Dalelių greitintuvas yra prietaisas, sukuriantis elektra įkrautų atominių ar subatominių dalelių, judančių beveik šviesos greičiu, spindulį. Jo darbas pagrįstas jų energijos padidėjimu elektriniu lauku ir trajektorijos pasikeitimu – magnetiniu.
Kam skirti dalelių greitintuvai?
Šie įrenginiai plačiai naudojami įvairiose mokslo ir pramonės srityse. Šiandien jų visame pasaulyje yra daugiau nei 30 tūkst. Fizikui dalelių greitintuvai yra įrankis fundamentiniams atomų sandaros, branduolinių jėgų prigimties ir gamtoje nepasitaikomų branduolių savybių tyrimams. Pastarieji apima transuraną ir kitus nestabilius elementus.
Išlydžio vamzdžio pagalba tapo įmanoma nustatyti konkretų krūvį. Dalelių greitintuvai taip pat naudojami radioizotopų gamyboje, pramoninėje radiografijoje, spindulinėje terapijoje, biologinių medžiagų sterilizavime ir radioaktyviosios anglies gamyboje.analizė. Didžiausios instaliacijos naudojamos fundamentinėms sąveikoms tirti.
Įkrautų dalelių gyvenimo trukmė ramybės būsenoje, palyginti su greitintuvu, yra trumpesnė nei dalelių, įsibėgėjusių iki šviesos greičio. Tai patvirtina SRT laiko intervalų reliatyvumą. Pavyzdžiui, CERN buvo pasiektas 29 kartus pailgėjęs miuonų gyvavimo laikas 0,9994c greičiu.
Šiame straipsnyje aptariama, kaip veikia dalelių greitintuvas, jo kūrimas, įvairūs tipai ir išskirtinės savybės.
Pagreičio principai
Nepriklausomai nuo to, kuriuos dalelių greitintuvus žinote, jie visi turi bendrų elementų. Pirma, jie visi turi turėti elektronų š altinį, jei tai yra televizijos kineskopas, arba elektronų, protonų ir jų antidalelių, jei įrenginiai yra didesni. Be to, jie visi turi turėti elektrinius laukus, kad paspartintų daleles, ir magnetinius laukus, kad galėtų valdyti jų trajektoriją. Be to, norint užtikrinti ilgą sijų tarnavimo laiką, būtinas vakuumas dalelių greitintuve (10-11 mm Hg), t. y. minimalus liekamojo oro kiekis. Ir galiausiai visuose įrenginiuose turi būti priemonės pagreitintoms dalelėms registruoti, skaičiuoti ir matuoti.
Karta
Elektronų ir protonų, kurie dažniausiai naudojami greitintuvuose, yra visose medžiagose, tačiau pirmiausia juos reikia nuo jų atskirti. Paprastai generuojami elektronaikaip ir kineskope – įtaise, vadinamame „pistoletu“. Tai katodas (neigiamas elektrodas) vakuume, kuris įkaitinamas iki taško, kuriame elektronai pradeda atitrūkti nuo atomų. Neigiamai įkrautos dalelės pritraukiamos prie anodo (teigiamojo elektrodo) ir praeina pro išleidimo angą. Pats pistoletas taip pat yra paprasčiausias greitintuvas, nes elektronai juda veikiami elektrinio lauko. Įtampa tarp katodo ir anodo paprastai yra 50–150 kV.
Be elektronų, visose medžiagose yra protonų, tačiau tik vandenilio atomų branduoliai susideda iš pavienių protonų. Todėl protonų greitintuvų dalelių š altinis yra dujinis vandenilis. Tokiu atveju dujos jonizuojamos ir pro skylę išbėga protonai. Dideliuose greitintuvuose protonai dažnai gaminami kaip neigiami vandenilio jonai. Tai atomai su papildomu elektronu, kurie yra dviatominių dujų jonizacijos produktas. Pradiniuose etapuose lengviau dirbti su neigiamo krūvio vandenilio jonais. Tada jie praleidžiami per ploną foliją, kuri atima iš jų elektronus prieš paskutinę pagreičio stadiją.
