Ang particle accelerator ay isang device na lumilikha ng isang sinag ng mga atomic o subatomic na particle na may kuryente na gumagalaw sa halos liwanag na bilis. Ang gawain nito ay batay sa pagtaas ng kanilang enerhiya sa pamamagitan ng isang electric field at isang pagbabago sa trajectory - sa pamamagitan ng isang magnetic.
Para saan ang particle accelerators?
Ang mga device na ito ay malawakang ginagamit sa iba't ibang larangan ng agham at industriya. Ngayon, mayroong higit sa 30 libo sa kanila sa buong mundo. Para sa isang physicist, ang mga particle accelerator ay nagsisilbing kasangkapan para sa pangunahing pananaliksik sa istruktura ng mga atomo, ang kalikasan ng mga puwersang nuklear, at ang mga katangian ng nuclei na hindi nangyayari sa kalikasan. Kasama sa huli ang transuranium at iba pang hindi matatag na elemento.
Sa tulong ng isang discharge tube, naging posible upang matukoy ang partikular na singil. Ginagamit din ang mga particle accelerator sa paggawa ng radioisotopes, sa pang-industriyang radiography, sa radiation therapy, sa isterilisasyon ng mga biological na materyales, at sa radiocarbon.pagsusuri. Ginagamit ang pinakamalaking pag-install sa pag-aaral ng mga pangunahing pakikipag-ugnayan.
Ang haba ng buhay ng mga naka-charge na particle sa pahinga na nauugnay sa accelerator ay mas mababa kaysa sa mga particle na pinabilis sa bilis na malapit sa bilis ng liwanag. Kinukumpirma nito ang relativity ng mga agwat ng oras ng SRT. Halimbawa, sa CERN, nakamit ang 29 na beses na pagtaas sa buhay ng mga muon sa bilis na 0.9994c.
Tinatalakay ng artikulong ito kung paano gumagana ang particle accelerator, pagbuo nito, iba't ibang uri at natatanging tampok.
Mga Prinsipyo ng acceleration
Anumang mga particle accelerator ang alam mo, lahat sila ay may mga karaniwang elemento. Una, dapat silang lahat ay may pinagmumulan ng mga electron sa kaso ng isang kinescope sa telebisyon, o mga electron, proton, at ang kanilang mga antiparticle sa kaso ng mas malalaking instalasyon. Bilang karagdagan, dapat silang lahat ay may mga electric field upang mapabilis ang mga particle at magnetic field upang makontrol ang kanilang tilapon. Bilang karagdagan, ang vacuum sa particle accelerator (10-11 mm Hg), ibig sabihin, ang pinakamababang dami ng natitirang hangin, ay kinakailangan upang matiyak ang mahabang buhay ng mga beam. At, sa wakas, ang lahat ng mga pag-install ay dapat magkaroon ng paraan upang magrehistro, magbilang at sukatin ang mga pinabilis na particle.
Generation
Ang mga electron at proton, na kadalasang ginagamit sa mga accelerator, ay matatagpuan sa lahat ng materyales, ngunit kailangan munang ihiwalay ang mga ito sa mga ito. Ang mga electron ay karaniwang nabuotulad ng sa isang kinescope - sa isang aparato na tinatawag na "baril". Ito ay isang cathode (negatibong elektrod) sa isang vacuum, na pinainit hanggang sa punto kung saan ang mga electron ay nagsimulang humiwalay sa mga atomo. Ang mga negatibong sisingilin na mga particle ay naaakit sa anode (positibong elektrod) at dumaan sa labasan. Ang baril mismo ay din ang pinakasimpleng accelerator, dahil ang mga electron ay gumagalaw sa ilalim ng impluwensya ng isang electric field. Ang boltahe sa pagitan ng cathode at anode ay karaniwang nasa pagitan ng 50-150 kV.
