Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц (электронов, протонов, мезонов и т. д.).
Ускорители делятся на непрерывные (из них выходит равномерный во времени пучок) и импульсные (из них частицы вылетают порциями – импульсами). По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные (траектории близки к прямым линиям), циклические и индукционные (траекториями являются окружности или спирали).
1. Линейный ускоритель. Ускорение осуществляется электростатическим полем (например, генератором Ван-де-Граафа). Частицы ускоряются до .
2. Линейный резонансный ускоритель. Ускорение осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частицы. Протоны ускоряются до , электроны – до .
3. Циклотрон – циклический резонансный ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов).
Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода (1 и 2) в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов . К дуантам приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.
Заряженную частицу вводят в центр зазора между дуантами.
Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнить условие синхронизма (условие «резонанса») – периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны. Частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохождении через зазор дополнительную энергию. На последнем витке пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона.
Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий .
Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью, что приводит в увеличению периода обращения, и синхронизм нарушается. Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов.
В 1944 г. советский физик В. И. Векслер и в 1945 г. Американский физик Э. Мак-Миллан предложили принцип автофазировки . Идея его заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо и то и другое. Принцип автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне.
4. Фазотрон (синхроциклотрон) – циклический резонансный ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов, α-частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Частицы ускоряются до энергий .
5. Синхротрон – циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. Электроны в синхротроне ускоряются до 5 – 10 ГэВ.
6. Синхрофазотрон – циклический резонансный ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона, т. е. управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Протоны в синхрофазотроне ускоряются до энергий 500 ГэВ.
7. Бетатрон – циклический индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите. Электроны в бетатроне ускоряются до энергий 100 эВ.
1. Циклотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов). Принципиальная схема циклотрона приведена на рисунке 4.2.
Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров, или дуантов (3). К дуантам приложено переменное электрическое поле (5). Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости дуантов.
Если заряженную частицу ввести в центр зазора (1) между дуантами, то она, ускоряемая электрическим и отклоняемая магнитным полями, войдет в дуант и опишет полуокружность, радиус которой пропорционален скорости частицы. К моменту ее выхода из первого дуанта полярность напряжения изменяется (при соответствующем подборе изменения напряжения между дуантами), поэтому частица вновь ускоряется и, переходя во второй дуант, описывает там полуокружность уже большего радиуса (2) и т.д.
Для непрерывного ускорения частицы в циклотроне необходимо выполнять условие синхронизма (условие «резонанса») – периоды вращения частицы в магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны. При выполнении этого условия частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохождении через зазор дополнительную энергию. На последнем витке, когда энергия частиц и радиус орбиты доведены до максимально допустимых значений, пучок частиц посредством отклоняющего электрического поля выводится из циклотрона (4).
В циклотронах заряженная частица с зарядом q и массой m ускоряется до скоростей, при которых релятивистский эффект увеличения массы частицы практически не проявляется. Период обращения частицы
Радиус траектории частицы
Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий примерно 20 МэВ. Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью , что приводит к увеличению периода обращения (он пропорционален массе) и синхронизм нарушается. Поэтому циклотрон совершенно неприменим для ускорения электронов (при Е = 0,5 МэВ, m = 2m 0 , при Е = 10 МэВ m = 28m 0).
Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно, однако, осуществить, если применять предложенный в 1944 г. советским физиком В. И. Векслером (1907–1966) и в 1945 г. американским физиком Э. Мак–Милланом (1907–1991) принцип автофазировки . Его идея заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо то и другое. Принцип автофазировки используется в фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне.
2. Микротрон (электронный циклотрон) – циклический резонансный ускоритель, в котором, как и в циклотроне, и магнитное поле, и частота ускоряющего поля постоянны во времени, но резонансное условие в процессе ускорения всё же сохраняется за счёт изменения кратности ускорения q. Частица вращается в микротроне в однородном магнитном поле, многократно проходя ускоряющий резонатор. В резонаторе она получает такой прирост энергии, что её период обращения изменяется на величину, равную или кратную периоду ускоряющего напряжения. Причем, если частица с самого начала вошла в резонанс с ускоряющим полем, этот резонанс сохраняется, несмотря на изменение периода обращения. В микротроне действует механизм автофазировки, так что частицы, близкие к равновесной орбите, также будут ускоряться.
