Ittiham hissəciklər Xətti sürətləndiriciləri. hissəcik sürətləndiriciləri iş kimi. Niyə hissəcik sürətləndiriciləri?

ittiham hissəciklər sürətləndirici - bir cihaz orada təxminən sürətlə səyahət elektrik ittiham atom və ya subatomic hissəciklər bir şüa. onun iş əsasında zəruri artım onların var elektrik sahəsində enerji və trajectory dəyişdirmək - maqnit.

hissəcik sürətləndiriciləri hansılardır?

Bu cihazlar geniş elm və sənayenin müxtəlif sahələrində istifadə olunur. Tarix üçün, dünyada çox 30 min var. ittiham hissəcik sürətləndiriciləri fizika üçün atomları strukturu, təbii baş vermir nüvə qüvvələri və nüvə xassələri, xarakterindən əsas tədqiqat bir vasitə kimi xidmət edir. sonuncu transuranic və digər qeyri-sabit elementləri daxildir.

axıdılması boru mümkün olmuşdur ilə xüsusi ittiham müəyyən etmək. Ittiham hissəcik sürətləndiriciləri də bioloji materialların sterilizasiyası üçün, sənaye rentgenoqrafiya, radioterapiya ilə, radioaktiv izotoplar istehsalı üçün istifadə olunur radiokarbon analizi. böyük ədəd fundamental qarşılıqlı öyrənilməsində istifadə olunur.

sürətləndirici ilə əlaqədar istirahət ittiham hissəciklər boyu yaxın sürətlə sürət hissəciklər daha kiçik işıq sürəti. Bu dəfə stansiyalarının nisbətən kiçik məbləğ təsdiqləyir. Məsələn, CERN muon 0,9994c sürəti 29 dəfə ömür boyu artım əldə edilmişdir.

Bu yazı daxili və hissəcik sürətləndirici, onun inkişafı, müxtəlif növ və müxtəlif xüsusiyyətləri iş nə baxır.

sürətləndirilməsi prinsipləri

Asılı olmayaraq Bildiyiniz ittiham hissəcik sürətləndiriciləri hansı, onlar bütün ümumi elementləri var. Birincisi, onlar bir televiziya şəkil boru və ya elektron, proton və böyük qurğuların halda onların antiparticles halda elektronların mənbəyi olmalıdır. Bundan başqa, onlar bütün trajectory nəzarət hissəciklər və maqnit sürətləndirmək üçün elektrik sahələri olmalıdır. Bundan əlavə, ittiham hissəcik sürətləndirici vakuum (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. qalıq hava minimum miqdarı, uzun həyat vaxt şüaları təmin etmək tələb olunur. Nəhayət, bütün qurğular qeydiyyat vasitələrdən, sürət hissəciklər hesablanması və ölçülməsi olmalıdır.

nəsil

ən çox sürətləndiriciləri istifadə olunur elektron və protonlar, bütün materiallar aşkar, lakin ilk onlardan seçmelisiniz. Elektronlar adətən şəkil boru kimi eyni şəkildə yaradılan - bir "gun" adlı bir cihaz. Bu elektron atomları off gəlmək başlamaq yerləşir dövlət qızdırılır vakuum, bir elektron (mənfi elektrod) təşkil edir. Mənfi ittiham hissəciklər anod (müsbət elektrod) cəlb və çıxış keçir olunur. elektronlar elektrik sahəsinin təsiri altında hərəkət edir, çünki gun özü sürətləndirici kimi sadə deyil. adətən sıra 50-150 kV-ci ildə elektron və anod arasında gərginlik.

Bundan başqa, bütün materiallar elektronların proton olan, lakin yalnız bir proton nüvə hidrogen atomları ibarətdir. Buna görə də, proton sürətləndiricilər üçün hissəcik mənbəyidir hidrogen qaz. Bu halda, qaz ionlu və protonlar deşik vasitəsilə yerləşir. böyük sürətləndiriciləri ildə proton tez-tez mənfi hidrogen ionlarının şəklində formalaşır. Onlar iki atomlu qaz ionlaşma məhsuludur atomları bir əlavə elektron təmsil edir. iş daha asan ilkin mərhələdə mənfi ittiham hidrogen ionlarının edir. Sonra onlar sürətləndirilməsi final mərhələsinin əvvəl elektronların onları məhrum bir nazik folqa, keçir.