Bilang karagdagan sa mga electron, ang lahat ng mga materyales ay naglalaman ng mga proton, ngunit ang nuclei lamang ng mga atomo ng hydrogen ay binubuo ng mga solong proton. Samakatuwid, ang pinagmumulan ng mga particle para sa mga proton accelerators ay gaseous hydrogen. Sa kasong ito, ang gas ay ionized at ang mga proton ay tumakas sa butas. Sa malalaking accelerators, ang mga proton ay kadalasang ginagawa bilang mga negatibong ion ng hydrogen. Ang mga ito ay mga atomo na may dagdag na elektron, na produkto ng ionization ng isang diatomic gas. Mas madaling magtrabaho kasama ang mga negatibong sisingilin na hydrogen ions sa mga unang yugto. Pagkatapos ay dadaan sila sa isang manipis na foil na nag-aalis sa kanila ng mga electron bago ang huling yugto ng acceleration.
Acceleration
Paano gumagana ang mga particle accelerators? Ang pangunahing tampok ng alinman sa mga ito ay ang electric field. Ang pinakasimpleng halimbawa ay isang pare-parehong static na field sa pagitan ng positibo at negatibong mga potensyal na elektrikal, katulad ng umiiral sa pagitan ng mga terminal ng isang de-koryenteng baterya. Sa ganoongfield, ang isang electron na may negatibong singil ay napapailalim sa isang puwersa na nagdidirekta nito patungo sa isang positibong potensyal. Pinapabilis niya siya, at kung walang makakapigil dito, tumataas ang kanyang bilis at enerhiya. Ang mga electron na lumilipat patungo sa isang positibong potensyal sa isang wire o maging sa hangin ay bumangga sa mga atom at nawawalan ng enerhiya, ngunit kung sila ay nasa vacuum, bumibilis ang mga ito habang papalapit sila sa anode.
Ang boltahe sa pagitan ng inisyal at panghuling posisyon ng isang electron ay tumutukoy sa enerhiyang nakukuha nito. Kapag gumagalaw sa isang potensyal na pagkakaiba ng 1 V, ito ay katumbas ng 1 electron volt (eV). Katumbas ito ng 1.6 × 10-19 joules. Ang enerhiya ng isang lumilipad na lamok ay isang trilyong beses na mas malaki. Sa isang kinescope, ang mga electron ay pinabilis ng isang boltahe na higit sa 10 kV. Maraming accelerators ang nakakakuha ng mas mataas na enerhiya, na sinusukat sa mega-, giga-, at teraelectronvolts.
Varieties
Ang ilan sa mga pinakaunang uri ng particle accelerators, gaya ng voltage multiplier at Van de Graaff generator, ay gumamit ng pare-parehong electric field na nabuo ng mga potensyal na hanggang sa isang milyong volt. Hindi madaling magtrabaho sa gayong mataas na boltahe. Ang isang mas praktikal na alternatibo ay ang paulit-ulit na pagkilos ng mahinang electric field na nabuo ng mababang potensyal. Ang prinsipyong ito ay ginagamit sa dalawang uri ng modernong accelerators - linear at cyclic (pangunahin sa cyclotrons at synchrotrons). Ang mga linear particle accelerators, sa madaling salita, ay ipinapasa ang mga ito nang isang beses sa isang sequenceaccelerating field, habang sa cyclic ay paulit-ulit silang gumagalaw sa isang pabilog na landas sa pamamagitan ng medyo maliliit na electric field. Sa parehong mga kaso, ang panghuling enerhiya ng mga particle ay nakasalalay sa pinagsamang epekto ng mga field, kaya maraming maliliit na "shock" ang nagdaragdag upang magbigay ng pinagsamang epekto ng isang malaki.
Ang paulit-ulit na istraktura ng isang linear accelerator upang lumikha ng mga electric field ay natural na kinabibilangan ng paggamit ng AC sa halip na DC boltahe. Ang mga partikulo na may positibong sisingilin ay pinabilis patungo sa negatibong potensyal at nakakakuha ng bagong impetus kung pumasa sila sa positibo. Sa pagsasagawa, ang boltahe ay dapat magbago nang napakabilis. Halimbawa, sa isang enerhiya na 1 MeV, ang isang proton ay naglalakbay sa napakataas na bilis na 0.46 ang bilis ng liwanag, na naglalakbay ng 1.4 m sa 0.01 ms. Nangangahulugan ito na sa paulit-ulit na pattern na ilang metro ang haba, ang mga electric field ay dapat magbago ng direksyon sa dalas na hindi bababa sa 100 MHz. Ang mga linear at cyclic accelerator ng mga naka-charge na particle, bilang panuntunan, ay nagpapabilis sa mga ito gamit ang mga alternating electric field na may frequency na 100 hanggang 3000 MHz, ibig sabihin, mula sa mga radio wave hanggang sa mga microwave.