Pagreitis
Kaip veikia dalelių greitintuvai? Pagrindinis bet kurio iš jų bruožas yra elektrinis laukas. Paprasčiausias pavyzdys yra vienodas statinis laukas tarp teigiamų ir neigiamų elektrinių potencialų, panašus į tą, kuris yra tarp elektros akumuliatoriaus gnybtų. Tokioseneigiamą krūvį turintį elektroną veikia jėga, nukreipianti jį į teigiamą potencialą. Ji jį pagreitina, o jei niekas to netrukdo, jo greitis ir energija didėja. Elektronai, judantys link teigiamo potencialo laidoje ar net ore, susiduria su atomais ir praranda energiją, bet jei jie yra vakuume, artėdami prie anodo, jie pagreitėja.
Įtampa tarp pradinės ir galutinės elektrono padėties lemia jo gaunamą energiją. Judant per 1 V potencialų skirtumą, jis lygus 1 elektronvolui (eV). Tai atitinka 1,6 × 10-19 džaulių. Skraidančio uodo energija yra trilijoną kartų didesnė. Kineskope elektronai greitinami didesne nei 10 kV įtampa. Daugelis greitintuvų pasiekia daug didesnę energiją, išmatuotą mega-, giga- ir teraelektronvoltais.
Įvairūs
Kai kurie iš ankstyviausių dalelių greitintuvų tipų, pavyzdžiui, įtampos daugiklis ir Van de Graaff generatorius, naudojo pastovius elektrinius laukus, kuriuos generavo potencialas iki milijono voltų. Nelengva dirbti su tokia aukšta įtampa. Praktiškesnė alternatyva yra pasikartojantis silpnų elektrinių laukų, kuriuos sukuria mažas potencialas, veikimas. Šis principas naudojamas dviejų tipų šiuolaikiniuose greitintuvuose – tiesiniuose ir cikliniuose (daugiausia ciklotronuose ir sinchrotronuose). Trumpai tariant, linijiniai dalelių greitintuvai vieną kartą perduoda juos sekagreitinančius laukus, o cikliniame jie pakartotinai juda apskritimu per santykinai mažus elektrinius laukus. Abiem atvejais galutinė dalelių energija priklauso nuo bendro laukų poveikio, todėl daug mažų „smūgių“sudaro bendrą vieno didelio poveikio poveikį.
Pasikartojanti linijinio greitintuvo struktūra, sukurianti elektrinius laukus, natūraliai apima kintamosios srovės, o ne nuolatinės įtampos naudojimą. Teigiamai įkrautos dalelės paspartinamos link neigiamo potencialo ir įgauna naują impulsą, jei praeina pro teigiamą. Praktiškai įtampa turėtų keistis labai greitai. Pavyzdžiui, esant 1 MeV energijai, protonas skrieja labai dideliu – 0,46 šviesos greičio – greičiu, nuskriedamas 1,4 m per 0,01 ms. Tai reiškia, kad besikartojančiame kelių metrų ilgio elektriniai laukai turi keisti kryptį ne mažesniu kaip 100 MHz dažniu. Tiesiniai ir cikliniai įkrautų dalelių greitintuvai, kaip taisyklė, jas pagreitina naudodami kintamus elektrinius laukus, kurių dažnis nuo 100 iki 3000 MHz, t. y. nuo radijo bangų iki mikrobangų.
Elektromagnetinė banga yra kintamų elektrinių ir magnetinių laukų, kurie svyruoja vienas kitam statmenai, derinys. Pagrindinis greitintuvo dalykas yra sureguliuoti bangą taip, kad dalelei atvykus elektrinis laukas būtų nukreiptas pagal pagreičio vektorių. Tai galima padaryti naudojant stovinčią bangą – bangų, keliaujančių priešingomis kryptimis uždaru ciklu, derinį.erdvė, kaip garso bangos vargonų vamzdyje. Alternatyva labai greitai judantiems elektronams, artėjančiam prie šviesos greičio, yra keliaujanti banga.
Automatinis fazavimas
Svarbus efektas greitėjant kintamajame elektriniame lauke yra „autofazavimas“. Vieno svyravimų ciklo metu kintamasis laukas pereina nuo nulio per didžiausią reikšmę vėl iki nulio, nukrenta iki minimumo ir pakyla iki nulio. Taigi jis eina per vertę, reikalingą pagreitinti du kartus. Jei greitėjanti dalelė atkeliauja per anksti, tada jos nepaveiks pakankamai stiprus laukas, o stūmimas bus silpnas. Kai ji pasieks kitą atkarpą, ji vėluos ir patirs stipresnį poveikį. Dėl to įvyks automatinis fazavimas, dalelės bus fazėje su lauku kiekvienoje greitėjimo srityje. Kitas efektas būtų juos sugrupuoti į grupes, o ne į nuolatinį srautą.
