salbiy salohiyati jadal va yangi sur'at olish etiladi. Amalda, kuchlanish juda tez o'zgarib kerak. Misol uchun, juda yuqori tezlikda 1 MeV proton harakatlar energiya 0,01 MS 1,4 m o'tib, 0.46 nuri tezligi hisoblanadi. Bu uzoq bir necha metr, ikki nusxadagi tarkibida, elektr maydonlariga kamida 100 MGts chastotada yo'nalishini o'zgartirish kerak, degan ma'noni anglatadi. Chiziqli va tsiklik Hızlandırıcılar zarralar, odatda, 100 MGts dan 3000 galma elektr maydon chastotasi T ularni tarqatib. E. mikroto'lqinli pechlar uchun radio to'lqinlar diapazonida.

elektromagnit to'lqin bir-biriga tik asosida tebranishi turilishi elektr va magnit maydonlarining birikmasi. asosiy nuqta elektr maydon tezlashtirish vektoriga muvofiq yo'naltirilgan zarralar kelishi da, shunday qilib, katalizator to'lqin rostlash iborat. yopiq makon, quvur organlar ovoz to'lqinlar qarama-qarshi yo'nalishlarda sayohat to'lqinlar birlashmasidan - Bu turgan to'lqin yordamida amalga oshirilishi mumkin. tez nuri, bir to'lqin tezligi yaqinlashib tezligi elektronlar harakat uchun muqobil mujassam.

autophasing

muqobil elektr sohasida jadallashtirish muhim ta'siri bir "bosqichi barqarorlik" deb. Bir tebranish aylanishi muqobil dala qaytib nolga maksimal qiymat nolga orqali o'tadi, u bir minimal kamayadi va nol ko'tariladi. Shunday qilib, u jadallashtirish uchun zarur bo'lgan qiymati orqali ikki marta o'tadi. Kimning tezligi ortadi bir zarracha, juda erta kelsa, u etarli kuch maydonini ishlamaydi, va surish zaif bo'ladi. u keyingi maydoni, kech test va ko'proq ta'sir yetganda. bir natija, o'zini-o'zi o'zgarishlar bo'lish sodir sifatida, zarralar jadallashtirish mintaqadagi har bir sohada bilan bosqichida bo'ladi. Yana bir ta'siri alaqa o'rniga uzluksiz oqimi hosil qilish uchun vaqt ichida ularni guruhlash hisoblanadi.

nuri yo'nalishi

ular harakat yo'nalishini o'zgartirish mumkin ishlari va zarracha katalizator, va magnit maydonlarini o'ynash qanday muhim roli. Bu ular yumaloq, bir yo'lda nur "etma" uchun foydalanish mumkin, shuning uchun ular bir necha marta shu jadallashtirish bo'limda o'tib, degan ma'noni anglatadi. oddiy holda, haq zarracha bir xil magnit maydon yo'nalishi uchun to'g'ri burchak ostida harakat, kuch-quvvat, uning harakati ham perpendikulyar vektor va dalaga. Bu harakatlar yoki boshqa kuch o'z maydonida chiqib keladi unga amal qilish boshlanadi qadar, bu, maydon perpendikulyar dairesel yo'l ustida harakat nur sabab bo'ladi. Bu ta'sir bunday SİNKROTRONU va Tezlatgichli kabi uslub hızlandırıcıları ishlatiladi. tsiklotronlari yilda doimiy faoliyat katta magnitlangan tomonidan ishlab chiqarilmoqda. ularning energiya ortib bilan zarralar spiral ko'rinishda har bir inqilob bilan jadal ko'chirish. sinkrotron quyqalar doimiy radiusi halqa atrofida harakat va zarralar kabi halqa ortadi atrofida elektromıknatıs tomonidan hosil maydon tezlashadi. nur yaratgan o'tishi mumkin, shunday qilib "engashib" taqdim Magnit, bir taqa shaklida egilgan shimoliy va janubiy qutblarini bilan dipol vakili.

