accelerator de particule
Primele acceleratoare inventat și folosit pentru studiul fizicii nucleare în centrele de cercetare universitare, unde au continuat să se îmbunătățească în următoarele decenii. De-a lungul timpului, domeniul de aplicare a acestor dispozitive a crescut în mod semnificativ. Acum, mai mult de 12 000 de acceleratoare lucrează în lume, și doar 1.200 dintre ei - cercetare (și nu servesc doar fizica, ci, de asemenea, chimie, biologie, medicina, stiinta materialelor). 6000 acceleratoare sunt angajați în industria de semiconductori, și o jumătate de mii - în alte industrii high-tech, 4500 - in clinici de oncologie, aproximativ două sute și folosite pentru a produce izotopi radioactivi. Așa că cea mai mare parte a acestor instalații - „Workhorses“ din industrie și medicină. Cu toate acestea, cele mai mari boostere (există doar câteva zeci) acum, ca și mai înainte, sunt folosite pentru a pătrunde secretele microcosmos.
Se crede că despre mașină pentru a accelera particule incarcate crezut prima Rutherford a exprimat această idee în 1927, la o sesiune a Royal Society. Dar părintele fondator al fizicii nucleare au avut predecesori.
În 1919, studentă în vârstă de 17 de ani de la Oslo Rolf Wideroe citit în ziar că Rutherford a rupt în fragmente nucleul de azot prin bombardarea lor cu particule alfa emise de sursa de radiu. Boy a dat seama că viteza particulelor și, prin urmare, crește forța de impact în cazul în care le dispersa într-un câmp electric constant. În același timp, Rolf destul de versat în fizică pentru a înțelege că în acest fel nu este cel mai bun, deoarece diferența de potențial necesară pentru milioane de volți pentru a obține extrem de dificil. Rolf a decis să se disperseze particulele necesare pentru a utiliza ecuațiile de investigație electrodinamicii, despre care știa ceva. După absolvire Wideroe a călătorit în Germania studiu de inginerie electrică la Universitatea Politehnică din Karlsruhe, și trei ani schitate pe un circuit de accelerare inel pad accelerează electronii printr-un câmp electric solenoidali produs (în deplină conformitate cu ecuațiile lui Maxwell!) Cu o variație periodică a fluxului magnetic. De fapt, un transformator electric obișnuit, în care una dintre bobinele înlocuite camera de vid. Wideroe definesc parametrii câmpurilor magnetice necesare pentru a se asigura că toți electronii ar putea ridica de viteză pe aceeași orbită circulară. Acest proiect a fost primul accelerator de particule din lume, și din punctul de vedere al teoriei absolut impecabil. Și înainte de spectacol Rutherford era încă patru ani.
După apărarea diploma lui Rolf sa întors acasă pentru serviciul militar, iar apoi din nou a mers în Germania pentru a lucra la o teză. Ca un experimentator, el a decis să urmeze schema lui în glanda. Wideroe presupune instalarea construi, accelerează electronii la 6 MeV, dar aici dezamăgit - electronii nu doresc să rămână într-o orbită stabilă. Pentru dipol lor de focalizare este necesar câmp magnetic, dar fizicienii au dat seama că este de doar zece ani mai târziu, în 1940, profesor la Universitatea din Illinois de către Donald Kerst a construit prima funcționare la 2.3 MeV de inducție de electroni de accelerație (în prezent astfel de mașini sunt numite betatron în memoria acelor vremuri, atunci când electronii sunt numite particule beta, cea mai mare World la 300 MeV betatron, construite în același Kerst, a fost adoptată în 1950 ani).
În 1943, el - se pare că primul din lume - să înțeleagă că pentru a îmbunătăți energia de coliziune a particulelor se pot ciocni cap-la, pre-asamblare în camera de vid toroidală plasat într-un câmp magnetic. Astăzi, aceste dispozitive sunt numite inele de depozitare, Wideroe, de asemenea, le-a numit „mori de vânt nucleare.“ El a patentat designul său în Germania, dar în condițiile brevetului a fost timp de război clasificate. Ambele ideile sale au fost puse în aplicare, dar mult mai târziu și altele. Inel din lume prima stocare a fost construit în 1961, în Laboratorul Național Italian în Frascati de carcase Bruno Wideroe colegii mai tineri. Și el Wideroe cu succes după război a lucrat în firmă, care a produs Betatrons, aplicat în spitale oncologici ca un puternic surse de raze X. Ea a venit la el și recunoașterea științifică, deși cu întârziere - a devenit consultant la CERN si in germana fizica de laborator DESY energiilor înalte. Dar sa întâmplat ca publicul larg, omul de știință cunoscut pentru mult mai puțin decât alte tehnologii clasice de accelerare.