Ang electromagnetic wave ay isang kumbinasyon ng mga alternating electric at magnetic field na nag-o-oscillate nang patayo sa isa't isa. Ang pangunahing punto ng accelerator ay upang ayusin ang alon upang kapag dumating ang particle, ang electric field ay nakadirekta alinsunod sa acceleration vector. Magagawa ito sa isang nakatayong alon - isang kumbinasyon ng mga alon na naglalakbay sa magkasalungat na direksyon sa isang closed loop.espasyo, tulad ng mga sound wave sa isang organ pipe. Ang isang alternatibo para sa napakabilis na gumagalaw na mga electron na lumalapit sa bilis ng liwanag ay isang naglalakbay na alon.
Autophasing
Ang isang mahalagang epekto kapag bumibilis sa isang alternating electric field ay "autophasing". Sa isang cycle ng oscillation, ang alternating field ay napupunta mula sa zero hanggang sa isang maximum na halaga muli sa zero, bumababa sa isang minimum at tumataas sa zero. Kaya dumaan ito sa halagang kailangan para mapabilis nang dalawang beses. Kung ang bumibilis na butil ay dumating nang masyadong maaga, kung gayon hindi ito maaapektuhan ng isang larangan na may sapat na lakas, at ang pagtulak ay magiging mahina. Kapag naabot niya ang susunod na seksyon, mahuhuli siya at makakaranas siya ng mas malakas na epekto. Bilang resulta, ang autophasing ay magaganap, ang mga particle ay magiging kasabay ng field sa bawat accelerating na rehiyon. Ang isa pang epekto ay ang pagkumpol ng mga ito sa paglipas ng panahon sa mga kumpol sa halip na isang tuluy-tuloy na stream.
Direksyon ng sinag
May mahalagang papel din ang mga magnetic field sa kung paano gumagana ang isang naka-charge na particle accelerator, dahil maaari nilang baguhin ang direksyon ng kanilang paggalaw. Nangangahulugan ito na maaari silang magamit upang "baluktot" ang mga beam sa isang pabilog na landas upang dumaan sila sa parehong accelerating na seksyon nang maraming beses. Sa pinakasimpleng kaso, ang isang naka-charge na particle na gumagalaw sa tamang mga anggulo sa direksyon ng isang pare-parehong magnetic field ay napapailalim sa isang puwersa.patayo pareho sa vector ng displacement nito at sa field. Nagdudulot ito ng paggalaw ng sinag sa isang pabilog na trajectory na patayo sa field hanggang sa umalis ito sa lugar ng pagkilos nito o ang isa pang puwersa ay nagsimulang kumilos dito. Ang epektong ito ay ginagamit sa mga cyclic accelerators tulad ng cyclotron at synchrotron. Sa isang cyclotron, ang isang pare-parehong field ay nabuo ng isang malaking magnet. Ang mga particle, habang lumalaki ang kanilang enerhiya, ay umiikot palabas, bumibilis sa bawat rebolusyon. Sa isang synchrotron, ang mga bungkos ay gumagalaw sa paligid ng isang singsing na may pare-parehong radius, at ang field na nilikha ng mga electromagnet sa paligid ng singsing ay tumataas habang bumibilis ang mga particle. Ang mga "baluktot" na magnet ay mga dipole na ang hilaga at timog na mga pole ay nakabaluktot sa hugis ng horseshoe upang ang sinag ay maaaring dumaan sa pagitan ng mga ito.
Ang pangalawang mahalagang function ng electromagnets ay ang pag-concentrate ng mga beam upang maging makitid at matindi ang mga ito hangga't maaari. Ang pinakasimpleng anyo ng isang focusing magnet ay may apat na pole (dalawang hilaga at dalawang timog) na magkatapat. Itinutulak nila ang mga particle patungo sa gitna sa isang direksyon, ngunit pinapayagan silang magpalaganap sa patayo na direksyon. Ang mga quadrupole magnet ay nakatutok sa beam nang pahalang, na nagbibigay-daan dito na mawala sa focus nang patayo. Upang gawin ito, dapat silang gamitin nang pares. Ginagamit din ang mas kumplikadong magnet na may mas maraming pole (6 at 8) para sa mas tumpak na pagtutok.