təcil

hissəcik sürətləndiriciləri iş kimi? onların hamısı əsas xüsusiyyət elektrik sahədir. Ən sadə misal - elektrik batareyası terminalları arasında mövcud olan oxşar müsbət və mənfi elektrik potensialı arasında vahid statik sahə. mənfi ittiham daşıyan bu elektron sahədə müsbət potensialı onu istiqamətləndirir bir qüvvə məruz qalır. Onu sürətləndirir və yol, onun sürəti və güc artımı durmaq ki, bir şey varsa. tel və ya hava müsbət potensialı doğru hərəkət Elektronlar, və atomları enerji itirmək ilə toqquşmaq, onlar vacuo yerləşir, onda onlar anod yanaşma kimi sürətləndirdi.

elektron tanımladığını başlanğıc və son mövqe arasında gərginlik onlara enerji alıb. 1 V potensial fərq vasitəsilə hərəkət zaman 1 elektron-volt (eV) bərabərdir. Bu 1,6 × 10 ^-19 Joule bərabərdir. trilyon dəfə daha bir uçan ağcaqanad enerji. kinescope elektronların 10 kV-lik daha çox gərginlik sürətləndirilməlidir olunur. Bir çox sürətləndiriciləri mega, giga və tera-elektron-volt qiymətləndirilir daha yüksək enerji çatır.

növ

kimi hissəcik sürətləndiriciləri, ən erkən növləri bəzi gərginlik sürət qədər bir milyon volt potensialı tərəfindən daimi elektrik sahəsində istifadə və generator Van de Graaff generator. yüksək gərginliklər ilə asan iş. Daha praktik alternativ aşağı potensialı istehsal zəif elektrik sahələrində təkrar fəaliyyət göstərir. Bu prinsip müasir sürətləndiriciləri iki növ istifadə olunur - xətti və tsiklik (əsasən cyclotrons və synchrotrons). cyclically dəfələrlə onlar nisbətən kiçik elektrik sahəsində vasitəsilə bir dairəvi yolu hərəkət isə Linear hissəcik sürətləndiriciləri, qısa, sürətləndirilməsi sahələrində ardıcıllıqla vasitəsilə bir dəfə onlara keçdi. çox kiçik "bumps" bir böyük birgə effekti vermək üçün birlikdə əlavə edilir, belə ki, hər iki halda, hissəciklər final enerji, fəaliyyət ümumi sahəsində asılıdır.

təbii yol AC deyil DC istifadə edir xətti sürətləndirici təkrar quruluşu elektrik sahələri yaratmaq üçün. müsbət keçmək əgər müsbət yüklü hissəciklər, mənfi potensial sürət və yeni bir təcil almaq edilir. Təcrübədə, gərginlik çox tez dəyişdirilməlidir. Məsələn, çox yüksək sürətlə 1 MeV proton hərəkət bir enerji 0.01 ms 1.4 m keçən 0,46 işıq sürəti. Bu uzun bir neçə metr təkrar strukturunda, elektrik sahələri ən azı 100 MHz tezlik istiqamətində dəyişdirmək lazımdır deməkdir. Xətti və tsiklik sürətləndiricilər hissəciklər adətən, 100 MHz 3000 alternativ elektrik sahəsində tezlikli t onları dağıtmaq. E. mikrodalğa radio dalğaları intervalında.

elektromaqnit dalğa bir-birinə düz bucaq sağa sağa elektrik və maqnit bir birləşməsidir. əsas məqam elektrik sahəsində sürətləndirilməsi vektor uyğun olaraq yönəldilir hissəciklər gəlişi, belə ki, sürətləndirici dalğa tənzimləmək üçün. bir qapalı məkanda, boru orqan səs dalğaları əks istiqamətdə səyahət dalğaları birləşməsi - Bu daimi dalğa istifadə edilə bilər. sürətlə kimin işıq, bir səyahət dalğa sürəti yaxınlaşan sürəti elektron hərəkət üçün alternativ təcəssümü.

autophasing

bir alternativ elektrik sahəsində sürətləndirilməsi mühüm təsiri "mərhələsi sabitlik" dir. bir rəqs dövrü alternativ sahə geri sıfır maksimum dəyəri sıfır keçir, bir minimum azalır və sıfır yüksəlir. Belə ki, sürətləndirilməsi üçün tələb olunan dəyər vasitəsilə iki dəfə keçir. kimin sürət artır bir hissəcik, çox erkən gəlir, kifayət qədər güc sahəsində iş deyil, və təkan zəif olacaq. növbəti sahəsi, mərhum test və daha təsir çatdıqda. Nəticədə, özünü phasing baş kimi, hissəciklər sürətləndirilməsi regionda hər sahəsində mərhələsi olacaq. Başqa bir təsiri laxta daha çox davamlı stream yaratmaq üçün vaxt onlara qruplaşdırılması edir.

