شتاب دهنده خطی ذرات باردار. به عنوان شتاب دهنده های ذرات کار. چرا شتاب دهنده های ذرات؟

شتاب دهنده ذرات باردار - یک دستگاه در جایی که یک پرتو ذرات باردار الکتریکی اتمی و یا زیر اتمی سفر در سرعتی نزدیک به سرعت. اساس کار خود را افزایش لازم است انرژی توسط یک میدان الکتریکی و تغییر مسیر - مغناطیسی.

شتاب دهنده های ذرات چه هستند؟

این دستگاه به طور گسترده ای در زمینه های مختلف علم و صنعت استفاده می شود. تا به امروز، در سراسر جهان بیش از 30 هزار وجود دارد. برای فیزیک شتاب دهنده قطعات اتهام به عنوان یک ابزار از تحقیقات پایه در ساختار اتم، ماهیت نیروهای هسته ای و خواص هسته ای، که بطور طبیعی یافت نمی خدمت می کنند. در حالت دوم شامل ترانس اورانیم و دیگر عناصر ناپایدار است.

با لوله تخلیه ممکن تبدیل شده است برای تعیین مسئول خاص. شتاب دهنده ذرات شارژ نیز برای تولید رادیو ایزوتوپ، مورد استفاده در رادیوگرافی صنعتی، پرتو درمانی برای عقیم سازی از مواد بیولوژیکی، و در تجزیه و تحلیل radiocarbon. بزرگترین واحد در مطالعه واکنشهای اساسی استفاده می شود.

طول عمر از ذرات باردار در حال استراحت با توجه به شتاب دهنده کوچکتر از ذرات شتاب به سرعت نزدیک به است سرعت نور است. این مقدار نسبتا کمی از ایستگاه های زمان تایید می کند. به عنوان مثال، در سرن بوده است افزایش در طول عمر موآن سرعت 0،9994c 29 بار به دست آمده است.

این مقاله نگاهی به آنچه در داخل و کار شتاب دهنده ذرات، توسعه آن، انواع مختلف و ویژگی های مختلف.

اصول شتاب

صرف نظر از چه نوع شتاب دهنده ذره باردار که می دانید، همه آنها دارای عناصر مشترک. اول، آنها باید یک منبع الکترون در مورد یک لوله تلویزیونی عکس و یا الکترون، پروتون و پاد ذره خود را در مورد تاسیسات بزرگتر. علاوه بر این، همه آنها باید میدان های الکتریکی برای سرعت بخشیدن به ذرات و میدان مغناطیسی برای کنترل مسیر خود را دارند. علاوه بر این، خلاء در شتاب دهنده ذره باردار (10 ^-11 میلی متر جیوه. V.)، محمد E. حداقل مقدار هوای باقی مانده، مورد نیاز است برای اطمینان از عمر طولانی پرتوهای زمان. در نهایت، تمام تاسیسات باید به معنای ثبت نام، شمارش و اندازه گیری ذرات شتاب دارند.

نسل

الکترون و پروتون، که به طور معمول در شتاب دهنده استفاده می شود، در تمام مواد پیدا شده است، اما در ابتدا آنها باید از آنها را انتخاب کنید. الکترون معمولا در همان شیوه که در لامپ تصویر تولید - در یک دستگاه است که "اسلحه" نامیده می شود. این یک کاتد (الکترود منفی) در خلاء است که گرم می شود به یک دولت که در آن الکترون ها شروع میشه که از روی اتم است. ذرات با بار منفی به آند (الکترود مثبت) جذب و عبور از خروجی. تفنگ خود را ساده به عنوان شتاب دهنده است، زیرا الکترونها در حال حرکت تحت تاثیر یک میدان الکتریکی. ولتاژ بین کاتد و آند، معمولا در محدوده 50-150 کیلو ولت است.

به غیر از الکترون در تمام مواد موجود پروتون، اما تنها یک هسته پروتون متشکل از اتم های هیدروژن. بنابراین، منبع ذرات برای شتاب دهنده پروتون گاز هیدروژن است. در این مورد، گاز یونیزه شده و پروتون ها از طریق سوراخ واقع شده است. در شتاب دهنده بزرگ پروتون اغلب در شکل یون هیدروژن منفی تشکیل شده است. آنها نشان دهنده یک الکترون اضافی را از اتم که محصول یک یونیزاسیون گاز دو اتمی. از آنجا که یونهای هیدروژن با بار منفی در مراحل اولیه از کار آسان تر است. سپس آنها را از طریق یک فویل نازک، که آنها را از الکترون محروم قبل از مرحله نهایی شتاب منتقل می کند.