elektromıknatıs ikkinchi muhim vazifasi, ular imkon qadar shunday tor va keskin bo'ladi, shunday qilib nurlarini iborat. a qaratib magnitlangan oddiy shakli - qarama-qarshi, bir-biriga joylashgan to'rt qutblar (shimoliy ikki va ikki janubiy) bilan. Ular bir yo'nalishda markaziga zarralar surish, lekin ularni perpendikulyar taqsimlanadi imkonini beradi. Kuadropol Magnit uni vertikal markazida chiqib ketish uchun imkon beradigan, gorizontal nur o'ylash. Buning uchun, ular juft foydalanish lozim. yanada aniq, shuningdek, qutblar (6 va 8) bir qator bilan ko'proq murakkab Magnit ishlatiladi qaratib uchun.

ziyoda-yo'riq zarracha ortadi energetika, magnit maydon kuch beri. Bu ayni orbital ustida nurlarning tutadi. suzma halqa kiritildi va u yopiq va tajribalar bilan foydalanish mumkin oldin kerakli energiya tezlashadi. Qayta ko'rib chiqish sinkrotron, xalqqa zarralar surish uchun faollashtirilgan elektromıknatıs bilan erishiladi.

to'qnashuv

asosan muayyan maqsadlar uchun nur, masalan, yorug'lik yoki ion Implantatsiyadan ishlab chiqarish, tibbiyot va sanoatda ishlatiladigan zaryadlangan zarracha Hızlandırıcılar. Bu zarralar bir marta ishlatiladi, degan ma'noni anglatadi. Shu ko'p yillar davomida asosiy tadqiqot ishlatiladigan tezlatgichlar haqiqiy edi. Lekin uzuk bo'lgan ikki nurlar qarama-qarshi yo'nalishda aylanma va tutashuv atrofida to'qnashmoq, 1970 yilda ishlab chiqilgan. Bunday tizimlar asosiy afzalligi zarrachalar bir old to'qnashuv energiyasini ularning orasidagi o'zaro ta'sir energiyasi bevosita ketadi deb. Bu nur, bir statsionar rasmlar çarpışırsa bu holda energiyaning eng momenti saqlash printsipiga muvofiq, harakatda maqsadli materiallar kamaytirish uchun ketadi qachon, nima bilan farq.

kolliziya nurlari bilan Ba'zi mashinalari, ikki yoki undan ko'p joylarda kesishgan ikki halqalar bilan bunyod bo'lgan, qarama-qarshi yo'nalishlarda bir xil turdagi zarralarni tarqatiladi. Yanada keng tarqalgan çarpışmasıyla zarracha-qarshi zarralari. Qarshi zarralari bog'liq zarrachalar qarama-qarshi zaryad bor. Misol uchun, pozitron, musbat zaryadlangan, va elektronlar bo'ladi - salbiy. Bu elektronni tezlashtiradi bir maydon, pozitron shu yo'nalishda harakat, sekinlashadi, degan ma'noni anglatadi. Lekin qarama-qarshi yo'nalishda ikkinchi harakat, u tezlashtiradi bo'lsa. Xuddi shunday, bir elektron chap bir magnit maydon irodasi egri va pozitron orqali harakat - o'ng. pozitron oldinga harakat bo'lsa, bas, uning yo'l o'ng chetga davom, lekin elektronlar bir xil egri ustida bo'ladi. Biroq, bu zarralar sinkrotron Shu magnit ring orqali harakat va qarama-qarshi yo'nalishlarda bir xil elektr sohalarda tomonidan jadal mumkin, degan ma'noni anglatadi. Bu tamoyil nurlarini kolliziya ko'p kuchli colliders yaratgan kuni, t. uchun. The faqat bitta halqa tezlashtirish talab qiladi.

SİNKROTRONU yilda Beam doimiy harakatda va singdirilishi emas "guruhlar". Ular bir necha uzunligi santimetr va diametri bir millimetrning o'ndan bir qismi bo'lishi va taxminan 10 ¹² zarralar o'z ichiga olishi mumkin. Bu kam zichligi, bunday materiallar hajmi taxminan ^{23 oktyabr} atomi o'z ichiga oladi, chunki. a kolliziya nurlar kesishadi qachon Shuning uchun, zarralar bir-biri bilan munosabatda bo'ladi, deb faqat bir kichik ehtimollik bor. Amalda quyqalar halqa atrofida harakat va yana kutib davom etmoqda. zaryadlangan zarralar (10 ^-11 mm Hg. V.) ning tezlatkich Oliy vakuum zarralar havo molekulalari bilan to'qnashuvi holda bir necha soat aylanmoq mumkin tartibda talab qilinadi. Nurlar aslida bir necha soat davomida unda saqlanadi, chunki Shuning uchun, halqa, shuningdek, kumulyativ deyiladi.

