Les accélérateurs linéaires de particules chargées. Comme le travail des accélérateurs de particules. Pourquoi les accélérateurs de particules?

L'accélérateur de particules chargées – un dispositif dans lequel un faisceau de particules atomiques ou subatomiques chargées électriquement se déplacent à une vitesse proche. La base de son travail est nécessaire , leur augmentation d'énergie par un champ électrique et changer la trajectoire – magnétique.

Quels sont les accélérateurs de particules?

Ces dispositifs sont largement utilisés dans divers domaines de la science et de l'industrie. À ce jour, dans le monde entier sont plus de 30 mille. Pour la physique des accélérateurs de particules chargées servir d'outil de recherche fondamentale sur la structure des atomes, la nature des forces nucléaires et les propriétés nucléaires, qui ne se produisent pas naturellement. Ces derniers comprennent transuraniens et d'autres éléments instables.

Avec le tube de décharge est devenu possible de déterminer la charge spécifique. des accélérateurs de particules chargées sont également utilisés pour la production de radio – isotopes, en radiographie industrielle, la radiothérapie, pour la stérilisation de matériaux biologiques, et dans l' analyse de radiocarbon. Les plus grandes unités sont utilisées dans l'étude des interactions fondamentales.

La durée de vie des particules chargées au repos par rapport à l'accélérateur est inférieure à celle des particules accélérées à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. Cela confirme le montant relativement faible des stations de temps. Par exemple, au CERN a été réalisé une augmentation de la durée de vie du muon vitesse 0,9994c 29 fois.

Cet article se penche sur ce qui est à l'intérieur et de travail accélérateur de particules, le développement, les différents types et caractéristiques différentes.

principes d'accélération

Peu importe quel type d'accélérateurs de particules chargées, vous savez, ils ont tous les éléments communs. Tout d'abord, ils doivent avoir une source d'électrons dans le cas d'un tube image de télévision ou des électrons, des protons et leurs antiparticules dans le cas des plus grandes installations. De plus, ils doivent tous avoir des champs électriques pour accélérer des particules et des champs magnétiques pour contrôler leur trajectoire. En outre, le vide dans l'accélérateur de particules chargées (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. Une quantité minimale d'air résiduel, est nécessaire pour assurer un faisceaux de temps de longue vie. Enfin, toutes les installations doivent disposer de moyens d'enregistrement, le comptage et la mesure des particules accélérées.

génération

Et les protons, les électrons qui sont les plus couramment utilisés dans les accélérateurs, se trouvent dans toutes les matières, mais ils doivent d'abord choisir parmi eux. Les électrons sont typiquement générés de la même manière que dans le tube image – dans un dispositif qui est appelé un « pistolet ». Il est une cathode (électrode négative) dans le vide, qui est chauffée à un état dans lequel des électrons commencent à se détacher des atomes. des particules chargées négativement sont attirées vers l'anode (électrode positive) et passent à travers la sortie. Le pistolet lui-même est plus simple que l'accélérateur parce que les électrons se déplacent sous l'influence d'un champ électrique. La tension entre la cathode et l'anode, typiquement dans la plage de 50 à 150 kV.

En dehors des électrons dans les matériaux contenus protons, mais seulement un seul noyau de protons constitué d'atomes d'hydrogène. Par conséquent, la source de particules pour les accélérateurs de protons est de l'hydrogène gazeux. Dans ce cas, le gaz est ionisé et les protons sont situés dans le trou. Dans les grands accélérateurs sont souvent formés protons sous la forme d'ions d'hydrogène négatifs. Ils représentent un électron supplémentaire parmi les atomes qui sont le produit d'une ionisation du gaz diatomique. Etant donné que les ions d'hydrogène chargés négativement dans les premières étapes du travail plus facile. Ensuite, ils passent à travers une feuille mince, ce qui les prive d'électrons avant la phase finale de l'accélération.

accélération

Comme le travail des accélérateurs de particules? Une caractéristique clé de tous est le champ électrique. L'exemple le plus simple – le champ statique uniforme entre les potentiels électriques positives et négatives, semblable à celle qui existe entre les bornes de la batterie électrique. Ce champ électronique portant une charge négative est exposé à une force qui dirige vers un potentiel positif. Il accélère, et s'il y a quelque chose qui barrer la route, sa vitesse et augmenter la puissance. Les électrons se déplacent vers le potentiel positif sur le fil ou dans l'air, et entrent en collision avec les atomes perdent de l'énergie, mais ceux qui se trouvent sous vide, puis accéléré à l'approche de l'anode.