شتاب

به عنوان شتاب دهنده های ذرات کار می کند؟ قابلیت های کلیدی همه آنها میدان الکتریکی است. ساده ترین مثال - فیلد استاتیک یکنواخت بین پتانسیل الکتریکی مثبت و منفی، شبیه به آنچه که بین پایانه های باتری الکتریکی وجود دارد. این فیلد الکترون انجام شارژ منفی است که به یک نیروی است که آن را به یک پتانسیل مثبت هدایت قرار گرفته است. این آن را تسریع، و اگر هر چیزی که در راه، سرعت و قدرت افزایش خود ایستاده وجود دارد. الکترون حرکت به سمت پتانسیل مثبت بر روی سیم و یا در هوا، و برخورد با اتم از دست دادن انرژی، اما اگر آنها در vacuo واقع، سپس شتاب آنها به عنوان نزدیک آند.

تنش بین شروع و پایان موقعیت تعریف الکترون آنها انرژی خریداری شده است. هنگامی که در حال حرکت از طریق یک اختلاف پتانسیل V 1 به 1 الکترون ولت (EV) برابر است. این معادل 1،6 × 10 ^-19 ژول است. انرژی یک پشه پرواز تریلیون بار بیشتر است. در الکترون برنامه تلویزیونی فیلمبرداری ولتاژ بیشتر از 10 کیلو ولت شتاب می شوند. بسیاری از شتاب دهنده رسیدن انرژی بسیار بالاتر اندازه گیری مگا، گیگا و ترا الکترون ولت.

گونه

برخی از اولین نوع از شتاب دهنده های ذرات، مانند چند برابر ولتاژ و ژنراتور ژنراتور واندوگراف، با استفاده از یک میدان ثابت تولید شده توسط پتانسیل های تا یک میلیون ولت است. با چنین ولتاژهای بالا کار آسان است. یک جایگزین عملی تر عمل تکرار میدانهای الکتریکی ضعیف تولید پتانسیل کم است. این اصل در دو نوع شتاب دهنده مدرن استفاده می شود - (عمدتا شتابدهنده حلقوی و سینکروترون) خطی و حلقوی. شتاب دهنده های ذرات خطی، در کوتاه مدت، آنها را یک بار از طریق دنباله ای از زمینه شتاب به تصویب رسید، در حالی که چرخه بارها آنها را در یک مسیر دایره ای از طریق میدان الکتریکی نسبتا کوچک است. در هر دو مورد، انرژی نهایی ذرات، بستگی به زمینه ها از عمل، به طوری که بسیاری از "ضربه" کوچک با هم اضافه می شوند به اثر ترکیبی از یک بزرگ است.

ساختار تکراری از یک شتاب دهنده خطی برای تولید میدانهای الکتریکی در یک راه طبیعی است که استفاده از AC، DC نمی. ذرات با بار مثبت به پتانسیل منفی شتاب و انگیزه های جدید، اگر تصویب مثبت است. در عمل، ولتاژ باید بسیار سریع تغییر کند. به عنوان مثال، در یک انرژی 1 حرکت مگا الکترون ولت پروتون در سرعت بسیار بالا از سرعت نور از 0.46 است، عبور 1.4 متر از 0.01 میلی ثانیه است. این به این معنی که در ساختار تکرار چند متر طول، میدانهای الکتریکی باید جهت در فرکانس حداقل 100 مگاهرتز را تغییر دهید. ذرات خطی و شتاب دهنده حلقوی معمولا آنها را با متناوب فرکانس میدان الکتریکی پراکنده از 100 مگاهرتز به 3000، تی. E. در طیف وسیعی از امواج رادیویی برای مایکروویو.