acceleratoare liniare
Dispozitivul Wideroe a fost pur și simplu o demonstrație. Primul „de lucru“, acceleratorul liniar a fost construit în 1932 de către angajații Cavendish de laborator Dzhon Kokroft și Ernest Walton, după 19 ani de la decernarea premiului Nobel. Mașina accelerează protoni la o energie de 500 keV, ceea ce a permis litiu pentru a sparge nucleele. În 1930, sistemul (așa-numitul generator de cascadă) este utilizat pe scară largă, dar numai pentru energii la 1 MeV (în această calitate, este folosit în ziua de azi). Dar Ising schemă are oportunități mult mai bune. Ideea este foarte simpla. Sursa particule încărcate frunze și zboară prin camera de vid printr-o multitudine de tuburi metalice tubulare coaxiale, dispuse de-a lungul unei linii drepte. Aceste tuburi alimentate alternativ câmp electric care particula „simte“ doar cand zboara peste decalajul (în interiorul tuburilor este ecranat). Astfel, particulele se mișcă în tuburile de inerție - de drift (așa numitul tub și derivă). Frecvența de oscilație a potențialului electric este ales astfel încât particulele sunt accelerate și nu au inhibat în timpul trecerii fiecărui decalaj. Formând energia calculată, particulele cad pe țintă (în practică, ei au in continuare concentrandu-se, de exemplu, prin lentilele magnetice). Este clar că parametrii tuburilor de drift determinate de tipul de particule accelerate. Dacă este electronii, care câștigă rapid aproape de viteza luminii, lungimea tuburilor pot fi identice. particule grele, protoni si ioni sunt accelerate treptat, astfel încât acestea trebuie să fie forțată să treacă prin tuburile de drift de lungime crescătoare. Acesta este astfel proiectat și a oferit Ising. După douăzeci de ani de ei redescoperit american Luis Alvarez, iar acum circuitul este numit după el. În 1946, Alvarez și Wolfgang Panofsky a construit în Berkeley, primul accelerator liniar din lume, care este cronometrat protoni la o energie de 32 MeV, este suficient pentru experimente în fizica nucleară. Pentru a crea câmpul de accelerare au folosit piese de radare, care, desigur, nu a fost la momentul Ising. schema Alvarez funcționează bine pentru accelerarea protonilor până la 200 MeV. energie mai mare obținută prin călătoresc val ghidurile de undă, și sunt utilizate în acceleratoare de electroni liniare.
Un astfel de dispozitiv poate fi transformat într-un accelerator. În acest scop, golurile dintre Dees trebuie să aplice un câmp electric alternativ, a cărui frecvență coincide cu frecvența de rotație a particulelor (acesta din urmă depinde de taxa, intensitatea câmpului magnetic și masa particulelor și este independent de viteza). Cu selectarea adecvată a fazei sale se va dispersa rezonant particule atunci când trece decalajul dintre Dees - exact în același mod ca și într-un accelerator liniar-Alvarez putem concluziona. Cei care vor merge la raze tot mai mare de derulare în spirală, în timp ce nu se confruntă cu un perete al camerei, sau nu va fi afișată pe țintă.
boostere sincrone
Lawrence a vrut să construiască un ciclotron de protoni de 100 MeV, dar legile fizicii intervin. Dincolo de pragul de 20 de protoni MeV sunt accelerate atât de puternic încât în vigoare formula relativității. Când masa particulelor începe să crească, frecvența tratamentului său, în mod natural redus, iar particula iese din rezonanță. Cele mai mari ciclotroni construite la Oak Ridge National Laboratory din SUA și din Stockholm, Institutul Nobel, poate accelera protoni la 22 MeV, și nuclee de deuteriu - până la 24 MeV. Pentru a obține o mai mare de energie au nevoie de acceleratori ciclice care pot asigura o potrivire fază stabilă accelerare a particulelor de mișcare de câmp. Ciclotronul nu este în măsură să.
Pentru particule relativiste continua să accelereze într-un mod de rezonanță, este necesar fie să crească treptat intensitatea câmpului magnetic (reducând astfel raza căii) sau descrește frecvența de oscilație a potențialului electric pe Dees, forțând-o să urmeze scăderea ratei de conversie a particulelor, sau în mod concertat pentru a schimba parametrii ambelor câmpuri.
Să, de exemplu, să funcționeze cu un singur câmp electric. Să presupunem că ne-am stabilit modul de a reduce frecvența. Se pare că acest lucru nu este suficient. Viteza inițială a particulelor nu vor fi exact la fel; În plus, în timpul de pompare a aerului o anumită fracțiune din particule se ciocnesc cu molecule și bat off curs. Acceleratorul poate funcționa numai dacă în timp, numărul de astfel de abateri va fi redusă, iar particulele de a reveni la calea cea dreaptă. În caz contrar, toate particulele merg repede din rezonanță.
