FormationVidenskab

Lineære acceleratorer af ladede partikler. Som partikelacceleratorer arbejde. Hvorfor partikelacceleratorer?

Acceleratoren af ladede partikler - en indretning, hvor en stråle af elektrisk ladede atomare eller subatomare partikler bevæger sig næsten hastigheden. Grundlaget for hans arbejde er nødvendig stigning deres energi ved et elektrisk felt og ændre bane - magnetisk.

Hvad er partikelacceleratorer?

Disse enheder er meget udbredt i forskellige områder inden for videnskab og industri. Til dato, på verdensplan er der mere end 30 tusind. For fysikken af ladede partikelacceleratorer tjene som et redskab for grundforskning på strukturen af atomer, arten af nukleare styrker og nukleare egenskaber, som ikke forekommer naturligt. Sidstnævnte omfatter transuran og andre ustabile elementer.

Hvor udløbsrøret er blevet muligt at bestemme den specifikke ladning. Ladede partikelacceleratorer anvendes også til fremstilling af radioisotoper, i industriel radiografi, strålebehandling, til sterilisering af biologiske materialer, og i kulstof-analyse. De største enheder er anvendt i undersøgelsen af de grundlæggende interaktioner.

Levetiden af de ladede partikler i hvile i forhold til acceleratoren er mindre end den for partiklerne accelereres til hastigheder tæt på lysets hastighed. Dette bekræfter den relativt lille mængde af tid stationer. For eksempel ved CERN er opnået en stigning i levetid muonen 0,9994c hastighed 29 gange.

Denne artikel ser på, hvad der i og arbejder partikelaccelerator, dens udvikling, forskellige typer og forskellige funktioner.

acceleration principper

Uanset hvilken form for ladede partikelacceleratorer du ved, de alle har fælles elementer. For det første skal de have en kilde af elektroner i tilfælde af et tv-billedrør eller elektroner, protoner og deres antipartikler i tilfælde af større installationer. Desuden skal de alle have elektriske felter til at fremskynde partikler og magnetiske felter til at styre deres bane. Desuden vakuummet i den ladede partikel acceleratoren (10 -11 mm Hg. V.), M. E. En minimumsmængde af resterende luft, der kræves for at sikre lang levetid bjælker. Endelig skal alle installationer har registrering midler, optællingen og måling af de accelererede partikler.

generation

Elektroner og protoner, som er mest almindeligt anvendt i acceleratorer, findes i alle de materialer, men først skal de vælge dem. Elektroner typisk genereres på samme måde som i billedrøret - i en indretning, som kaldes en "kanon". Det er en katode (negativ elektrode) i vakuum, som opvarmes til en tilstand, hvor elektroner begynder at komme ud atomerne. Negativt ladede partikler tiltrækkes til anoden (positiv elektrode) og passerer gennem udløbet. Pistolen selv er enkleste som speederen fordi elektronerne bevæger under indflydelse af et elektrisk felt. Spændingen mellem katoden og anoden, typisk i området 50-150 kV.

Bortset fra elektroner i alle materialer indeholdt protoner, men kun en enkelt proton kerne bestående af hydrogenatomer. Derfor partiklen kilde til proton acceleratorer er hydrogengas. I dette tilfælde bliver gassen ioniseres og protonerne er placeret gennemgående hul. I store acceleratorer protoner dannes ofte i form af negative hydrogenioner. De repræsenterer en yderligere elektron fra atomer, som er produktet af en toatomigt gas ionisering. Idet de negativt ladede hydrogenioner i de indledende faser af arbejdet lettere. Derefter de passerer gennem en tynd folie, som fratager dem elektroner før den afsluttende fase af acceleration.

acceleration

Som partikelacceleratorer arbejde? Et centralt element i dem alle er det elektriske felt. Den enkleste eksempel - den ensartede statiske felt mellem de positive og negative elektriske potentialer, der svarer til den, der findes mellem terminalerne på det elektriske batteri. Dette elektron felt bærer en negativ ladning er udsat for en kraft, der dirigerer det til et positivt potentiale. Den accelererer det, og hvis der er noget, der ville stå i vejen, hans hurtighed og effektforøgelse. Elektroner bevæger sig mod det positive potentiale på wiren eller i luften, og kolliderer med atomerne mister energi, men hvis de er placeret i vakuum, derefter accelereres, når de nærmer anoden.