La tension entre la position de début et de fin des électrons définit les a achetés l'énergie. Lors d'un déplacement à travers une différence de potentiel de 1 V est égal à 1 électron-volt (eV). Ceci équivaut à 1,6 x 10 ^-19 joules. L'énergie d'un moustique en vol billion de fois plus. En électrons kinéscope sont accélérés tension supérieure à 10 kV. De nombreux accélérateurs atteignent des énergies beaucoup plus élevées mesurées méga, giga et tera-électron-volts.

espèce

Certains des premiers types d'accélérateurs de particules, comme le multiplicateur de tension et le générateur générateur de Van de Graaff, en utilisant un champ électrique constant généré par les potentiels de jusqu'à un million de volts. Avec de telles tensions travail facile. Une alternative plus pratique est l'action répétée de faibles champs électriques produits faibles potentiels. Ce principe est utilisé dans les deux types d'accélérateurs modernes – linéaires et cycliques (principalement cyclotrons et synchrotrons). des accélérateurs de particules linéaires, en bref, les transmis une fois à travers la séquence de champs accélérateurs, tandis que les cycliquement plusieurs fois qu'ils se déplacent sur une trajectoire circulaire à travers le champ électrique relativement faible. Dans les deux cas, l'énergie finale des particules dépend du champ total d'action, de sorte que de nombreuses petites « bosses » sont additionnés pour donner l'effet combiné d'une seule grande.

La structure répétitive d'un accélérateur linéaire pour générer des champs électriques d'une manière naturelle consiste à utiliser le courant alternatif, et non pas à courant continu. Les particules chargées positivement sont accélérés au potentiel négatif et obtenir un nouvel élan, si positif passe. Dans la pratique, la tension doit être changé très rapidement. Par exemple, à une énergie de 1 se déplace de protons MeV à très haute vitesse est la vitesse de la lumière de 0,46, passant de 1,4 m de 0,01 ms. Cela signifie que dans la structure de répétition de quelques mètres de long, les champs électriques doivent changer de direction à une fréquence d'au moins 100 MHz. des particules linéaires et cycliques accélérateurs les disperser en général avec la fréquence du champ électrique alternatif de 100 MHz à 3000, t. E. Dans la gamme des ondes radio à micro-ondes.

L'onde électromagnétique est une combinaison de champs électriques et magnétiques oscillants oscillant à angle droit par rapport à l'autre. Le point essentiel est de régler l'onde d'accélérateur de telle sorte que lors de l'arrivée des particules le champ électrique est dirigé en conformité avec le vecteur d'accélération. Cela peut être fait en utilisant une onde stationnaire – la combinaison des ondes se propageant dans des directions opposées dans un espace fermé, les ondes sonores dans l'orgue à tuyaux. Une variante de réalisation pour le déplacement rapide des électrons dont les vitesses approchant la vitesse de la lumière, une onde progressive.

autophasing

Un effet important de l'accélération dans un champ électrique alternatif est une « stabilité de phase ». Dans un cycle d'oscillation champ alternatif passe par zéro à partir de la valeur maximale à zéro, il diminue à un minimum et augmente à zéro. Ainsi, il passe deux fois par la valeur requise pour l'accélération. Si une particule dont la vitesse augmente, est trop tôt, il ne fonctionnera pas un champ de force suffisante, et la poussée sera faible. Quand il atteint la zone suivante, le test tardif et plus d'impact. Par conséquent, l'auto-élimination progressive se produit, les particules vont être en phase avec chaque champ dans la zone d'accélération. Un autre effet est le leur regroupement dans le temps pour former un caillot plutôt que d'un flux continu.