şüa istiqaməti

onlar hərəkət istiqamətində dəyişə bilərsiniz kimi işləri və hissəcik sürətləndiricisi, və maqnit oynamaq necə əhəmiyyətli rolu. Bu dairəvi yolunda beam "əyilmə" üçün istifadə edilə bilər, belə ki, onlar dəfələrlə eyni sürətləndirilməsi bölmə keçib deməkdir. sadə halda, bir ittiham hissəcik homogen maqnit sahəsinin istiqamətində bir sağ bucaq hərəkət, bir qüvvə onun hərəkət, həm də şaquli vektor və sahəsində. Bu hərəkət və ya digər güc öz sahəsində çıxır bu hərəkət başlayır qədər bu sahədə dik bir dairəvi yolu hərəkət şüa səbəb olur. Bu təsir belə bir sinxrotron və cyclotron kimi tsiklik sürətləndiriciləri istifadə olunur. bir cyclotron, daimi sahəsində böyük maqnit tərəfindən istehsal olunur. Onların enerji artan Particles spirally zahirən hər inqilab ilə sürət hərəkət. sinxrotron clots daimi radius ilə ring ətrafında hərəkət və hissəciklər kimi ring artır ətrafında elektro tərəfindən yaradılan sahəsində sürətləndirilməlidir olunur. şüa therebetween keçə bilər ki, "əyilmə" təmin maqnit, bir at nalı şəklində əyilmiş şimal və cənub dirəkləri ilə dipoles təmsil edir.

elektro ikinci mühüm funksiyası onlar mümkün qədər dar və sıx ki, şüaları diqqət etməkdir. bir diqqət maqnit sadə forması - birinə qarşı yerləşən dörd dirəyi (şimal iki və iki cənub) ilə. Onlar bir istiqamətdə mərkəzi hissəciklər təkan, lakin onların dik paylanacaq imkan verir. Quadrupole maqnit onu şaquli diqqət çıxmaq üçün imkan, üfüqi şüa diqqət. Bunu etmək üçün, onlar cüt-cüt istifadə olunmalıdır. daha dəqiq də dirəkləri (6 və 8) ilə çox sayda daha mürəkkəb maqnit istifadə olunur diqqət üçün.

onlara artır yönəldilməsi hissəcik artır enerji, maqnit sahəsinin gücü edir. Bu, eyni trayektoriya üzrə şüa saxlayır. kəsmik ring daxil edilir və bu geri və təcrübələr istifadə edilə bilər əvvəl istədiyiniz enerji sürətləndirilməlidir olunur. Təkzib sinxrotron ring hissəciklər təkan aktiv elektro ilə əldə edilir.

toqquşma

əsasən müəyyən bir məqsəd üçün bir şüa, məsələn, şüalanma və ya ion implantasiyası istehsal, tibb və sənaye istifadə ittiham hissəcik sürətləndiriciləri. Bu hissəciklər bir dəfə istifadə deməkdir. eyni bir çox illər üçün əsas tədqiqat istifadə sürətləndiriciləri doğru idi. Amma üzüklər olan iki şüaları əks istiqamətdə gəzən və circuit ətrafında toqquşmaq, 1970-ci ildə hazırlanmışdır. belə sistemlərin əsas üstünlüyü hissəciklər bir frontal toqquşması enerji onların arasında qarşılıqlı enerji birbaşa gedir ki. Bu şüa, bir stasionar şəkillər ilə vuruşduğu olan halda enerji ən təcil qorunması prinsipinə uyğun olaraq hərəkət hədəf maddi azaldılması gedir zaman nə ilə ziddiyyət.

vuruşan şüaları bəzi maşınları, iki və ya daha çox yerlərdə kəsişən iki halqa ilə inşa edən, əks istiqamətdə eyni tipli hissəciklər dövr edir. Daha ümumi Collider hissəcik-əksi. Əksi bağlı hissəciklər qarşı ittiham var. Məsələn, positron, müsbət yüklü və elektronlar olunur - mənfi. Bu elektron sürətləndirir bir sahədə positron eyni istiqamətdə hərəkət aşağı yavaşlatır deməkdir. Lakin əks istiqamətdə sonuncu hərəkət, bu sürətləndirmək olacaq. Eynilə, bir elektron sol bir maqnit sahəsində iradə əyri, və pozitron vasitəsilə hərəkət - sağ. Pozitron irəliləyir əgər Lakin, sonra onun yolunu sağ üçün qaçırmaq üçün davam edir, lakin elektron eyni əyri olacaq. Lakin, bu hissəciklər sinxrotron eyni maqnit ring vasitəsilə hərəkət və əks istiqamətdə eyni elektrik sahələri ilə sürətləndirilməlidir bilər. Bu prinsip şüaları vuruşan çox güclü reaktorlar yaradılmışdır ki, t. üçün. The yalnız bir ring sürətləndirici tələb edir.