Spændinger mellem start og slut position af elektron definerer købt dem energi. Ved flytning gennem en spændingsforskel på 1 V er lig med 1 elektron-volt (eV). Det svarer til 1,6 × 10 -19 joule. Energien af en flyvende myg billion gange mere. I billedrøret elektroner accelereres spænding over 10 kV. Mange acceleratorer nå meget højere energier målte mega, giga og tera-elektronvolt.

arter

Nogle af de tidligste former for partikelacceleratorer, såsom spænding multiplikator og generatoren Van de Graaff-generator, ved anvendelse af en konstant elektrisk felt genereret af potentialerne på op til en million volt. Med sådanne høje spændinger arbejde let. En mere praktisk alternativ er gentagen aktivering af svage elektriske felter, der frembringes lave potentialer. Dette princip er anvendt i de to typer moderne acceleratorer - lineære og cykliske (især cyklotroner og synkrotroner). Lineære partikelacceleratorer, kort sagt, passerede dem én gang gennem sekvensen af accelererende felter, mens de cyklisk mange gange de bevæger sig i en cirkulær bane gennem den relativt lille elektrisk felt. I begge tilfælde er den endelige energi af partiklerne afhænger af den totale aktionsområde, således at mange små "bump" lægges sammen for at give den kombinerede virkning af en enkelt stor.

Den repetitive struktur af en lineær accelerator til at generere elektriske felter på en naturlig måde er at bruge AC, ikke DC. De positivt ladede partikler accelereres til den negative potentiale og få nye impulser, hvis passere positiv. I praksis skal spændingen ændres meget hurtigt. For eksempel ved en energi på 1 MeV proton bevæger sig med meget høj hastighed er lysets hastighed på 0,46, passerer 1,4 m på 0,01 ms. Det betyder, at i den gentagende struktur af nogle få meter lang, skal de elektriske felter ændre retning ved en frekvens på mindst 100 MHz. Lineære og cykliske acceleratorer partikler sædvanligvis dispergere dem med det skiftende elektriske felt frekvenser fra 100 MHz til 3000, t. E. I området fra radiobølger for mikrobølger.

Den elektromagnetiske bølge er en kombination af oscillerende elektriske og magnetfelter vinkelret på hinanden. Det centrale punkt er at justere accelerator bølge således at der ved ankomsten af partiklerne det elektriske felt er rettet i overensstemmelse med accelerationsvektoren. Dette kan gøres ved hjælp af en løbende bølge - kombinationen af bølger rejser i modsatte retninger i et lukket rum, lydbølgerne i orgel. En alternativ udførelsesform for hurtigt bevægelige elektroner, hvis hastigheder nærmer lysets hastighed et vandrebølgerør.

autophasing

En vigtig virkning af accelerationen i et alternerende elektrisk felt er en "fase stabilitet". I én oscillationscyklus vekselfelt passerer gennem nul fra den maksimale værdi tilbage til nul, det falder til et minimum og stiger til nul. Således, passerer to gange gennem værdi kræves til acceleration. Hvis en partikel, hvis hastighed stiger, kommer for tidligt, vil det ikke fungere et felt af tilstrækkelig styrke, og push vil være svag. Når den når det næste område, testen sent og mere indflydelse. Som opstår et resultat, selv-udfasning vil partiklerne være i fase med hvert felt i den accelererende region. En anden virkning er at gruppere dem i tid til dannelse af en blodprop i stedet for en kontinuerlig strøm.

Retningen af strålen

En vigtig rolle i, hvordan de arbejder og partikelaccelerator, spille og magnetiske felter, da de kan ændre retningen af deres bevægelse. Dette betyder, at de kan anvendes til "bøjning" af strålen i en cirkulær bane, så de gentagne gange passeret gennem samme accelererende sektion. I det enkleste tilfælde, på en ladet partikel bevæger sig i en ret vinkel i forhold til retningen af det homogene magnetfelt, en kraft vektor vinkelret på både af dens bevægelse, og til feltet. Dette bevirker, at strålen bevæger sig i en cirkulær bane vinkelret på banen, indtil det kommer ud af sit virkefelt eller anden kraft begynder at virke på den. Denne effekt anvendes i cykliske acceleratorer, såsom en synkrotron og cyklotron. I en cyklotron, er det konstante område produceres af et stort magnet. Partikler med stigende af deres energi bevæger spiralformet udad accelereret med hver omdrejning. Synkrotrondataene blodpropper flytte rundt i ringen med en konstant radius, og feltet genereret af elektromagneter omkring ringen øges, når partiklerne accelereres. Magneterne leverer "bøjning", repræsenterer dipoler med nord- og sydpoler, bøjet i form som en hestesko således at bjælken kan passere derimellem.

Den anden vigtig funktion af elektromagneter er at fokusere strålerne, så de er så smalle og intens som muligt. Den enkleste form for en fokusering magnet - med fire poler (to nordlige og to sydlige) placeret overfor hinanden. De skubbe partiklerne til centrum i en retning, men tillader dem at blive fordelt i den vinkelrette. Kvadrupol magneter fokusere strålen vandret, at lade ham gå ud af fokus lodret. For at gøre dette, skal de bruges i par. For en mere præcis fokusering bruges også mere sofistikerede magneter med et stort antal poler (6 og 8).