Микротрон – ускоритель непрерывного действия, и способен давать токи порядка 100 мА, максимальная достигнутая энергия порядка 30 Мэв (Россия, Великобритания). Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля, а существенное повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов.
Для длительного сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным. Такое поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали; соответствующая фокусировка производится электрическим полем резонатора. Предлагались варианты микротронов с меняющимся по азимуту магнитным полем (секторный микротрон), но сколько-нибудь значительного развития они пока не получили.
3. Фазотрон (синхроциклотрон) – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов, α-частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручивающейся спирали. Частицы в фазотроне ускоряются до энергий примерно равных 1 ГэВ (ограничения здесь определяются размерами фазотрона, так как с ростом скорости частиц растет радиус их орбиты).
4. Синхротрон – циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. На рисунке 4.3 схематически изображен синхротрон: 1 – инжектор электронов; 2 – поворотный магнит; 3 – пучек электронов; 4 – управляющий электромагнит; 5 – вакуумная тороидальная камера; 6 – ускоряющий промежуток.
Внешний вид Томского синхротрона на 1,5 ГэВ представлен на рисунке 4.4. Электроны в разных синхротронах ускоряются до энергий 5 – 10 ГэВ.
Рис. 4.3 Рис. 4.4
5. Синхрофазотрон – циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона. Здесь управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. На рис. 4.5 изображен Серпуховской синхрофазотрон У-70 на энергию 70 ГэВ.
Рассмотрим действие лоренцевой силы и рассчитаем энергию протонного ускорителя, представляющего собой кольцевой магнит диаметром 2 км. Между полюсами этого магнита расположена тороидальная вакуумная камера, в которую инжектирован пучек протонов. Если смотреть на ускоритель сверху (рис. 4.6), то пучок протонов движется по часовой стрелке со скоростью υ, близкой к скорости света.
На протон действует центростремительная сила, направленная к центру. Если поле направлено из плоскости чертежа, то сила Лоренца всегда направлена к центру.
Рис. 4.5 Рис. 4.6
Центростремительная сила равна:
где m r
– релятивистская масса протона. Так как эта сила обусловлена действием магнитного поля, она равна (). Тогда 
Поскольку , то можно записать – так можно рассчитать полную релятивистскую энергию протонов:
Заметим при этом, что магнитное поле не увеличивает скорость или энергию частиц. Ускорение протонов осуществляется при каждом их обороте в кольце за счет электростатического поля, которое действует на коротком участке кольца.
Планируется построить в г. Серпухове протонный синхрофазотрон на энергию примерно 3 000 ГэВ (диаметр установки примерно 6 000 м).
В фазотронах, микротронах, синхротронах и синхрофазотронах частицы ускоряются до релятивистских скоростей.
Масса частицы m зависит от ее скорости :
,
где – масса покоя частицы; – отношение скорости частицы к скорости света в вакууме.
Кинетическая энергия частицы K : , где – полная энергия частицы; – энергия покоя частицы.
Импульс релятивистской частицы
.
Период обращения релятивистской частицы
.
Радиус окружности траектории релятивистской частицы
.
6. Бетатрон – единственный циклический ускоритель (электронов) нерезонансного типа, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем.
Электродвижущая сила индукции, создаваемая переменным магнитным полем, может существовать и в отсутствие проводников. Энергия K , передаваемая вихревым электрическим полем единичному положительному заряду, равна контурному интегралу по замкнутой траектории L :
Согласно закону Фарадея, этот интеграл равен изменению магнитного потока через замкнутый контур L . Таким образом, вихревое электрическое поле может действовать на сгусток электронов, двигающихся в изменяющемся магнитном поле, и ускорять их. При определенных условиях движение электронов происходит в переменном магнитном поле по орбите постоянного радиуса и является устойчивым, причем энергия электронов увеличивается за счет вихревого электрического поля, создаваемого изменяющимся магнитным потоком, пронизывающим орбиту частиц (рис. 4.7). Циклический индукционный ускоритель электронов данного типа называется бетатроном .
Как показано на рисунке 4.7, переменный центральный магнитный поток В ср создает в бетатроне вихревую ЭДС индукции, ускоряющую электроны. В соответствии с выражением (3.4.5)
при каждом обходе контура энергия электронов увеличивается на величину .