Și aici vine la efectul de salvare a stabilității fază, deschisă în mod independent unul de altul de către omul de știință sovietic Vladimir Veksler asistat de Evgeniya Feynberga și, puțin mai târziu, americanul Edwin McMillan. Ei au demonstrat ca acceleratorii de rezonanță inel poate merge limita ciclotron și dispersa particulele practic orice energie - printr-un mod special de fluctuațiile potențiale electrice, care nu corectează automat abatere deosebit de mare de particule din faza calculată (numită echilibru) și reține astfel accelerația rezonant . Dacă nu pentru acest mod, posibilitatea acceleratoare circulare ar fi limitată la un maxim de energie ciclotron (este de remarcat faptul că mecanismul de stabilitate de fază funcționează în acceleratoare de rezonanță liniare).
După stabilitatea faza de descoperire au fost create și implementate în diferite acceleratori de design din metal. Masina cu un câmp magnetic constant și un câmp electric de frecvență variabilă în literatura de limba engleză numit sincrociclotron, iar în sovietică - Phasotron. Sincrociclotronul ca în ciclotron, particulele se mișcă de-a lungul spiralei unwinding. Acceleratoare în care creșterea particulelor este însoțită de o creștere a energiei câmpului magnetic, numit sincrotroni. Sincrotroni construite în formă de tuneluri inelare înconjurate de electromagneți, astfel încât particulele se mișcă pe orbite raza unde constanta. La frecvența sincrotron de electroni de câmp electric este neschimbat (deoarece nu există electronii se deplasează aproape cu viteza luminii), dar la sincrotron de protoni această cifră variază. Aceste acceleratoare în URSS, cu depunerea de Wexler, numit sincrotron.
Primul astfel de mașină (Cosmotron) la camera de vid 23 diametrul contorului la Brookhaven lansat în 1952 an. Inițial, protonii accelerat până la 2,3 GeV, iar după terminarea completă - până la 3,3 GeV. În 1953, Universitatea din Birmingham a avut un efect mai puțin sincrotron avansat de protoni 1 GeV. În 1954 a câștigat acceleratorul de la Berkeley, care a fost lansat un an mai târziu energia 6.2 GeV (pe ea pentru prima dată antiprotoni primite). În 1957 a fost lansat sincrotron în Dubna 10 GeV. Toate cele mai mari acceleratoare de protoni ciclice - sincrotroni.
Focalizează se concentreze
La câțiva ani după Wechsler și perspective Macmillan fizica a realizat un nou progres pe drumul spre energii mai mari.
Tot câmpul magnetic înfășoară nu numai particule, dar, de asemenea, se concentreze și rezonante lor acceleratoare circulare. In cosmotron si alte sincrotroni prima generatie de particule care călătoresc în câmp magnetic, care scade progresiv odată cu creșterea razei. Liniile sale de forță sunt forma bochkoobrazuyu, prin care particulele sunt concentrate nu numai radial, ci și pe verticală; cu alte cuvinte, un astfel de câmp nu permite particulelor să părăsească planul orbitei.
O astfel de configurație de câmp magnetic nu este ideal. Acesta vă permite să obțineți un grinzi destul de largi (și pentru bombardarea obiectivelor ar fi mai bine pentru a comprima fasciculul în mare măsură tot mai mare densitate a acestora) și necesită, de asemenea, construirea unei foarte mari și, prin urmare, mașini scumpe. Masa sistemului magnet Dubninskaya sincrotron, care a implementat un astfel de focalizare, este de 36 000 de tone. Cheltuielile privind sistemele cu masă mult mai mare ar fi dincolo de orice limite rezonabile.
Această problemă a fost rezolvată în mijlocul secolului trecut. In 1949 fizicianul godu grec Nicholas Hristofilos a arătat că mișcarea particulelor poate fi controlată de către un număr mare de electromagneți adiacente, o scădere puternică a câmpului magnetic alternativ de-a lungul razei camerei de vacuum, cu o creștere la fel de puternic de ea. Cu toate acestea, el a prezentat rezultatele sale numai sub forma unei cereri de brevet de invenție, astfel încât deschiderea sa este apoi trecut neobservată. Trei ani mai târziu, în aceeași idee a venit americanii Ernest Courant, Stanley Livingston și Hartland Snyder. Această metodă se numește o concentrare puternică (de direcție radială care se încadrează câmp numit slab). Acesta a înăsprit cerințele de reglementare a câmpului electric de accelerare, dar permite o mai bună a focaliza fasciculele radial și vertical și a încetinit creșterea acceleratoare de dimensiuni.
Toate în acest articol al mașinii - este acceleratoare cu ținte staționare. Există un alt fel - Collider. Pe aceste setări, precum și echipamente pentru detectarea particulelor de alimente și ciocniri pe Large Hadron Collider construit (nu a fost încă lansat), în vecinătatea femeie
leviatani știință
Aleksey Levin