Da energien af partikel stiger, styrken af det magnetiske felt, lede dem stiger. Dette holder strålen på samme bane. Ostemassen indføres i ringen og accelereres til en ønsket energi, før den kan hæves og anvendt i eksperimenter. Tilbagetrækning opnås ved elektromagneter, som bliver aktiveret til at skubbe partiklerne fra synkrotron ring.

kollision

Ladede partikelacceleratorer anvendes inden for medicin og industri, primært producerer en stråle til et bestemt formål, for eksempel bestråling eller ionimplantering. Dette betyder, at partiklerne anvendt en gang. Det samme var tilfældet for acceleratorer, der anvendes i grundforskning i mange år. Men ringene blev udviklet i 1970, hvor to bjælker cirkulerer i modsatte retninger og kolliderer rundt i kredsløbet. Den største fordel ved sådanne systemer er, at i en frontal kollision energi af partikler går direkte til interaktionsenergi mellem dem. Dette står i kontrast med hvad der sker, når strålen kolliderer med et stationært billeder, i hvilket tilfælde det meste af energien går til reduktion af målet materiale i bevægelse, i overensstemmelse med princippet om bevarelse af impuls.

Nogle maskiner med kolliderende stråler er konstrueret med to ringe, skærer i to eller flere steder, hvori cirkulerede i modsatte retninger, partiklerne af samme type. Mere almindeligt collider partikel-antipartikel. Antipartikel har den modsatte ladning af de associerede partikler. For eksempel positron, er positivt ladet, og elektroner - negativt. Det betyder, at et felt, der accelererer elektroner, den positron bremser, bevæger sig i samme retning. Men hvis denne bevæger sig i den modsatte retning, vil det accelerere. Ligeledes en elektron bevæger sig gennem et magnetfelt vil kurve til venstre, og den positron - højre. Men hvis positron bevæger sig fremad, så hans vej vil fortsætte med at afvige til højre, men på den samme kurve som den elektron. Det betyder imidlertid, at partiklerne kan bevæge sig gennem ringen af synkrotrondataene samme magneter og accelereres af de samme elektriske felter i modsatte retninger. På dette princip skabte mange kraftfulde colliders kolliderer bjælker, t. Til. Den kræver kun en ring accelerator.

Beam i synkrotronen ikke bevæger sig kontinuerligt og integreret i "klumper". De kan være flere centimeter i længden og en tiendedel millimeter i diameter, og omfatter omkring 12 oktober partikler. Denne lav densitet, fordi størrelsen af et sådant materiale indeholder omkring 23 oktober atomer. Derfor, når et kolliderende stråler krydser hinanden, er der kun en lille sandsynlighed for, at partiklerne vil reagere med hinanden. I praksis blodpropper fortsætter med at bevæge sig rundt i ringen og mødes igen. Højvakuum i acceleratoren af ladede partikler (10 -11 mm Hg. V.) er nødvendig for at partiklerne kan cirkulere i mange timer uden kollisioner med luftmolekyler. Derfor er ringen også kaldet kumulative, fordi bjælker faktisk lagret deri i flere timer.

registrering

Ladede partikelacceleratorer i flertallet kan registrere forekommer, når partiklerne rammer målet eller den anden stråle, der bevæger sig i den modsatte retning. I et tv-billedrør, at elektroner fra pistolen ramme fosfor skærmen på indersiden og udsender lys, som derved genskaber det overførte billede. I acceleratorer sådanne specialiserede detektorer reagerer på spredte partikler, men de er normalt designet til at skabe elektriske signaler, der kan konverteres til computerdata og analyseres ved anvendelse af computerprogrammer. Kun opkræves elementer frembringer elektriske signaler, der passerer gennem materialet, for eksempel ved ionisering eller ekscitation af atomer, og kan påvises direkte. De neutrale partikler, såsom neutroner eller fotoner kan detekteres indirekte gennem adfærd af ladede partikler, at de er i bevægelse.

Der er mange specialiserede detektorer. Nogle af dem, såsom en geigertæller, en partikel Stillingen og andre anvendelser, fx til registreringsspor eller hastighedsmåling af energi. Moderne detektorer i størrelse og teknologi, kan variere fra små ladningskoblede indretninger til store gasfyldte kamre med ledninger, som detekterer ioniseret spor produceret af ladede partikler.

historie

Ladede partikelacceleratorer primært udviklet til undersøgelser af egenskaberne af atomkerner og elementarpartikler. Siden åbningen af den britiske fysiker Ernest Rutherford i 1919, omsætningen af kvælstof kerne og en alfa partikel, blev al den forskning på området for nuklear fysik til 1932 udføres med helium kerner, der frigives ved nedbrydning af naturlige radioaktive grundstoffer. Naturlige a-partikler har en kinetisk energi på 8 MeV, men Rutherford mente, at de skal være kunstigt accelereret til endnu højere værdier for overvågning af henfald af tunge kerner. På det tidspunkt virkede det svært. Men beregningen i 1928 af, Georgiem Gamovym (ved University of Gottingen, Tyskland), viste, at ionerne kan anvendes ved meget lavere energier, og det har stimuleret forsøg på at bygge et anlæg, der tilvejebringer en stråle tilstrækkelig for Nuclear Research.