Spindulio kryptis
Magnetiniai laukai taip pat atlieka svarbų vaidmenį įkrautų dalelių greitintuvo veikime, nes jie gali pakeisti savo judėjimo kryptį. Tai reiškia, kad jomis galima „sulenkti“sijas išilgai apskritimo, kad jos kelis kartus pereitų per tą pačią greitėjimo atkarpą. Paprasčiausiu atveju įelektrinta dalelė, judanti stačiu kampu vienodo magnetinio lauko krypčiai, veikiama jėga.statmenas ir jo poslinkio vektoriui, ir laukui. Dėl to spindulys juda apskrita trajektorija, statmena laukui, kol jis palieka savo veikimo sritį arba jį pradeda veikti kita jėga. Šis efektas naudojamas cikliniuose greitintuvuose, tokiuose kaip ciklotronas ir sinchrotronas. Ciklotrone pastovų lauką sukuria didelis magnetas. Dalelės, augant jų energijai, spirale sukasi į išorę, pagreitindamos kiekvieną apsisukimą. Sinchrotrone kekės juda aplink žiedą pastovaus spindulio, o aplink žiedą esančių elektromagnetų sukuriamas laukas didėja dalelėms įsibėgėjant. „Lenkiantys“magnetai yra dipoliai, kurių šiaurinis ir pietinis poliai sulenkti pasagos pavidalu, kad spindulys galėtų praeiti tarp jų.
Antra svarbi elektromagnetų funkcija – sutelkti spindulius, kad jie būtų kuo siauresni ir intensyvesni. Paprasčiausia fokusavimo magneto forma yra keturi poliai (du šiauriniai ir du pietiniai) vienas priešais kitą. Jie stumia daleles link centro viena kryptimi, bet leidžia joms sklisti statmena kryptimi. Keturpoliai magnetai fokusuoja spindulį horizontaliai, todėl vertikaliai jis gali būti nefokusuotas. Norėdami tai padaryti, jie turi būti naudojami poromis. Tikslesniam fokusavimui taip pat naudojami sudėtingesni magnetai su daugiau polių (6 ir 8).
Didėjant dalelių energijai, didėja jas vadovaujančio magnetinio lauko stiprumas. Tai išlaiko spindulį tame pačiame kelyje. Krešulys įvedamas į žiedą ir pagreitinamas ikireikalingos energijos, kad ją būtų galima išimti ir naudoti eksperimentams. Atitraukimas pasiekiamas naudojant elektromagnetus, kurie įsijungia ir išstumia daleles iš sinchrotrono žiedo.
Susidūrimas
Medicinoje ir pramonėje naudojami dalelių greitintuvai daugiausia gamina spindulį tam tikram tikslui, pavyzdžiui, spindulinei terapijai arba jonų implantavimui. Tai reiškia, kad dalelės naudojamos vieną kartą. Daugelį metų tas pats galiojo ir baziniuose tyrimuose naudojamiems greitintuvams. Tačiau aštuntajame dešimtmetyje buvo sukurti žiedai, kuriuose du spinduliai cirkuliuoja priešingomis kryptimis ir susiduria visoje grandinėje. Pagrindinis tokių įrenginių privalumas yra tas, kad kaktomušos susidūrimo metu dalelių energija tiesiogiai pereina į jų tarpusavio sąveikos energiją. Tai skiriasi nuo to, kas atsitinka, kai spindulys susiduria su medžiaga ramybės būsenoje: šiuo atveju didžioji dalis energijos sunaudojama tikslinei medžiagai pajudinti pagal impulso išsaugojimo principą.
Kai kurios susidūrimo sijos mašinos yra pagamintos su dviem žiedais, susikertančiais dviejose ar daugiau vietų, kuriuose to paties tipo dalelės cirkuliuoja priešingomis kryptimis. Dažniau naudojami greitintuvai su dalelėmis ir antidalelėmis. Antidalelė turi priešingą krūvį nei susijusi dalelė. Pavyzdžiui, pozitronas yra teigiamai įkrautas, o elektronas – neigiamai. Tai reiškia, kad laukas, kuris pagreitina elektroną, sulėtina pozitroną,juda ta pačia kryptimi. Bet jei pastarasis judės priešinga kryptimi, jis įsibėgės. Panašiai per magnetinį lauką judantis elektronas pasislinks į kairę, o pozitronas – į dešinę. Bet jei pozitronas juda link jo, tada jo kelias vis tiek nukryps į dešinę, bet išilgai tos pačios kreivės, kaip ir elektrono. Kartu tai reiškia, kad šios dalelės gali judėti išilgai sinchrotrono žiedo dėl tų pačių magnetų ir jas pagreitinti tie patys elektriniai laukai priešingomis kryptimis. Daugelis galingiausių susidūrimo sijų greitintuvų buvo sukurti pagal šį principą, nes reikia tik vieno akceleratoriaus žiedo.