Удержание электронов на стационарной круговой орбите осуществляется управляющим магнитным полем , определенным образом, изменяющимся во времени.
a б в
Бетатрон (рис. 4.8, а ) состоит из тороидальной вакуумной камеры
(рис. 4.8 в ), помещающейся между полюсами электромагнита специальной формы (рис. 4.8 б ). Обмотка электромагнита питается переменным током с частотой .
Переменное магнитное поле выполняет две функции: во-первых, создает вихревое электрическое поле, ускоряющее электроны внутри тороида; во-вторых, удерживает электроны на орбите (силовые линии располагаются так, чтобы пучок электронов находился в состоянии устойчивого равновесия в центре тора).
За время порядка электроны успевают сделать до оборотов и приобрести энергию до 500 МэВ (сотни МэВ в разных ускорителях). При такой энергии скорость электронов близка к скорости света ().
Кроме того, сам же пучек электронов в данном случае выполняет роль вторичной обмотки трансформатора.
В конце цикла ускорения включается дополнительное магнитное поле, которое отклоняет электроны от стационарной орбиты и направляет их на специальную мишень, расположенную внутри камеры. Попадая на мишень, электроны тормозятся в ней и испускают жесткие γ-лучи или рентген, которые используются в ядерных исследованиях при неразрушающих методах контроля, в медицине и т.д.
Идея бетатрона запатентована в 1922 г. Дж. Слепяном. В 1928 г. Р. Видероэ сформулировал условие существования равновесной орбиты – орбиты постоянного радиуса «условие 2:1». Первый действующий бетатрон был создан в 1940 г. Д. Керстом.
В СССР первые бетатроны были разработаны и созданы учеными Томского политехнического института (ныне университета): профессорами А.А. Воробьевым, Л.М. Ананьевым, В.И. Горбуновым, В.А. Москалевым, Б.Н. Родимовым. В последующие годы в институте интроскопии (НИИН при ТПУ) под руководством профессора В.Л. Чахлова, успешно разрабатываются и изготавливаются малогабаритные переносные бетатроны применяемые в медицине, дефектоскопии и других прикладных и научных исследованиях.
Благодаря простоте конструкции, дешевизне и удобству пользования бетатроны нашли особо широкое применение в прикладных целях в диапазоне энергии 20 ¸ 50 МэВ. Используется непосредственно сам электронный пучок или тормозное γ-излучение, энергия которого может плавно изменяться.
7. Большой андронный коллайдер (БАК ).
В 2000 году физики из ЦЕРНа (европейский центр ядерных исследований), работающие на 27-километровом кольцевом Большом электрон-позитронном коллайдере LEP (Large Electron Positron Collider), обнародовали фотографии превращений элементарных частиц, которые вроде бы свидетельствовали о реальности хиггсовского бозона, однако последующие эксперименты доказали преждевременность этого вывода. В то время считалось, что масса этой частицы не превышает 96 Гэв, что лежало в пределах возможностей церновского коллайдера. В то же время теоретические расчеты показывают, что даже небольшое увеличение массы t -кварка должно весьма значительно повышать массу хиггсовского бозона. Коль скоро теперь этот кварк «потяжелел» с 175 до 178 Гэв, теоретически вычисленная масса бозона Хиггса оказывается не меньше 117 Гэв, но может составлять и 251 Гэв. Это означает, что бозон Хиггса невозможно получить ни на одном ныне действующем ускорителе, так что выводы европейских физиков и в самом деле приходится признать ошибочными. Однако не будем огорчаться – сейчас ЦЕРН строит более мощный ускоритель, LHC (Large Hadron Collider) – Большой адронный коллайдер (рис. 4.9, рис 4.10). Его энергии должно хватить и для долгожданной поимки хиггсовского бозона – конечно, если его масса вновь не подскочит. Новый суперускоритель ЦЕРНа будет запущен в 2007 году, так что ждать осталось уже недолго.
Лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.
Ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители , где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители , в которых пучки движутся по замкнутым кривым типа окружностей, проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители.
Конструкции ускорителей
Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)
Основная статья : Высоковольтный ускоритель
Ускоритель заряженных частиц (электронов) в котором ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество В.У. по сравнению с др. типами ускорителей – возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95%) и возможностью создания установок большой мощности (500кВт и выше) что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.
Электростатический ускоритель
Идеологически наиболее простой, линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды.