Andre begivenheder fra denne periode viste de principper, som de ladede partikelacceleratorer er bygget til denne dag. blev afholdt den første vellykkede forsøg med kunstigt accelererede ioner Cockroft og Walton i 1932 på Cambridge University. Ved anvendelse af en spænding multiplikator, er protoner accelereret til 710 keV, og viste at sidstnævnte reagerer med lithium til dannelse af to alfapartikler. I 1931, på Princeton University i New Jersey, Robert Van de Graaff elektrostatisk bælte byggede den første high-potentielle generator. Spænding multiplikator Cockcroft-Walton generatorer og Van de Graaff generator bruges stadig som energikilder til acceleratorer.

Princippet om lineære resonant accelerator blev demonstreret Rolf Widerøe i 1928. Rhein-westfalske Tekniske Universitet i Aachen, Tyskland, brugte han en høj vekselspænding til at accelerere natrium- og kaliumioner til energier på over to gange for at fortælle dem. I 1931 i USA Ernest Lourens og hans assistent David Sloan fra University of California, Berkeley, brugte de højfrekvente felter til at accelerere kviksølv-ioner til energier større end 1,2 MeV. Dette arbejde suppleres accelerator af tunge ladede partikler Wideroe, men ionstrålerne er ikke nyttige i nuklear forskning.

Magnetisk resonans accelerator eller cyklotron, blev udtænkt som en modifikation af Lawrence Wideroe installation. Student Lawrence Livingston demonstrerede princippet cyklotronen i 1931, hvilket gør ionerne med en energi på 80 keV. I 1932, Lawrence og Livingston annoncerede acceleration af protoner op til mere end 1 MeV. Senere i 1930'erne, energi cyklotroner nåede omkring 25 MeV, og Van de Graaff - omkring 4 MeV. I 1940, Donald Kerst, at anvende resultaterne fra omhyggelige beregninger af kredsløb til magneten struktur, bygget på University of Illinois, den første betatron, magnetisk induktion elektronaccelerator.

Moderne fysik: partikelacceleratorer

Efter Anden Verdenskrig var der hurtige fremskridt i videnskaben om at accelerere partikler til høje energier. Det begyndte Edwin McMillan på Berkeley og Vladimir Veksler i Moskva. I 1945, de er begge uafhængigt af hinanden har beskrevet princippet om fasestabilitet. Giver dette koncept et middel til at opretholde de stabile baner partiklerne i en cirkulær accelerator, der fjernede begrænsning af proton energi og bidraget til at skabe et magnetisk resonans-acceleratorer (synkrotroner) for elektroner. Autophasing, gennemførelse af princippet om fase stabilitet, blev bekræftet efter opførelsen af en lille synchrocyclotron ved University of California og synkrotron i England. Kort tid derefter blev den første proton lineære resonant accelerator oprettet. Dette princip anvendes i alle større proton synkrotroner bygget siden da.

I 1947, William Hansen, på Stanford University i Californien, byggede den første elektron lineære accelerator på det omrejsende bølge, som brugte mikrobølge teknologi, som er udviklet til radar under Anden Verdenskrig.

blev muliggjort fremskridt i undersøgelsen ved at øge proton energi, som førte til opførelsen af stadig større acceleratorer. Denne tendens er af høj fremstillingspris kæmpe magnet ring er blevet stoppet. Den største vejer omkring 40.000 tons. Fremgangsmåder til forøgelse af energi uden maskinstørrelse vækst blev screenet i omkring 1952 GODU Livingstone, Courant og Snyder en teknik til alternerende fokusering (undertiden kaldet stærk fokusering). Synkrotroner arbejder på dette princip, bruge magneter 100 gange mindre end før. En sådan fokusering anvendes i alle moderne synkrotroner.

I 1956 Kerst indså, at hvis de to sæt partikler tilbageholdes på krydsende baner, kan du se dem kollidere. Anvendelsen af denne idé krævede akkumulationskontiene accelereret bjælker i cyklusser, kaldet kumulative. Denne teknologi har opnået en maksimal energi af interaktion partikler.

Similar articles

 

 

 

 

Trending Now

 

 

 

 

Newest

Copyright © 2018 da.unansea.com. Theme powered by WordPress.