Istoria dezvoltării acceleratoare de particule

Rezumat pe tema:

Istoria dezvoltării acceleratoare de particule

Charged acceleratori de particule - dispozitive pentru producerea de particule incarcate (electroni, protoni, nuclee atomice, ioni) de energie ridicată. Accelerarea este realizată de un câmp electric capabil de a schimba energia particulelor cu sarcină electrică. Un câmp magnetic se poate schimba doar direcția de mișcare a particulelor încărcate fără a schimba valoarea vitezei lor, astfel încât acceleratorul este utilizat pentru a controla mișcarea particulelor (forma căii). De obicei, câmpul electric de accelerare este creat de către un dispozitiv extern (generatoare). Dar poate accelerată prin utilizarea câmpurilor create de alte particule încărcate; această metodă de accelerare se numește un colectiv. Acceleratorul de particule încărcate trebuie diferențiată de acceleratori de plasmă, care sunt accelerate în medie a particulelor încărcate electric neutre (plasmă).

Descrierea de accelerator de particule

accelerator de particule - unul dintre instrumentele de bază ale fizicii moderne. Acceleratorii sunt surse ca grinzile principale ale particulelor încărcate accelerate și fasciculul secundar de particule (mezoni, neutroni, de fotoni, și altele.) S-a obținut prin reacția unei substanțe primare cu particule accelerate. Mănunchiuri de particule de mare energie sunt folosite pentru a studia natura și proprietățile particulelor elementare, fizica nucleara, fizica stării solide. Tot mai multe aplicații se găsesc în studiile în alte domenii :. în chimie, biofizică, geofizica. Extinderea valoare accelerator de particule incarcate de diferite intervale de energie în metalurgie - pentru a detecta defectele de piese și structuri (defect) în industria de prelucrare a lemnului - pentru procesarea rapidă de înaltă calitate a produselor din industria alimentară - pentru sterilizarea produselor în medicină - la radioterapie, pentru „chirurgie fara varsare de sange „și un număr de alte persoane. industrii.

Punctul de pornire este acceleratorul sursei de particule încărcate. De exemplu, o sursă de electroni poate fi orice bucată de metal încălzit la care electronii sari în mod continuu și să se întoarcă imediat. Dacă plasat lângă plasă de sârmă și să aplice tensiunea la aceasta, acești electroni sunt trase la el, și trecut prin, anodul screen-papură, formând o particule de energie fascicul redus. Asta e ceea ce funcționează „Accelerator acasă la 10 keV“ - un tub catodic în televizoare vechi.

10 keV - aceasta este o energie foarte mică pentru studierea fenomenelor nucleare nu este suficient. De aceea fizica era accelerator de inginerie numărate de la începutul anilor 1930, când au existat doar două particule de circuit de accelerație la energii de aproximativ 1 MeV. În 1932, Dzhon Duglas Cockcroft și Walton în Cambridge Erenst construit o cascadă de 800-kilovolt generator de curent continuu, care a deschis o nouă eră în fizica nucleară experimentală. In primul experiment, au îndreptat fascicul de protoni accelerat pe o țintă de litiu-7 și a observat reacția nucleară foarte real: nucleu litiu capturează un proton și apoi sa destrămat în două particule alfa.

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: nucleu litiu capturează un proton și apoi sa destrămat în două particule alfa.

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.

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 realiza acceleratori ciclice de mare energie necesare 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 anii următori, energia lor este crescută până la mai multe GeV si multe lor descoperiri în fizica particulelor au fost comise. 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.

În centrul multora dintre acceleratoare de astăzi, cum ar fi LHC-ului, principiul sincrotron.

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.

Următoarea etapă în istoria tehnologiei de accelerare a fost de a crea acceleratoare - acceleratori cu grinzi, care se ciocnesc în cazul în care cele două fascicule de particule să se rotească în direcții opuse și se ciocnesc unele cu altele. Inițial, ideea a fost exprimată chiar și brevetat în 1943 fizicianul norvegian Rolf Wideroe (Rolf Wideroe), dar ea a dat seama că nu a fost până la începutul anilor 1960, trei echipe independente de cercetători: grupul italian condus de austriac Bruno Touschek (Bruno Touschek), americanii conduse de O'Neill Gerard (Gerard K. O'Neill) și Wolfgang Panofsky (Wolfgang KH Panofsky) și Novosibirsk grup condus de G. Budker.

Până în acel moment, toate experimentele au fost efectuate cu o țintă fixă. În cazul în care particula de energie înaltă lovește particulele fixe produse produse de coliziune acoperi înainte la viteză mare, și este energia lor cinetică este cheltuit ponderea majoră a grinzilor de energie. Dacă fața zboară una către alta particule identice, cea mai mare parte din energia lor este cheltuită în scopul propus: pentru producția de particule. În conformitate cu formulele mecanicii relativistă, puteți calcula energia totală în CMS - această parte a energiei inițiale a particulelor pot fi cheltuite pe particule rozhdenienovyh. În primul caz este vorba, iar în al doilea caz 2E. În cazul în care particulele sunt ultrarelativiste, E >> mc 2. grinzi coliziunea acceleratoarelor pot produce particule mult mai grele decât în ​​experimentele cu obiectivul fixat la aceeași energie fasciculului.

Dispunerea circuitului LHC-ului

Acum, boostere a venit la ei cu limita de proiectare. O creștere semnificativă a energiei a particulelor va fi posibilă numai în cazul în care acceleratorul liniar va fi pus în aplicare și metode mai eficiente de particule de accelerare. Descoperire promite o metodă de accelerare cu laser sau laser-plasma. În ea scurt, dar puternic puls laser sau imediat dispersează particulele încărcate sau creează o perturbație în nor de plasmă, care preia cheag de zbor electroni și accelerează în mod dramatic. Pentru aplicarea cu succes a acestui sistem în acceleratorul încă trebuie să depășească o mulțime de dificultăți (a învăța cum să îmbinați mai multe elemente de accelerare, pentru a face față cu o divergență unghiulară mare, precum și răspândirea energiei particulelor accelerate), dar primele rezultate sunt foarte încurajatoare.