Разновидности:
- Ускоритель Ван де Граафа. генератором Ван де Граафа , основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. Максимальные электрические напряжения ~20МВ определяют максимальную энергию частиц ~20МэВ.
- Каскадный ускоритель. Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором , который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя.
Линейные ускорители электронов небольших энергий часто используются, как часть самых разных электровакуумных приборов (электронно-лучевая трубка , кинескоп , рентгеновская трубка и др.).
Циклотрон
Устройство циклотрона. 1 - место поступления частиц, 2 - траектория их движения, 3 - электроды, 4 - источник переменного напряжения. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.
Идея циклотрона проста. Между двумя полукруглыми полыми электродами, т. н. дуантами , приложено переменное электрическое напряжение. Дуанты помещены между полюсами электромагнита, создающего постоянное магнитное поле. Частица, вращаясь по окружности в магнитном поле, ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем . Понятно, что с увеличением энергии, на каждом обороте, радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы дуантов.
Циклотрон - первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в году Лоуренсом , за что ему была присуждена Нобелевская премия в году. До сих пор циклотроны применяются для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий, до 50МэВ/нуклон.
Бетатрон
Другое название: индукционный ускоритель. Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10-100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).
Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в году, который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан Д. В. Керстом лишь в - гг. в США.
Микротрон
Основная статья : Микротрон
Он же - ускоритель с переменной кратностью. Резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения.
Фазотрон (синхроциклотрон)
Принципиальное отличие от циклотрона - изменяемая в процессе ускорения частота электрического поля. Это позволяет, за счёт автофазировки, поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает 600-700 МэВ.
Синхрофазотрон
Циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля. Большинство современных циклических ускорителей являются сильнофокусирующими синхрофазотронами. Для ультрарелятивистских электронов в процессе ускорения частота обращения практически не меняется, и используются синхротроны.
Синхротрон
Циклический ускоритель с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего электрического поля, но изменяющимся ведущим магнитным полем.
Лазер на свободных электронах (ЛСЭ)
Основная статья : Лазер на свободных электронах
Специализированный источник когерентного рентгеновского излучения.
Линейный ускоритель
Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускоритель, в котором частицы пролетают однократно. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени (!) энергии частиц.
Колла́йдер
Он же ускоритель на встречных пучках. Чисто экспериментальные установки, цель которых - изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.
Применение
- Стерилизация (для стерилизации продуктов питания, медицинского инструмента).
- Медицина (лечение онкологических заболеваний , радиодиагностика).
- Производство полупроводниковых устройств (инжекция примесей).
- Радиационная дефектоскопия.
- Радиационное сшивание полимеров.
- Радиационная очистка топочных газов и сточных вод.
См. также
- Детектор частиц
Ссылки
- Коломенский Д.Д., Лебедев А. Н. Теория циклических ускорителей. М.: Физматгиз, 1962.
- A.Chao, M.Tigner, Handbook of Accelerator Physics and Engineering, 1999.
- Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Э.И. Кэбин, Эксперимент (Web-публикация)
- История, классификация, принцип действия, основные типы современных ускорителей
Wikimedia Foundation . 2010 .