موج الکترومغناطیسی ترکیبی از میدان های الکتریکی و مغناطیسی نوسانی به نوسان در زاویه سمت راست به یکدیگر است. نکته کلیدی این است برای تنظیم موج شتاب دهنده به طوری که در ورود ذرات میدان الکتریکی مطابق با بردار شتاب به کارگردانی. ترکیبی از امواج سفر در جهت مخالف در یک فضای بسته، امواج صوتی در ارگان لوله - این را می توان با استفاده از یک موج ایستاده انجام می شود. تجسم جایگزین برای سرعت در حال حرکت الکترون که سرعت های نزدیک به سرعت نور، یک موج مسافر.

autophasing

یک اثر مهم از شتاب در یک میدان الکتریکی متناوب "ثبات فاز" است. در یکی از زمینه نوسان چرخه متناوب از طریق صفر عبور از حداکثر مقدار به صفر، آن را به حداقل کاهش می یابد افزایش می یابد و به صفر است. بنابراین، آن را دو بار عبور از مقدار مورد نیاز برای شتاب. اگر یک ذره که افزایش سرعت، خیلی زود می آید، آن را به یک میدان مقاومت کافی کار نمی کند، و فشار ضعیف خواهد بود. هنگامی که آن را به منطقه بعدی، آزمون اواخر و تاثیر بیشتر می رسد. به عنوان یک نتیجه، خود توقف تدریجی رخ می دهد، ذرات در فاز با هر رشته در منطقه شتاب گرفته است. اثر دیگر این است که گروه بندی آنها در زمان به شکل یک لخته به جای یک جریان مستمر است.

جهت پرتو

نقش مهمی در چگونه کار می کند و شتاب دهنده ذرات، بازی و میدان های مغناطیسی، به عنوان آنها می توانید جهت حرکت خود را تغییر دهید. این به این معنی که می توان آنها برای "خم" از پرتو در یک مسیر دایره استفاده می شود، به طوری که آنها بارها و بارها از طریق همان بخش شتاب به تصویب رسید. در ساده ترین حالت، در یک ذره باردار در حال حرکت در یک زاویه راست به جهت میدان مغناطیسی همگن، یک بردار نیروی عمود بر حرکت آن، و به میدان. این باعث می شود که پرتو را به حرکت در یک مسیر دایره عمود بر میدان، تا زمانی که آن را از زمین خود را از عمل و یا نیروی دیگر می آید شروع به عمل بر روی آن. این اثر در شتاب دهنده چرخه ای مانند یک سینکروترون و سیکلوترون استفاده می شود. در یک سیکلوترون، زمینه ثابت است که توسط یک آهن ربای بزرگ تولید شده است. ذرات با افزایش انرژی خود را در حال حرکت مارپیچی به ظاهر با هر انقلاب را تسریع کرد. لخته شدن سینکروترون در اطراف حلقه حرکت با شعاع ثابت، و زمینه های تولید شده توسط قطبهای اطراف به عنوان ذرات افزایش حلقه شتاب. آهن ربا ارائه "خم"، نشان دهنده دو قطبی با قطبهای شمال و جنوب، خم در شکل نعل اسب به طوری که پرتو می تواند عبور therebetween.

تابع مهم دوم از قطبهای این است که تمرکز پرتوهای به طوری که آنها آنقدر باریک است و شدید که ممکن است. ساده ترین شکل یک آهن ربا تمرکز - با چهار قطب (دو شمال و دو جنوب) واقع شده در مقابل یکدیگر. آنها ذرات فشار به مرکز در یک جهت، اما اجازه می دهد آنها را به در عمود بر توزیع شود. آهن ربا چهار قطبی تمرکز پرتو افقی، اجازه می دهد او را به خارج از فوکوس به صورت عمودی. برای انجام این کار، آنها باید به صورت جفت استفاده می شود. برای دقیق تر تمرکز نیز آهن ربا پیچیده را با تعداد زیادی از قطب (6 و 8) استفاده می شود.

از آنجا که انرژی را افزایش می دهد ذرات، قدرت میدان مغناطیسی، کارگردانی آنها افزایش می یابد. این باعث میشود که پرتو در مسیر همان. کشک به درون حلقه معرفی و به یک انرژی مورد نظر شتاب قبل از آن می توان خارج و مورد استفاده در آزمایش. جمع است قطبهای که فعال می شود تا فشار ذرات از حلقه سینکروترون به دست آورد.