La direction du faisceau

Un rôle important dans le fonctionnement et l'accélérateur de particules, jouent et les champs magnétiques, car ils peuvent changer la direction de leur mouvement. Cela signifie qu'ils peuvent être utilisés pour « pliage » de la poutre dans une trajectoire circulaire, de sorte qu'ils passent de façon répétée à travers la même section d'accélération. Dans le cas le plus simple, sur une particule chargée se déplaçant à angle droit par rapport à la direction du champ magnétique homogène, un vecteur de force perpendiculaire à la fois de son mouvement, et sur le terrain. Ceci amène le faisceau à se déplacer dans une trajectoire circulaire perpendiculaire au champ, jusqu'à ce qu'il ressorte de son champ d'action ou une autre force commence à agir sur elle. Cet effet est utilisé dans les accélérateurs cycliques tel qu'un synchrotron et cyclotron. Dans un cyclotron, le champ constant est produit par un gros aimant. Les particules avec l'augmentation de leur énergie en mouvement en spirale vers l'extérieur accéléré à chaque révolution. Les caillots de synchrotron se déplacent autour de l'anneau avec un rayon constant, et le champ généré par les électro-aimants autour de l'anneau augmente à mesure que les particules sont accélérées. Les aimants fournissant « flexion », représentent dipôles avec pôles nord et sud, courbé en forme de fer à cheval de sorte que le faisceau puisse passer entre elles.

La deuxième fonction importante des électroaimants est de focaliser les faisceaux de sorte qu'ils sont si étroites et intense que possible. La forme la plus simple d'un aimant de mise au point – avec quatre pôles (deux nord et deux sud) qui se font face. Ils poussent les particules vers le centre dans une direction, mais leur permettent d'être distribuées dans la perpendiculaire. aimants quadripôles concentrer le faisceau horizontalement, lui permettant de sortir de se concentrer verticalement. Pour ce faire, ils doivent être utilisés par paires. Pour une analyse plus précise de mise au point sont également utilisés aimants plus sophistiqués avec un grand nombre de pôles (6 et 8).

Etant donné que l'énergie des particules augmente, la force du champ magnétique, de les diriger augmente. Cela permet de maintenir le faisceau sur la même trajectoire. Le caillé est introduit dans l'anneau et est accéléré à une énergie souhaitée avant qu'il ne puisse être retiré et utilisé dans des expériences. La rétraction est obtenue par électro-aimants qui sont activés pour pousser les particules de l'anneau synchrotron.

collision

des accélérateurs de particules chargées utilisées dans la médecine et de l'industrie, principalement produire un faisceau pour un but particulier, par exemple, l'irradiation ou l'implantation ionique. Cela signifie que les particules utilisées qu'une seule fois. La même chose était vraie des accélérateurs utilisés dans la recherche fondamentale depuis de nombreuses années. Mais les anneaux ont été développés en 1970, dans lequel deux faisceaux circulant dans des directions opposées et entrent en collision autour du circuit. Le principal avantage de ces systèmes est que, dans une énergie de collision frontale de particules va directement à l'énergie d'interaction entre eux. Cela contraste avec ce qui se passe lorsque le faisceau entre en collision avec des images fixes, auquel cas la majeure partie de l'énergie va à la réduction de la matière cible en mouvement, conformément au principe de la conservation de l'élan.

Certaines machines avec des poutres en collision sont construits avec deux anneaux, coupant en deux ou plusieurs endroits, dans lequel circulent dans des directions opposées, les particules du même type. collisionneur plus commune particule-antiparticule. Antiparticle a la charge opposée des particules associées. Par exemple, le positron, est chargée positivement et les électrons – négativement. Cela signifie qu'un champ qui accélère l'électron, le positron ralentit, se déplaçant dans la même direction. Mais si ce dernier se déplace dans la direction opposée, il va accélérer. De même, un électron se déplaçant à travers une courbe magnétique volonté de champ vers la gauche, et le positron – droite. Mais si le positron se déplace vers l'avant, puis son chemin continuera à dévier vers la droite, mais sur la même courbe que celle de l'électron. Toutefois, cela signifie que les particules peuvent se déplacer à travers l'anneau du synchrotron mêmes aimants et accéléré par les mêmes champs électriques dans des directions opposées. Sur ce principe a créé beaucoup de collisionneurs puissants faisceaux entrent en collision, t. Pour. Requires un seul accélérateur en anneau.