Habang tumataas ang enerhiya ng mga particle, tumataas ang lakas ng magnetic field na gumagabay sa kanila. Pinapanatili nito ang sinag sa parehong landas. Ang clot ay ipinakilala sa singsing at pinabilis sakinakailangang enerhiya bago ito mabawi at magamit sa mga eksperimento. Nakakamit ang pagbawi sa pamamagitan ng mga electromagnet na bumubukas para itulak ang mga particle palabas ng synchrotron ring.
Bangga
Particle accelerators na ginagamit sa medisina at industriya ay pangunahing gumagawa ng beam para sa isang partikular na layunin, gaya ng radiation therapy o ion implantation. Nangangahulugan ito na ang mga particle ay ginagamit nang isang beses. Para sa maraming taon, ang parehong ay totoo para sa mga accelerators na ginagamit sa pangunahing pananaliksik. Ngunit noong 1970s, ang mga singsing ay binuo kung saan ang dalawang beam ay umiikot sa magkasalungat na direksyon at nagbanggaan sa buong circuit. Ang pangunahing bentahe ng naturang mga pag-install ay na sa isang head-on collision, ang enerhiya ng mga particle ay direktang napupunta sa enerhiya ng pakikipag-ugnayan sa pagitan nila. Kabaligtaran ito sa kung ano ang nangyayari kapag ang sinag ay bumangga sa materyal na nakapahinga: sa kasong ito, ang karamihan sa enerhiya ay ginugugol sa pag-set ng target na materyal sa paggalaw, alinsunod sa prinsipyo ng konserbasyon ng momentum.
Ang ilang nagbabanggaan na beam machine ay binuo na may dalawang singsing na nagsasalubong sa dalawa o higit pang mga lugar, kung saan ang mga particle ng parehong uri ay umiikot sa magkasalungat na direksyon. Ang mga collider na may mga particle at antiparticle ay mas karaniwan. Ang isang antiparticle ay may kabaligtaran na singil ng nauugnay na particle nito. Halimbawa, ang isang positron ay positibong sisingilin, habang ang isang elektron ay negatibong sisingilin. Nangangahulugan ito na ang field na nagpapabilis sa electron ay nagpapabagal sa positron,gumagalaw sa parehong direksyon. Ngunit kung ang huli ay gumagalaw sa tapat na direksyon, ito ay magpapabilis. Katulad nito, ang isang electron na gumagalaw sa isang magnetic field ay yumuko sa kaliwa, at isang positron ay yumuko sa kanan. Ngunit kung ang positron ay gumagalaw patungo dito, ang landas nito ay lilihis pa rin sa kanan, ngunit kasama ang parehong kurba ng elektron. Magkasama, nangangahulugan ito na ang mga particle na ito ay maaaring gumalaw kasama ang synchrotron ring dahil sa parehong mga magnet at mapabilis ng parehong mga electric field sa magkasalungat na direksyon. Marami sa pinakamalakas na collider sa mga nagbabanggaan na beam ay nalikha ayon sa prinsipyong ito, dahil isang accelerator ring lang ang kailangan.
Ang sinag sa synchrotron ay hindi patuloy na gumagalaw, ngunit pinagsama sa "mga kumpol". Ang mga ito ay maaaring ilang sentimetro ang haba at ikasampu ng isang milimetro ang lapad, at naglalaman ng humigit-kumulang 1012 na particle. Ito ay isang maliit na density, dahil ang isang substance na ganito ang laki ay naglalaman ng humigit-kumulang 1023 atoms. Samakatuwid, kapag ang mga beam ay nagsalubong sa paparating na mga beam, mayroon lamang isang maliit na pagkakataon na ang mga particle ay nakikipag-ugnayan sa isa't isa. Sa pagsasagawa, ang mga bungkos ay patuloy na gumagalaw sa kahabaan ng singsing at muling nagkikita. Ang malalim na vacuum sa particle accelerator (10-11 mmHg) ay kinakailangan upang ang mga particle ay makapag-circulate nang maraming oras nang hindi bumabangga sa mga molekula ng hangin. Samakatuwid, ang mga singsing ay tinatawag ding accumulative, dahil ang mga bundle ay talagang nakaimbak sa mga ito nang ilang oras.