برخورد

شتاب دهنده ذرات شارژ مورد استفاده در طب و صنعت، به طور عمده تولید یک پرتو برای یک هدف خاص، به عنوان مثال، تابش یا کاشت یون. این به این معنی است که ذرات بار استفاده می شود. همان درست است از شتاب دهنده در تحقیقات پایه برای سالهای زیادی استفاده شد. اما حلقه در سال 1970 توسعه داده شد، که در آن دو پرتو گردش در جهت مخالف و برخورد در اطراف مدار. مزیت اصلی این گونه سیستم است که در یک تصادف انرژی از ذرات مستقیما به انرژی تعامل بین آنها. این در تضاد با آنچه که در پرتو برخورد با یک عکس ثابت، که در این صورت بیشتر از انرژی می رود به کاهش مواد هدف در حرکت، مطابق با اصل پایستگی تکانه.

برخی از ماشین آلات با پرتوهای برخورد با دو حلقه ساخته شده، متقاطع در دو یا چند مکان، که در آن در جهت مخالف گردش، ذرات از همان نوع. بیشتر شایع برخورد دهنده ذره. پاد ذره دارای بار مخالف از ذرات در ارتباط است. به عنوان مثال، پوزیترون، بار مثبت و الکترون - منفی. این به این معنی است که یک میدان است که شتاب الکترون، پوزیترون را کند میکند، در حال حرکت در همان جهت. اما اگر حرکت دوم در جهت مخالف، آن را تسریع میکند. به طور مشابه، یک الکترون در حال حرکت از طریق یک منحنی زمینه خواهد مغناطیسی به سمت چپ، و پوزیترون - راست. اما اگر پوزیترون در حال حرکت است به جلو و سپس مسیر خود ادامه خواهد داد به انحراف به سمت راست، اما در منحنی همان است که از الکترون. با این حال، این بدان معنی است که ذرات می توانید از طریق حلقه ای از سنکروترون آهن ربا همان حرکت و شتاب با میدانهای الکتریکی همان در جهت مخالف. در این اصل بسیاری از برخورد قدرتمند برخورد پرتوهای ایجاد، تی. برای. تنها نیاز به یک حلقه شتاب دهنده است.

پرتو در سینکروترون در حال حرکت است به طور مداوم و یکپارچه را به "توده." آنها می توانند چند سانتی متر در طول و دهم میلی متر قطر دارد و شامل حدود ¹² ذرات ^اکتبر. این چگالی کم، به دلیل اندازه این گونه مواد شامل حدود ²³ اتم ^اکتبر. بنابراین، هنگامی که یک پرتوهای برخورد تقاطع، تنها یک احتمال کوچک است که ذرات با یکدیگر واکنش نشان می دهند وجود دارد. در عمل لخته شدن ادامه به حرکت در اطراف حلقه و دیدار مجدد. خلاء بالا در شتاب دهنده ذرات باردار (10 ^-11 میلی متر جیوه. V.) به منظور که این ذرات می توانید برای ساعت های زیادی را بدون برخورد با مولکول های هوا به گردش مورد نیاز است. بنابراین، حلقه نیز تجمعی نامیده می شود، به دلیل پرتوهای واقع در آن برای چند ساعت ذخیره می شود.

ثبت

شتاب دهنده ذرات شارژ در اکثریت می توانید ثبت نام زمانی رخ میدهد که ذرات ضربه زدن به هدف و یا پرتو دیگر، در حال حرکت در جهت مخالف است. در لوله تصویر تلویزیون، الکترونها از تفنگ به اعتصاب صفحه نمایش فسفر در سطح داخلی و نور، که در نتیجه بازسازی تصویر منتقل منتشر می کنند. در شتاب دهنده مانند آشکارسازهای تخصصی واکنش نشان می دهند به ذرات پراکنده است، اما آنها معمولا طراحی شده برای ایجاد سیگنال های الکتریکی که می تواند به داده های کامپیوتر تبدیل شده و با استفاده از برنامه های کامپیوتری قرار گرفت. فقط به اتهام عناصر تولید سیگنال های الکتریکی از عبور از مواد، به عنوان مثال با یونیزاسیون یا تحریک اتم، و می تواند به طور مستقیم شناسایی شده است. ذرات خنثی مانند نوترون ها و فوتون ها می توان غیر مستقیم از طریق رفتار ذرات متهم کرد که آنها در حال حرکت هستند شناسایی شده است.