- Условие Гельдера
- Ускоритель элементарных частиц
Смотреть что такое "Ускорители заряженных частиц" в других словарях:
УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ - установки, служащие для ускорения заряж. частиц до высоких энергий. При обычном словоупотреблении ускорителями (У.) наз. установки, рассчитанные на ускорение частиц до энергий более МэВ. На рекордном У. протонов теватроне достигнута энергия 940… … Физическая энциклопедия
Ускорители заряженных частиц - устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное… … Большая советская энциклопедия
УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ - установки для получения направл. пучков электронов, протонов, альфа частиц или ионов с энергией от сотен кэВ до сотен ГэВ. В У. з. ч. ускоряемые заряж. частицы увеличивают свою энергию, двигаясь в электрич. поле (статич., индуктированном или… … Большой энциклопедический политехнический словарь
ГОСТ 22491-87: Ускорители заряженных частиц. Термины и определения - Терминология ГОСТ 22491 87: Ускорители заряженных частиц. Термины и определения оригинал документа: 14. Бетатрон с подмаг ничиванием 15. Резонансный ускоритель Бетатрон с постоянной составляющей индукции магнитного поля Ускоритель… …
ГОСТ 4.477-87: Система показателей качества продукции. Ускорители заряженных частиц промышленного применения. Номенклатура показателей - Терминология ГОСТ 4.477 87: Система показателей качества продукции. Ускорители заряженных частиц промышленного применения. Номенклатура показателей оригинал документа: 3. Базовый образец Ускоритель, выбранный из группы ускорителей, наиболее… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Ускоритель заряженных частиц - Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо инжектор Ускоритель заряженных частиц класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных … Википедия
ускоритель (заряженных частиц) - Электрофизическое устройство, предназначенное для увеличения кинетической энергии заряженных частиц. Примечание Принято, что в ускорителях энергия частиц увеличивается более чем на 0,1 МэВ. [ГОСТ Р 52103 2003] Тематики ускорители заряженных… …
группирователь заряженных частиц - Устройство, осуществляющее фазовую группировку заряженных частиц. [ГОСТ Р 52103 2003] Тематики ускорители заряженных частиц EN charged particle buncher … Справочник технического переводчика
По дисциплине
«Концепции современного естествознания»
на тему «Ускорители элементарных частиц»
1. Введение………………………………………………………………………….3
2. Современные ускорители заряженных частиц………………………………...4
3. Научные центры по исследованию элементарных частиц……………………7
4. Циклический ускоритель………………………………………………………15
5. Лазерный ускоритель на биениях……………………………………………..16
6. Заключение……………………………………………………………………..20
7. Список используемой литературы……………………………………………21
Введение
В настоящее время широкое применение в науке и технике нашли ускорители заряженных частиц – установки для получения пучков заряженных частиц (протонов, электронов, античастиц, ядер других атомов) высоких энергий – от десятков кэВ (10 3 эВ) до нескольких ТэВ (10 12 эВ). В технике такие ускорители используются для получения изотопов, упрочнения поверхностей материалов и производства новых материалов, для создания источников электромагнитного излучения (от микроволнового до рентгеновского излучения), широко применяются в медицине и т.д. Однако, по-прежнему, к числу основных областей применения ускорителей относятся ядерная физика и физика высоких энергий. Современные ускорители заряженных частиц – главные источники информации для физиков, изучающих вещество, энергию, пространство и время. Подавляющее большинство элементарных частиц, известных сегодня, не встречаются в естественных условиях на Земле и получены на ускорителях. Именно потребности физики элементарных частиц являются главным стимулом для развития ускорительной техники, и в первую очередь для повышения энергии, до которой могут быть ускорены заряженные частицы.
Современные ускорители заряженных частиц.
В современной физике высоких энергий используются ускорительные установки двух типов. Традиционная схема эксперимента на укорителе такова: пучок заряженных частиц ускоряется до максимально возможной энергии и затем направляется на неподвижную мишень, при столкновении с частицами которой рождается множество элементарных частиц. Измерения параметров рождающихся частиц дают богатейшую экспериментальную информацию, необходимую для проверки (или создания) современной теории элементарных частиц. Эффективность реакции определяется энергией сталкивающейся с мишенью частицы в системе центра масс. Согласно теории относительности при неподвижной мишени и одинаковых массах покоя сталкивающихся частиц энергия реакций
Где E – энергия налетающей на мишень частицы, m 0 – ее масса, c – скорость света. Так, при соударении с неподвижной мишенью протона, ускоренного до энергии 1000 ГэВ, только энергия 42 ГэВ идет на рождение новых частиц, а большая часть энергии расходуется на кинетическую энергию частиц, родившихся в результате реакции.
Предложенные в конце 60-х годов XX века ускорители на встречных пучках (коллайдеры), в которых реакция осуществляется при столкновении встречных ускоренных пучков заряженных частиц (электронов и позитронов, протонов и антипротонов и др.) дают существенный выигрыш в энергии реакции. В коллайдерах энергия реакций равна сумме энергий сталкивающихся частиц
E 1 + E 2 , то есть при равных энергиях частиц выигрыш составляет 2E/m 0 c 2 . Разумеется, эффективность коллайдера оказывается более низкой, чем ускорителя с неподвижной мишенью, так как частицы двух разреженных пучков сталкиваются между собой гораздо реже, чем частицы пучка и плотной мишени. Тем не менее, основная тенденция физики высоких энергий – это продвижение во все более высокие энергии, и большинство крупнейших ускорителей сегодня – это коллайдеры, в которых ради достижения рекордных энергий жертвуют числом столкновений.