Faisceau dans le synchrotrons ne se déplace pas de façon continue et intégrée dans « touffes ». Ils peuvent être de plusieurs centimètres de longueur et d' un dixième de millimètre de diamètre, et comprennent des particules d' environ ^{12 octobre.} Cette faible densité, parce que la taille de ces matières contient environ 10 ²³ atomes de carbone. Par conséquent, lorsqu'une collision des faisceaux se croisent, il n'y a qu'une faible probabilité que les particules réagissent les uns avec les autres. Dans la pratique des caillots continuent de se déplacer autour de l'anneau et de rencontrer à nouveau. un vide poussé dans l'accélérateur de particules chargées (10 ^-11 mm Hg. V.) est nécessaire afin que les particules puissent circuler pendant de nombreuses heures sans collisions avec les molécules d'air. Par conséquent, l'anneau est aussi appelé cumulatif, parce que des poutres en fait qui y sont stockées pendant plusieurs heures.

inscription

des accélérateurs de particules chargées dans la majorité peuvent enregistrer se produit lorsque les particules frappent la cible ou l'autre faisceau, se déplaçant dans la direction opposée. Dans un tube image de télévision, des électrons provenant du canon à frapper l'écran de phosphore sur la surface intérieure et émettent de la lumière, qui recrée ainsi l'image transmise. Dans des accélérateurs tels détecteurs spécialisés réagissent aux particules dispersées, mais ils sont généralement conçus pour créer des signaux électriques qui peuvent être convertis en données informatiques et analysés à l'aide de programmes informatiques. Seuls les éléments chargés de produire des signaux électriques passant à travers le matériau, par exemple par ionisation ou d'excitation d'atomes, et peuvent être détectés directement. Les particules neutres tels que des neutrons ou des photons peuvent être détectés indirectement par le comportement des particules chargées qui sont en mouvement.

Il existe de nombreux détecteurs spécialisés. Certains d'entre eux, tel qu'un compteur Geiger, un compte de particules, et d'autres utilisations, par exemple pour des pistes d'enregistrement ou de mesure de la vitesse de l'énergie. Les détecteurs modernes dans la taille et de la technologie, peuvent varier d'un petit supplément des dispositifs à couplage de grandes chambres remplies de gaz avec des fils qui détectent les pistes ionisées produites par des particules chargées.

histoire

des accélérateurs de particules chargées principalement développé pour l'étude des propriétés des noyaux atomiques et les particules élémentaires. Depuis l'ouverture du physicien britannique Ernest Rutherford en 1919, la réaction du noyau d'azote et d' une particule alpha, toutes les recherches dans le domaine de la physique nucléaire à 1932 ont été réalisées avec des noyaux d'hélium, libérés par la désintégration des éléments radioactifs naturels. alpha-particules naturelles ont une énergie cinétique de 8 MeV, mais Rutherford ont cru qu'ils doivent être artificiellement accélérée à même des valeurs plus élevées pour surveiller la désintégration des noyaux lourds. A l'époque, il semblait difficile. Toutefois, le calcul effectué en 1928 par Georgiem Gamovym (à l'Université de Göttingen, Allemagne), a montré que les ions peuvent être utilisés à des énergies beaucoup plus faibles, ce qui a stimulé les tentatives de construire une installation qui fournit un faisceau suffisant pour la recherche nucléaire.