sinxrotron Beam davamlı hərəkət və inteqrasiya deyil "clumps". Onlar bir neçə santimetr uzunluğundakı və diametri bir millimetr onda, və ^{12 oktyabr} hissəciklər təşkil edə bilər. Bu aşağı sıxlıqlı, belə maddi ölçüsü ^{23 oktyabr} atomları var, çünki. bir colliding şüaları kəsişdiyi Buna görə də, hissəciklər bir-biri ilə reaksiya ki, yalnız kiçik bir ehtimal var. Təcrübədə clots ring ətrafında hərəkət və yenidən görüşmək davam edir. yüklü hissəciklər (10 ^-11 mm Hg. V.) və sürətləndirici yüksək vakuum hissəciklər hava molekulları ilə toqquşma olmadan çox saat dövr edə bilər ki, tələb olunur. şüaları həqiqətən bir neçə saat orada saxlanılır çünki Ona görə də, ring də məcmu adlanır.

qeyd

hissəciklər əks istiqamətdə hərəkət edən hədəf və ya digər şüa hit zaman üzv ola bilərsiniz əksəriyyəti ittiham hissəcik sürətləndiriciləri baş verir. Bir televiziya şəkil boru, gun elektron daxili səthində fosfor ekran tətil və bununla da ötürülən image dinlendirir işıq buraxmaq üçün. sürətləndiriciləri belə ixtisaslaşdırılmış detektorları səpələnmiş hissəciklər reaksiya, lakin onlar adətən kompüter data çevrilir və kompüter proqramları istifadə təhlil edilə bilər elektrik siqnalları yaratmaq üçün nəzərdə tutulmuşdur. Yalnız elementləri ionlaşma və ya atomların Məni ehtiraslandırır məsələn, maddi keçən elektrik siqnalları istehsal və birbaşa aşkar edilə bilər hesablanır. Belə neytronların və ya fotonların kimi neytral hissəciklər onlar hərəkət olan yüklü zərrəciklərin davranış vasitəsilə dolayı aşkar edilə bilər.

çox ixtisaslaşdırılmış detektorlar var. belə qeyd musiqi və ya enerji sürət ölçülməsi üçün bir Geiger counter, bir hissəcik sayı, və digər məqsədlər, məsələn, onların bəziləri. ölçüsü və texnologiya Müasir detektorları, yüklü hissəciklər tərəfindən istehsal ionlu musiqi aşkar teller ilə böyük qaz dolu kameralar kiçik pulsuz coupled cihazlar dəyişə bilər.

hekayə

Ittiham hissəcik sürətləndiriciləri əsasən atom nuclei və ibtidai hissəciklər xassələri tədqiqatlar üçün hazırlanmışdır. İngilis fizik açılış-ci ildən Ernest Rutherford 1919-cu ildə, azot nüvə və alfa hissəcik reaksiya, 1932-ci nüvə fizikası sahəsində bütün tədqiqat təbii radioaktiv elementlərin tənəzzül tərəfindən azad helium nuclei ilə həyata keçirilmişdir. Natural alfa-hissəciklər 8 MeV bir kinetik enerji var, lakin Rutherford onlar süni ola ağır nuclei tənəzzül monitorinqi üçün daha yüksək dəyərləri sürət lazımdır ki. zamanda çətin görünürdü. Lakin, ilə 1928-ci ildə edilən hesablanması Georgiem Gamovym (Göttingen Universiteti, Almaniya at), ionları çox aşağı enerji istifadə edilə bilər, və bu Nüvə Tədqiqatları üçün kifayət bir şüa təmin edən təsis qurmaq cəhdləri təkan ki, göstərdi.