ro'yxatga olish

zarralar qarama-qarshi yo'nalishda harakat, maqsad yoki boshqa nurlarning urdi qachon ro'yxatdan mumkin ko'pchilik zaryadlangan zarracha Hızlandırıcılar sodir bo'ladi. Agar televizor rasm kolba, qurol elektronlar ichki yuzasida fosforit ekranni zarba va shu yo'l bilan yuqadigan tasvirni qayta hosil nur, chiqaradi. hızlandırıcıları bunday maxsus yassi, sochilgan zarralar javob, lekin ular odatda kompyuter ma'lumotlar aylanadi va kompyuter dasturlari yordamida tahlil qilinadi elektr signallari yaratish uchun mo'ljallangan. Faqat elementlar ionlanish yoki atomlarning qo'zg'alishi, masalan, material o'tib elektr signallari ishlab chiqarish va bevosita aniqlash mumkin zaryadlangan. Bunday neytron yoki fotonlar sifatida neytral zarralar ular harakatda bo'lgan zaryadlangan zarralar xatti orqali bilvosita aniqlash mumkin.

ko'p maxsus detektorlari bor. Bunday yozuv yo'llarni yoki energiya tezligi o'lchash uchun Geiger peshtaxta, bir zarracha soni, va boshqa foydalanish, masalan, ulardan ba'zilari. kattaligi va texnologiya zamonaviy Amerika futboli, zaryadlangan zarralar tomonidan ishlab chiqarilgan ionlashgan treklarni aniqlash simlar bilan katta gaz to'ldirilgan palatalari kichik haq birlashganda qurilmalardan farq qilishi mumkin.

hikoya

Zaryadlangan zarrachalarning tezlashtiruvchilari asosan atom yadrolari va elementar zarralarning xususiyatlarini o'rganish uchun ishlab chiqilgan. 1919-yilda ingliz fizikasi Ernest Ruterford kashf etilganidan beri, azot va alfa zarralarining yadrolari, yadro fizikasida 1932 yilgacha bo'lgan barcha tadqiqotlar, tabiiy radioaktiv elementlarning parchalanishi natijasida chiqarilgan geliy yadrolari bilan o'tkazildi. Tabiiy alfa zarralari 8 MeV kinetik energiyaga ega, ammo Ruterford og'ir yadrolarning parchalanishini kuzatish uchun ularni sun'iy ravishda yanada katta qadriyatlarga tezlashtirishni talab qiladi. O'sha paytda bu qiyin bo'lgan. Biroq, 1928 yilda Georgi Gamow (Germaniyaning Göttingen universiteti) tomonidan o'tkazilgan hisob-kitob shuni ko'rsatdiki, juda kam energiyaga ega bo'lgan ionlar ishlatilishi mumkin va bu yadroviy izlanish uchun etarlicha nurni ta'minlaydigan muhitni qurishga urinishlar bo'ldi.

Ushbu davrning boshqa voqealari zararli zarralarning tezlatgichlari hozirgi kungacha qurilgan tamoyillarni namoyish etdi. 1932 yilda Kembrij universitetida sun'iy ravishda tezlashtirilgan ionlar bilan birinchi muvaffaqiyatli tajribalar Cockcroft va Walton tomonidan ishlab chiqilgan. Bir kuchlanish multiplieridan foydalanib, protonlarni 710 keVga tezlatishdi va ular ikkinchi alfa zarralarini hosil qilish uchun lityum yadro bilan reaksiyaga kirishishini ko'rsatdilar. 1931 yili Nyu-Jersidagi Princeton universitetida Robert Van de Graaf yuqori potentsialni yaratadigan birinchi bilak elektrostatik generatorni qurdirdi. Cokroft-Walton kuchlanishli ko'paytirgichlar va Van de Graaff generatorlari energiya manbalari sifatida foydalaniladi.