Magparehistro
Particle accelerators para sa karamihan ay maaaring magrehistro kung ano ang mangyayari kapagkapag ang mga particle ay tumama sa isang target o isa pang sinag na gumagalaw sa tapat na direksyon. Sa isang kinescope sa telebisyon, ang mga electron mula sa isang baril ay humahampas ng isang phosphor sa panloob na ibabaw ng screen at naglalabas ng liwanag, na sa gayon ay muling nililikha ang ipinadalang imahe. Sa mga accelerators, ang mga naturang espesyal na detektor ay tumutugon sa mga nakakalat na particle, ngunit ang mga ito ay karaniwang idinisenyo upang makabuo ng mga de-koryenteng signal na maaaring ma-convert sa data ng computer at masuri gamit ang mga programa sa computer. Tanging ang mga naka-charge na elemento lamang ang gumagawa ng mga de-koryenteng signal sa pamamagitan ng pagdaan sa isang materyal, halimbawa sa pamamagitan ng mga kapana-panabik o ionizing atoms, at maaaring direktang matukoy. Ang mga neutral na particle gaya ng mga neutron o photon ay maaaring matukoy nang hindi direkta sa pamamagitan ng pag-uugali ng mga naka-charge na particle na kanilang itinakda sa paggalaw.
Maraming mga dalubhasang detector. Ang ilan sa mga ito, tulad ng Geiger counter, ay nagbibilang lamang ng mga particle, habang ang iba ay ginagamit, halimbawa, upang mag-record ng mga track, sukatin ang bilis, o sukatin ang dami ng enerhiya. Ang mga modernong detector ay may iba't ibang laki at teknolohiya mula sa maliliit na charge-coupled na device hanggang sa malalaking wire-filled na gas-filled chamber na nagde-detect ng mga ionized trail na nilikha ng mga naka-charge na particle.
Kasaysayan
Ang
Particle accelerators ay pangunahing binuo upang pag-aralan ang mga katangian ng atomic nuclei at elementarya na mga particle. Mula sa pagtuklas ng reaksyon sa pagitan ng nitrogen nucleus at ng alpha particle ng British physicist na si Ernest Rutherford noong 1919, lahat ng pananaliksik sa nuclear physics hanggangAng 1932 ay ginugol sa helium nuclei na inilabas mula sa pagkabulok ng mga natural na radioactive na elemento. Ang mga natural na particle ng alpha ay may kinetic energy na 8 MeV, ngunit naniniwala si Rutherford na upang maobserbahan ang pagkabulok ng mabibigat na nuclei, dapat silang artipisyal na mapabilis sa mas malalaking halaga. Sa oras na iyon ay tila mahirap. Gayunpaman, ang isang pagkalkula na ginawa noong 1928 ni Georgy Gamow (sa Unibersidad ng Göttingen, Germany) ay nagpakita na ang mga ion na may mas mababang enerhiya ay maaaring gamitin, at ito ay nagpasigla sa mga pagtatangka na bumuo ng isang pasilidad na nagbibigay ng sapat na sinag para sa nuclear research.
Iba pang mga kaganapan sa panahong ito ay nagpakita ng mga prinsipyo kung saan ang mga particle accelerator ay binuo hanggang sa araw na ito. Ang unang matagumpay na mga eksperimento na may artipisyal na pinabilis na mga ion ay isinagawa nina Cockcroft at W alton noong 1932 sa Unibersidad ng Cambridge. Gamit ang isang boltahe multiplier, pinabilis nila ang mga proton sa 710 keV at ipinakita na ang huli ay tumutugon sa lithium nucleus upang bumuo ng dalawang alpha particle. Noong 1931, sa Princeton University sa New Jersey, itinayo ni Robert van de Graaff ang unang high potential belt electrostatic generator. Ginagamit pa rin ang Cockcroft-W alton voltage multiplier at Van de Graaff generator bilang power source para sa mga accelerators.