Современные ускорители заряженных частиц являются самыми крупными экспериментальными установками в мире, причем энергия частиц в ускорителе линейно связана с его размером. Так, линейный ускоритель электронов SLC на энергию 50 ГэВ в Стэнфордском университете (США) имеет длину 3 км, периметр протонного синхротрона Тэватрон на энергию 900 ГэВ в лаборатории им. Э.Ферми (Батавия, США) составляет 6,3 км, а длина сооружаемого в Серпухове кольца, ускорительно-накопительного комплекса УНК, рассчитанного на энергию3 ТэВ, сооружаемый в 27-километровомускорительном тоннеле европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве.
Постоянно возрастающие размеры ускорителей уже достигли границы разумного соотношения физических характеристик и финансовых затрат, превращая строительство ускорителей в проблему национального масштаба. Можно говорить, что чисто инженерные решения тоже близки к своему пределу. Очевидно, что дальнейший прогресс в ускорительной технике должен быть связан с поисками новых подходов и физических решений, делающих ускорители компактнее и дешевле в сооружении и эксплуатации. Последнее также немаловажно, так как энергопотребление современных ускорителей близко к энергопотреблению небольшого города. Прикладная ускорительная наука формулирует перед современной физикой интересную и чрезвычайно важную проблему. Нужно обратиться к новым достижениям в радиофизике, физики плазмы, квантовой электронике и физике твердого тела, чтобы найти достойные решения.
Наиболее многообещающими является поиск способов увеличения темпа ускорения частиц. В современных ускорителях темп ускорения частиц ограничен максимальной напряженностью ускоряющего электрического поля, которое можно создать в вакуумных системах. Эта величина не превышает сегодня 50МВ/м. В более сильных полях возникают явления электрического пробоя на стенках резонатора и образование плазмы, поглощающей энергию поля и препятствующей ускорению частиц. В действительности величина максимально допустимого высокочастотного поля зависит от его длины волны. Современные ускорители используют электрические поля с длиной волны больше 10 см. Например, переход к длине волны 1 см позволит увеличить максимально допустимые электрические поля в несколько раз и тем самым уменьшить размеры ускорителя. Разумеется, для реализации этого преимущества необходима разработка в этом диапазоне сверхмощных источников излучения, способных генерировать импульсы электромагнитных волн с мощностью в сотни МВт и длительностью импульса короче 100 нс. Это представляет собой крупную научно-техническую проблему, решением который заняты многие исследовательские центры мира.
Другой возможный путь – это отказ от традиционных вакуумных микроволновых резонансных систем и использование лазерного излучения для ускорения заряженных частиц. С помощью современных лазеров возможно создание электрических полей с напряженностью, намного превышающей предельные поля в микроволновом диапазоне. Однако непосредственное использование лазерного излучения в вакууме не позволяет достичь эффекта заметного ускорения заряженных частиц из-за невозможности резонансного черенковского взаимодействия волны с частицей, так как скорость света в вакууме всегда больше скорости частицы. В последние годы активно изучаются методы ускорения заряженных частиц лазерным излучением в газах и плазме, причем, поскольку в сильных электрических полях происходит ионизация вещества и образование плазмы, в конечном счете, речь идет об ускорении заряженных частиц интенсивным лазерным излучением в плазме.
Научные центры по исследованию элементарных частиц
Институт физики высоких энергий (ИФВЭ)
Основой для создания института явилось строительство в Протвино, расположенном вблизи подмосковного города Серпухова, самого крупного в мире (вплоть до 1972 г.) кольцевого протонного синхротрона. Собранная в этом научном центре уникальная экспериментальная техника дает возможность ученым проникнуть в глубины строения материи, понять и раскрыть неизвестные человеку законы бесконечно разнообразного и таинственного мира элементарных частиц.
Ускоритель пущен в октябре 1967 г. В этом ускорителе первоначально протоны образуются в результате газового разряда, затем ускоряются электрическим полем высоковольтного импульса трансформатора до энергии 760 КэВ и попадают в линейный ускоритель – инжектор, где предварительно ускоряются до энергии 100МэВ, и затем поступают в кольцо основного ускорителя. В нем уже протоны ускоряются до энергии 76 ГэВ. Число протонов в одном импульсе ускорителя – 3·10 12 . Повторение импульсов происходит через каждые 7 сек. Ускоритель имеет в диаметре 472 м. Вес электромагнитов 20 тыс. т.Потребляемая ускорителем мощность 100 МВт. Ежегодно для физических исследований ускоритель работает 3000 - 4000 час.