D'autres événements de cette période ont démontré les principes par lesquels les accélérateurs de particules chargées sont construites à ce jour. Les premières expériences réussies avec des ions artificiellement accélérés ont eu lieu Cockroft et Walton en 1932 à l'Université de Cambridge. En utilisant un multiplicateur de tension, les protons sont accélérés à 710 keV, et ont montré que ces derniers réagissent avec le lithium pour former deux particules alpha. En 1931, à l'Université de Princeton dans le New Jersey, Robert Van de Graaff ceinture électrostatique construit le premier générateur à haut potentiel. multiplicateur de tension Cockcroft-Walton générateurs et générateur de Van de Graaff est encore utilisé comme source d'énergie pour les accélérateurs.

Le principe de l'accélérateur linéaire de résonance a été démontré Rolf Widerøe en 1928. Le Rhin-Westphalie Université technique de Aachen, en Allemagne, il a utilisé une haute tension alternative pour accélérer les ions de sodium et de potassium à des énergies supérieures à deux fois pour leur dire. En 1931, dans le Ernest Etats-Unis Lourens et son assistant David Sloan de l'Université de Californie, Berkeley, a utilisé les champs à haute fréquence pour accélérer les ions de mercure à des énergies supérieures à 1,2 MeV. Ce travail est complété accélérateur de particules chargées lourdes Wideroe, mais les faisceaux d'ions ne sont pas utiles dans la recherche nucléaire.

accélérateur de résonance magnétique ou de cyclotron, a été conçu comme une modification de l'installation Lawrence Wideroe. Étudiant Lawrence Livingston a démontré le principe du cyclotron en 1931, ce qui rend les ions avec une énergie de 80 keV. En 1932, Lawrence et Livingston a annoncé l'accélération de protons jusqu'à plus de 1 MeV. Plus tard dans les années 1930, cyclotrons d'énergie ont atteint environ 25 MeV, et Van de Graaff – environ 4 MeV. En 1940, Donald Kerst, en appliquant les résultats des calculs minutieux de l'orbite de la structure magnétique, construit à l'Université de l'Illinois, le premier bêtatroniques, accélérateur d'électrons à induction magnétique.

Modern Physics: accélérateurs de particules

Après la Seconde Guerre mondiale il y avait des progrès rapides dans la science des particules à l'accélération des hautes énergies. Il a commencé à Edwin McMillan à Berkeley et Vladimir Veksler à Moscou. En 1945, ils sont tous deux indépendamment l'un de l'autre ont décrit le principe de la stabilité de phase. Ce concept offre un moyen pour maintenir les orbites stables des particules dans un accélérateur circulaire qui élimine les restrictions sur l'énergie des protons et a contribué à créer un accélérateur de résonance magnétiques (synchrotrons) pour les électrons. Autophasing, la mise en œuvre du principe de stabilité de phase, a été confirmée après la construction d'une petite synchrocyclotron à l'Université de Californie et en Angleterre synchrotrons. Peu après, le premier accélérateur linéaire de résonance de protons a été créé. Ce principe est utilisé dans tous les grands synchrotrons de protons construit depuis.

En 1947, William Hansen, à l'Université de Stanford en Californie, a construit le premier accélérateur linéaire d'électrons à l'onde progressive, qui a utilisé la technologie de micro-ondes qui a été mis au point pour le radar pendant la Seconde Guerre mondiale.

Les progrès dans l'étude a été rendue possible en augmentant l'énergie des protons, ce qui a conduit à la construction d'accélérateurs toujours plus grands. Cette tendance est d'anneau magnétique de coût de fabrication élevé énorme a été arrêté. Le plus grand pèse environ 40 000 tonnes. Les méthodes pour augmenter l'énergie sans croissance de la taille de la machine ont été sélectionnés dans environ 1952 godu Livingstone, et Snyder Courant une technique de se concentrer en alternance (parfois appelé la focalisation forte). Synchrotrons travaillant sur ce principe, utilisent des aimants 100 fois plus petit qu'auparavant. Une telle mise au point est utilisé dans tous les synchrotrons modernes.

En 1956, Kerst réalisé que si les deux ensembles de particules sont retenues sur des orbites se croisent, vous pouvez les regarder entrer en collision. L'application de cette idée nécessitait l'accumulation accélérée des faisceaux dans les cycles, appelé cumulatif. Cette technologie a atteint un maximum d'énergie de particules d'interaction.