Ang prinsipyo ng isang linear resonant accelerator ay ipinakita ni Rolf Wideröe noong 1928. Sa Rhine-Westphalian University of Technology sa Aachen, Germany, gumamit siya ng mataas na alternating voltage upang pabilisin ang sodium at potassium ions sa mga energies nang dalawang beseslampas sa mga iniulat nila. Noong 1931 sa Estados Unidos, si Ernest Lawrence at ang kanyang assistant na si David Sloan ng Unibersidad ng California, Berkeley ay gumamit ng mga high frequency field upang mapabilis ang mga mercury ions sa mga enerhiya na higit sa 1.2 MeV. Dinagdagan ng gawaing ito ang Wideröe heavy particle accelerator, ngunit ang mga ion beam ay hindi kapaki-pakinabang sa nuclear research.
Ang magnetic resonant accelerator, o cyclotron, ay inisip ni Lawrence bilang pagbabago ng pag-install ng Wideröe. Ipinakita ng estudyante ni Lawrence Livingston ang prinsipyo ng cyclotron noong 1931 sa pamamagitan ng paggawa ng 80 keV ions. Noong 1932, inihayag nina Lawrence at Livingston ang pagbilis ng mga proton sa higit sa 1 MeV. Nang maglaon noong 1930s, ang enerhiya ng mga cyclotron ay umabot sa humigit-kumulang 25 MeV, at ang enerhiya ng mga generator ng Van de Graaff ay umabot sa halos 4 na MeV. Noong 1940, si Donald Kerst, na inilapat ang mga resulta ng maingat na pagkalkula ng orbital sa disenyo ng mga magnet, ay nagtayo ng unang betatron, isang magnetic induction electron accelerator, sa Unibersidad ng Illinois.
Modernong pisika: particle accelerators
Pagkatapos ng Ikalawang Digmaang Pandaigdig, mabilis na umunlad ang agham ng pagpapabilis ng mga particle sa matataas na enerhiya. Sinimulan ito ni Edwin Macmillan sa Berkeley at Vladimir Veksler sa Moscow. Noong 1945, pareho silang independiyenteng inilarawan ang prinsipyo ng katatagan ng bahagi. Ang konseptong ito ay nag-aalok ng isang paraan ng pagpapanatili ng matatag na mga orbit ng particle sa isang cyclic accelerator, na nag-alis ng limitasyon sa enerhiya ng mga proton at naging posible na lumikha ng magnetic resonance accelerators (syncrotrons) para sa mga electron. Autophasing, ang pagpapatupad ng prinsipyo ng phase stability, ay nakumpirma pagkatapos ng konstruksiyonisang maliit na synchrocyclotron sa Unibersidad ng California at isang synchrotron sa England. Di-nagtagal pagkatapos noon, nilikha ang unang proton linear resonant accelerator. Ang prinsipyong ito ay ginamit sa lahat ng malalaking proton synchrotron na binuo mula noon.
Noong 1947, binuo ni William Hansen, sa Stanford University sa California, ang unang linear travelling wave electron accelerator gamit ang microwave technology na binuo para sa radar noong World War II.
Naging posible ang pag-unlad sa pananaliksik sa pamamagitan ng pagtaas ng enerhiya ng mga proton, na humantong sa pagbuo ng mas malalaking accelerators. Ang trend na ito ay napigilan ng mataas na halaga ng paggawa ng malalaking ring magnet. Ang pinakamalaki ay tumitimbang ng halos 40,000 tonelada. Ang mga paraan upang madagdagan ang enerhiya nang hindi tumataas ang laki ng mga makina ay ipinakita noong 1952 nina Livingston, Courant at Snyder sa pamamaraan ng alternating focusing (minsan tinatawag na strong focusing). Ang mga synchrotron batay sa prinsipyong ito ay gumagamit ng mga magnet na 100 beses na mas maliit kaysa dati. Ang ganitong pagtutok ay ginagamit sa lahat ng modernong synchrotron.
Noong 1956, napagtanto ni Kerst na kung ang dalawang hanay ng mga particle ay pinananatili sa mga intersecting na orbit, maaaring maobserbahan ang mga ito na nagbabanggaan. Ang aplikasyon ng ideyang ito ay nangangailangan ng akumulasyon ng pinabilis na mga sinag sa mga siklo na tinatawag na imbakan. Ginawang posible ng teknolohiyang ito na makamit ang maximum na enerhiya ng pakikipag-ugnayan ng mga particle.