Spindulys sinchrotrone nejuda nuolat, o yra sujungiamas į „gumstus“. Jie gali būti kelių centimetrų ilgio ir dešimtosios milimetro skersmens, juose gali būti apie 1012 dalelių. Tai mažas tankis, nes tokio dydžio medžiaga turi apie 1023 atomų. Todėl, kai spinduliai susikerta su artėjančiais spinduliais, yra tik maža tikimybė, kad dalelės sąveikaus viena su kita. Praktiškai kekės toliau juda žiedu ir vėl susitinka. Gilus vakuumas dalelių greitintuve (10-11 mmHg) reikalingas tam, kad dalelės galėtų daug valandų cirkuliuoti nesusidurdamos su oro molekulėmis. Todėl žiedai dar vadinami akumuliaciniais, nes ryšuliai juose iš tikrųjų laikomi kelias valandas.
Registruotis
Dažniausiai dalelių greitintuvai gali registruoti, kas nutinka kadakai dalelės atsitrenkia į taikinį ar kitą priešinga kryptimi judantį spindulį. Televizijos kineskope elektronai iš ginklo atsitrenkia į vidinį ekrano paviršių fosforą ir skleidžia šviesą, kuri taip atkuria perduodamą vaizdą. Greitintuvuose tokie specializuoti detektoriai reaguoja į išsklaidytas daleles, tačiau dažniausiai jie skirti generuoti elektrinius signalus, kuriuos galima paversti kompiuteriniais duomenimis ir analizuoti naudojant kompiuterines programas. Tik įkrauti elementai sukuria elektrinius signalus eidami per medžiagą, pavyzdžiui, jaudindami ar jonizuojančius atomus, ir juos galima aptikti tiesiogiai. Neutralios dalelės, pvz., neutronai ar fotonai, gali būti aptiktos netiesiogiai pagal įkrautų dalelių elgseną, kurias jie paleidžia.
Yra daug specializuotų detektorių. Kai kurie iš jų, pavyzdžiui, Geigerio skaitiklis, tiesiog skaičiuoja daleles, o kiti naudojami, pavyzdžiui, įrašyti pėdsakus, matuoti greitį ar matuoti energijos kiekį. Šiuolaikiniai detektoriai yra įvairių dydžių ir technologijų – nuo mažų su įkrovimu sujungtų prietaisų iki didelių laidais užpildytų dujomis užpildytų kamerų, kurios aptinka įkrautų dalelių sukurtus jonizuotus pėdsakus.
Istorija
Dalelių greitintuvai daugiausia buvo sukurti atomų branduolių ir elementariųjų dalelių savybėms tirti. Nuo 1919 m., kai britų fizikas Ernestas Rutherfordas atrado reakciją tarp azoto branduolio ir alfa dalelės, visi branduolinės fizikos tyrimai iki1932 m. buvo praleisti su helio branduoliais, išsiskiriančiais po natūralių radioaktyvių elementų irimo. Natūralių alfa dalelių kinetinė energija yra 8 MeV, tačiau Rutherfordas manė, kad norint stebėti sunkiųjų branduolių irimą, jos turi būti dirbtinai pagreitintos iki dar didesnių verčių. Tuo metu atrodė sunku. Tačiau 1928 m. Georgijaus Gamovo (Göttingeno universitete, Vokietijoje) atliktas skaičiavimas parodė, kad galima naudoti daug mažesnės energijos jonus, ir tai paskatino bandymus statyti objektą, kurio spindulys būtų pakankamas branduoliniams tyrimams.