Bu dövrün digər tədbirlər ittiham hissəcik sürətləndiriciləri bu gün inşa edilir olan prinsipləri nümayiş etdirdi. süni sürət ionları ilə ilk uğurlu təcrübələr Cambridge Universitetində 1932-ci ildə Cockroft və Walton keçirilib. bir gərginlik sürət istifadə edərək, proton 710 keV sürətləndirdi və sonuncu iki alfa hissəciklər yaratmaq üçün litium ilə reaksiya göstərdi. 1931-ci ilə, New Jersey Princeton Universitetində, Robert Van de Graaff elektrostatik kəmər ilk yüksək potensial generator inşa edilmişdir. Voltage sürət Cockcroft-Walton generatorları və Van de Graaff generator hələ sürətləndiricilər üçün enerji mənbəyi kimi istifadə olunur.

xətti rezonans sürətləndirici prinsipi Axen Almaniyada 1928-ci The Reyn-Vestfaliya Texniki Universitetində Rolf Widerøe nümayiş olunub, o onlara iki dəfə artıq enerji natrium və kalium ionları sürətləndirmək üçün yüksək AC gərginlikli istifadə olunur. 1931-ci ildə Amerika Birləşmiş Ştatları Ernest Lourens və onun köməkçisi California, Berkeley Universitetinin David Sloan, 1.2 MeV daha çox enerji civə ionları sürətləndirmək üçün yüksək tezlikli sahələri istifadə olunur. Bu iş ağır ittiham hissəciklər Widerøe bir sürətləndirici tamamlanır, lakin ion şüaları nüvə tədqiqat faydalı deyil.

Maqnetik rezonans sürətləndirici və ya cyclotron, Lawrence Widerøe quraşdırılması bir dəyişiklik kimi qəbul edilmişdir. Tələbə Lawrence Livingston 80 keV bir enerji ilə ionları edilməsi, 1931-ci ildə cyclotron prinsipini nümayiş etdirdi. 1932-ci ildə, Lawrence və Livingston 1 MeV daha çox proton sürətləndirilməsi elan edib. 4 MeV - Daha sonra 1930-cu ildə, enerji cyclotrons 25 MeV və Van de Graaff çatdı. 1940-cı ildə Donald Kerst, Illinois, ilk betatron, maqnit induksiya elektron sürətləndirici Universitetində inşa maqnit strukturu orbit ehtiyatlı hesablamalarına nəticələrini tətbiq.

Modern fizika: hissəcik sürətləndiriciləri

Dünya müharibəsindən sonra yüksək enerji hissəciklər sürətləndirilməsi elm sürətli irəliləyiş var idi. Moskvada Berkeley və Vladimir Veksler də Edwin MCMILLAN başladı. 1945-ci ildə, onlar həm də müstəqil bir-birindən mərhələsi sabitlik prinsipini təsvir edilir. Bu konsepsiya proton enerji məhdudiyyətlər çıxarılır və elektronlar üçün maqnit-rezonans sürətləndiricilər (synchrotrons) yaratmaq kömək dairəvi sürətləndirici hissəciklər stabil orbitləri saxlamaq üçün bir vasitə təklif edir. Autophasing, faza sabitlik prinsipi həyata keçirilməsi, Kaliforniya Universitetinin kiçik synchrocyclotron tikintisi və İngiltərədə sinxrotron sonra təsdiq edilmişdir. Qısa müddət sonra, ilk proton xətti rezonans sürətləndirici yaradılmışdır. Bu prinsip o vaxtdan bəri inşa bütün əsas proton synchrotrons istifadə olunur.

1947-ci ildə William Hansen, California Stanford Universitetində, İkinci Dünya müharibəsi zamanı radar üçün işlənib hazırlanmışdır mikrodalğalı texnologiya istifadə səyahət dalğa, ilk elektron xətti sürətləndirici tikilib.

işdə irəliləyiş heç böyük sürətləndiriciləri tikintisinə gətirib proton enerji artırılması ilə mümkün olmuşdur. Bu tendensiya yüksək istehsal dəyəri böyük maqnit ring dayandırılıb edir. böyük ətrafında 40,000 ton ağırlığında. maşın ölçüsü artım olmadan artan enerji metodları diqqət alternativ təxminən 1952 Livingstone, Courant və Snyder godu texnika nümayiş olunub (bəzən diqqət güclü adlanır). bu prinsip üzərində işləyir Synchrotrons, daha əvvəl 100 dəfə kiçik maqnit istifadə edin. Bu bütün müasir synchrotrons istifadə olunur diqqət.

1956-cı ildə Kerst hissəciklər iki dəst kəsişən orbitləri bölüşdürülməmiş əgər, onlara toqquşmaq seyr edə bilərsiniz ki, həyata keçirilir. Bu ideyanın proqram dövründən yığılması sürət şüaları tələb məcmu çağırıb. Bu texnologiya qarşılıqlı hissəciklər maksimum enerji əldə etdi.