Научный центр имеет насыпь, под которой находится ускорительное кольцо, и экспериментальный зал. Эксперименты в ИФВЭ осуществляются как на внутренней мишени ускорителя, так и на выведенных пучках частиц.
УСКОРИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Accelerators
Ускорители заряженных частиц – установки для ускорения заряженных частиц до энергий, при которых они могут использоваться для физических исследований, в промышленности и медицине. При сравнительно низких энергиях ускоренные частицы используют, например, для получения изображения на экране телевизора или электронного микроскопа, генерации рентгеновских лучей (электронно-лучевые трубки), разрушения раковых клеток, уничтожения бактерий. При ускорении заряженных частиц до энергий, превышающих 1 мегаэлектронвольт (МэВ) их используют для изучения структуры микрообъектов (например, атомных ядер) и природы фундаментальных сил. В этом случае ускорители заряженных частиц выполняют роль источников пробных частиц, зондирующих изучаемый объект.
Роль ускорителя в современном физическом эксперименте
поясняется рисунком. Коллимированный пучок пробных частиц от ускорителя
направляют на исследуемую тонкую мишень, содержащую, например, ядра какого-либо
химического элемента, и рассеянные мишенью пробные частицы или другие продукты
их взаимодействия с ядрами мишени регистрируют детектором или системой детекторов.
Анализ результатов эксперимента даёт сведения о природе взаимодействия и
структуре исследуемого объекта.
Необходимость использования ускорителей для исследования таких
микрообъектов как атомные ядра и элементарные частицы обусловлена следующим.
Во-первых, атомные ядра и элементарные частицы занимают малые области пространства
(R < 10 -12 см), и проникновение в эти области требует высокой
разрешающей способности (а значит и энергии) зондирующего пучка, обеспечивающей
взаимодействие отдельной пробной частицы с отдельным микрообъектом. Во-вторых,
чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой
или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует всё большей
энергии.
Зная размеры изучаемого объекта, легко оценить энергию пробных
частиц, необходимую, для его изучения. Частицы обладают волновыми свойствами.
Длина волны частицы
зависит от её импульса р и даётся формулой де Бройля
Здесь h – постоянная Планка, а 1 Фм = 10 -13 см. Приведённая
формула даёт также связь между длиной волны релятивистской частицы и её
кинетической энергией Е в мегаэлектронвольтах.
В эксперименте по рассеянию структура объекта становится “видимой”
(посредством, например, дифракции дебройлевских волн), если длина волны
де Бройля сравнима или меньше размера (радиуса) объекта R, т.е. при λ
<
R. При использовании в качестве зондирующих частиц электронов
внутрь ядра можно “заглянуть”, если энергия электрона будет превышать 100
МэВ. Для наблюдения структуры нуклона энергия электрона должна уже исчисляться
гигаэлектронвольтами (1 ГэВ = 10 9 эВ).
Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками
пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены
ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц проще всего
приготовить. В современных ускорителях, предназначенных для изучения элементарных
частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны), и для увеличения
эффективности использования энергии частиц их пучки в ряде установок, называемых
коллайдерами, после завершения ускорительного цикла сталкиваются (встречные
пучки).
Любой ускоритель конструктивно состоит из трёх частей – системы,
где “изготавливаются” ускоряемые частицы (инжектор), ускорительной системы,
где низкоэнергичные частицы от инжектора (обычно сформированные в виде локализованных
в пространстве сгустков) увеличивают в высоком вакууме энергию до проектной,
и системы транспортировки (вывода) пучка к экспериментальной установке.
Условно, с точки зрения траектории, по которой частицы двигаются
в процессе ускорения, ускорители можно разбить на два класса – линейные
(и прямого действия) и циклические. В линейных ускорителях частицы в процессе
ускорения двигаются прямолинейно, а в циклических – либо по одной и той
же замкнутой траектории, многократно проходя одни и те же ускоряющие промежутки
(синхротроны), либо по траектории, напоминающей раскручивающуюся спираль
(циклотроны, микротроны, фазотроны).