Lineer rezonans tezlatgichi printsipi 1928 yilda Rolf Wideröe tomonidan ko'rsatildi. Germaniyaning Aaxen shahridagi Reyn-Vestfaliya Texnik Universitetida ikki marotaba natriy va kaliy ionlarini energiyaga ikki marta tezlashtirish uchun yuqori o'zgaruvchan kuchlanish ishlatilgan. 1931 yilda, AQShda, Ernst Lawrence va uning yordamchisi Devid Sloan, Berkli, Berkli, 1,2 MeVdan yuqori bo'lgan energiyani simob ionlarini tezlatish uchun yuqori chastotali maydonlardan foydalangan. Ushbu ishni og'ir og'irlikdagi zararli zarralar Wideröe tezlatgichi bilan to'ldirdi, ammo ion nurlari yadroviy tadqiqotlarda foydali bo'lmadi.

Magnit-rezonans tezlatgichi yoki tsiklotron, Lawrence tomonidan Wideröe o'rnatilishini o'zgartirish sifatida ishlab chiqilgan. Lawrence Livingston talabasi 1931 yilda 80 kaV kuchga ega ion ishlab chiqaradigan siklotron prinsipini namoyish etdi. 1932 yilda Lawrence va Livingston protonlarning 1 MeVdan oshiqligini e'lon qildi. Keyinchalik, 1930-yillarda, siklotron energiyasi taxminan 25 meVga, Van de Graaff generatorlar esa 4 meVga etdi. 1940 yilda Donald Kerst, magnitlarning dizayni uchun orbitani ehtiyotkorlik bilan hisoblash natijalaridan foydalangan holda, Illinoys Universitetida magnit indüksiya elektronli tezlatgichga birinchi betatronni qurdirdi.

Zamonaviy fizika: zaryadlangan zarralar tezlatgichlari

Ikkinchi jahon urushidan keyin zarrachalarni yuqori energiya bilan to'ldirish fani jadal rivojlanmoqda. Edvin Macmillanni Moskvada Berkeley va Vladimir Vekslerga boshladi. 1945 yilda ular ikkalasi ham o'zgarishlar stabilligi tamoyilini mustaqil ravishda tasvirlab berdilar. Ushbu kontseptsiya protonlarning energiyasiga cheklovlarni olib tashlagan va elektronlar uchun magnit-rezonans tezlatkichlarini (sinkrotronlarni) yaratishga imkon beradigan, tez-tez takrorlanadigan tezlatuvchi zarralar turg'un orbitalarini saqlash vositalarini taqdim etadi. Favqulodda barqarorlik printsipining amalga oshirilishi autofasiya Kaliforniya universiteti va Angliya sinkrotronida kichik sinxrocyclotron qurilishi bilan tasdiqlandi. Ko'p vaqt o'tgach, birinchi proton chiziqli rezonans tezlatkichi yaratildi. Ushbu tamoyil bundan buyon qurilgan barcha yirik protonli sinkrotronlarda qo'llaniladi.

1947 yilda Kaliforniyadagi Stenford Universitetida Uilyam Hansen ikkinchi jahon urushi paytida radar uchun ishlab chiqilgan mikroto'lqinli texnologiyadan foydalanib, birinchi to'lqin bo'ylab elektr uzatuvchi elektr uzatuvchi qurdirdi.

Tadqiqotdagi yutuqlar proton energiyasini ko'paytirish orqali erishildi, bu esa katta tezlikni oshiruvchi vositalarni yaratishga olib keldi. Ushbu tendentsiya katta halqa magnitlarini ishlab chiqarishning yuqori xarajati bilan to'xtatildi. Eng katta miqdori 40 ming tonnani tashkil etadi. Mashinalarning o'lchamlarini oshirishdan energiyani ko'paytirish usullari Livingston, Courant va Snyder tomonidan alternativ markazlashtirilgan (ba'zan kuchli yo'naltirilganligi) uslubida 1952 yilda ko'rsatildi. Ushbu printsip bo'yicha ishlaydigan sinkrotronlar magnitlardan 100 barobar kichikroqdir. Bunday markazlashuv barcha zamonaviy sinkrotronlarda qo'llaniladi.

1956-yilda Kerst, agar aylanadigan aylanalarda ikki zarralar to'plangan bo'lsa, ularning to'qnashuvlarini kuzatish mumkin. Ushbu g'oyani amalga oshirish kommutativ nurlanish deb ataladigan davrlarda tezlashtirilgan nurlarning to'planishini talab qildi. Ushbu texnologiya zarrachalarning maksimal ta'sir o'tkazish energiyasiga erishish imkonini berdi.