Kiti šio laikotarpio įvykiai parodė principus, kuriais remiantis dalelių greitintuvai kuriami iki šiol. Pirmuosius sėkmingus eksperimentus su dirbtinai pagreitintais jonais 1932 metais Kembridžo universitete atliko Cockcroft ir W alton. Naudodami įtampos daugiklį, jie pagreitino protonus iki 710 keV ir parodė, kad pastarieji reaguoja su ličio branduoliu ir sudaro dvi alfa daleles. Iki 1931 m. Prinstono universitete Naujajame Džersyje Robertas van de Graaffas sukūrė pirmąjį didelio potencialo diržinį elektrostatinį generatorių. Cockcroft-W alton įtampos daugikliai ir Van de Graaff generatoriai vis dar naudojami kaip greitintuvų energijos š altiniai.
Tiesinio rezonansinio greitintuvo principą 1928 m. pademonstravo Rolfas Wideröe. Reino-Vestfalijos technologijos universitete Achene (Vokietija) jis naudojo aukštą kintamąją įtampą, kad natrio ir kalio jonus du kartus pagreitintų iki energijos.viršija jų praneštus. 1931 m. Jungtinėse Valstijose Ernestas Lawrence'as ir jo asistentas Davidas Sloanas iš Kalifornijos universiteto Berklyje panaudojo aukšto dažnio laukus, kad pagreitintų gyvsidabrio jonus iki energijos, viršijančios 1,2 MeV. Šis darbas papildė Wideröe sunkiųjų dalelių greitintuvą, tačiau jonų pluoštai nebuvo naudingi atliekant branduolinius tyrimus.
Magnetinio rezonanso greitintuvą arba ciklotroną Lawrence'as sumanė kaip Wideröe instaliacijos modifikaciją. Lawrence'o Livingstono mokinys 1931 m. pademonstravo ciklotrono principą, gamindamas 80 keV jonus. 1932 m. Lawrence'as ir Livingstonas paskelbė apie protonų pagreitį iki daugiau nei 1 MeV. Vėliau 1930-aisiais ciklotronų energija siekė apie 25 MeV, o Van de Graaff generatorių – apie 4 MeV. 1940 m. Donaldas Kerstas, taikydamas kruopštaus orbitos skaičiavimo rezultatus kurdamas magnetus, Ilinojaus universitete pastatė pirmąjį betatroną – magnetinės indukcijos elektronų greitintuvą.
Šiuolaikinė fizika: dalelių greitintuvai
Po Antrojo pasaulinio karo mokslas apie dalelių pagreitinimą iki didelės energijos padarė sparčią pažangą. Jį pradėjo Edvinas Macmillanas Berklyje ir Vladimiras Veksleris Maskvoje. 1945 m. abu jie savarankiškai aprašė fazės stabilumo principą. Ši koncepcija siūlo galimybę išlaikyti stabilias dalelių orbitas cikliniame greitintuve, kuri pašalino protonų energijos apribojimus ir leido sukurti magnetinio rezonanso greitintuvus (sinkrotronus) elektronams. Autofazavimas, fazių stabilumo principo įgyvendinimas, patvirtintas po statybosmažas sinchrociklotronas Kalifornijos universitete ir sinchrotronas Anglijoje. Netrukus po to buvo sukurtas pirmasis protonų tiesinio rezonanso greitintuvas. Šis principas buvo naudojamas visuose nuo tada sukurtuose dideliuose protonų sinchrotronuose.
1947 m. Williamas Hansenas iš Stanfordo universiteto Kalifornijoje, naudodamas mikrobangų technologiją, sukurtą radarams per Antrąjį pasaulinį karą, pastatė pirmąjį linijinės slenkančios bangos elektronų greitintuvą.
Tyrimų pažanga tapo įmanoma padidinus protonų energiją, todėl buvo sukurti vis didesni greitintuvai. Šią tendenciją sustabdė didelės didelių žiedinių magnetų gamybos sąnaudos. Didžiausias sveria apie 40 000 tonų. 1952 m. Livingstonas, Courantas ir Snyderis pademonstravo būdus, kaip padidinti energiją nedidinant mašinų dydžio, taikydami kintamo fokusavimo techniką (kartais vadinamą stipriu fokusavimu). Šiuo principu veikiantys sinchrotronai naudoja 100 kartų mažesnius magnetus nei anksčiau. Toks fokusavimas naudojamas visuose šiuolaikiniuose sinchrotronuose.
1956 m. Kerstas suprato, kad jei du dalelių rinkiniai būtų laikomi susikertančiose orbitose, būtų galima stebėti, kaip jie susiduria. Taikant šią idėją, reikėjo kaupti pagreitintus pluoštus ciklais, vadinamais saugojimu. Ši technologija leido pasiekti maksimalią dalelių sąveikos energiją.