بسیاری از آشکارسازهای تخصصی وجود دارد. برخی از آنها، مانند شمارشگر گایگر، شمارش ذرات، و دیگر کاربردها، به عنوان مثال، برای آهنگ های ضبط و یا اندازه گیری سرعت از انرژی است. آشکارسازهای مدرن در اندازه و فن آوری، می توانید از دستگاه شارژ همراه کوچک به اتاق های گاز پر بزرگ با سیم که تشخیص آهنگ یونیزه تولید شده توسط ذرات باردار متفاوت است.

داستان

شتاب دهنده ذرات شارژ عمدتا برای مطالعات از خواص هستههای اتمی و ذرات بنیادی توسعه یافته است. با افتتاح یک فیزیکدان انگلیسی به ارنست رادرفورد در سال 1919، واکنش هسته نیتروژن و ذرات آلفا، تمام تحقیقات در زمینه فیزیک هسته ای تا سال 1932 با هسته هلیوم، آزاد شده توسط فروپاشی عناصر رادیواکتیو طبیعی انجام شد. طبیعی آلفا ذرات دارای انرژی جنبشی 8 مگا الکترون ولت، اما رادرفورد معتقد بودند که آنها باید مصنوعی مقادیر به حتی بالاتر برای نظارت بر زوال هستههای سنگین شتاب. در آن زمان دشوار به نظر می رسید. با این حال، محاسبه در سال 1928 ساخته شده توسط Georgiem Gamovym (در دانشگاه گوتینگن آلمان)، نشان داد که یون را می توان در انرژی بسیار پایین تر استفاده می شود، و این تلاش برای ساخت یک مرکز است که یک پرتو تحقیقات هسته ای کافی فراهم می کند تحریک می شود.

حوادث دیگر از این دوره اصول که توسط آن شتاب دهنده های ذرات باردار شده به این روز ساخته شده است نشان داده است. اولین آزمایش موفق با یونهای مصنوعی شتاب کاکرافت و والتون در سال 1932 در دانشگاه کمبریج برگزار شد. با استفاده از چند برابر ولتاژ، پروتون به 710 کیلو الکترون ولت شتاب، و نشان داد که دومی واکنش نشان می دهند با لیتیوم به شکل دو ذره آلفا. تا سال 1931، در دانشگاه پرینستون در نیوجرسی، رابرت واندوگراف کمربند الکترواستاتیک اولین ژنراتور با پتانسیل بالا. چند برابر ولتاژ ژنراتور معطوف والتون و ژنراتور واندوگراف هنوز هم به عنوان منابع انرژی برای شتاب دهنده استفاده می شود.

اصل شتاب دهنده خطی رزونانس رولف ویدروئه در سال 1928. دانشگاه فنی نوردراین-وستفالی در آخن آلمان نشان داده شد، او با استفاده از ولتاژ AC بالا برای سرعت بخشیدن به سدیم و پتاسیم به یون به انرژی در بیش از دو بار به آنها بگویید. در سال 1931 در ایالات متحده ارنست LOURENS و دستیار او دیوید اسلون از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، با استفاده از زمینه های فرکانس بالا برای سرعت بخشیدن به یونهای جیوه به انرژی بیشتر از 1.2 مگا الکترون ولت. این کار تکمیل شتاب دهنده ذرات باردار سنگین ویدروئه، اما پرتوهای یونی هستند در تحقیقات هسته ای مفید نیست.

شتاب دهنده رزونانس مغناطیسی یا سیکلوترون، به عنوان یک اصلاح نصب و راه اندازی لارنس ویدروئه تصور می شد. دانشجو لارنس لیوینگستون اصل از سیکلوترون در سال 1931 نشان داد، ساخت یون را با انرژی 80 کیلو الکترون ولت. در سال 1932، لارنس و لیوینگستون شتاب پروتون اعلام کرد تا بیش از 1 مگا الکترون ولت. حدود 4 مگا الکترون ولت - بعد در 1930s، شتابدهنده حلقوی از انرژی در حدود 25 مگا الکترون ولت و واندوگراف رسیده است. در سال 1940، دونالد Kerst، استفاده از نتایج حاصل از محاسبات دقیق از مدار به ساختار آهنربا، ساخته شده در دانشگاه ایلینوی، بتاترون اول، القای مغناطیسی شتاب دهنده الکترون میباشد.

فیزیک مدرن: شتاب دهنده های ذرات

پس از جنگ جهانی دوم بود پیشرفت سریع در علم شتاب ذرات تا انرژی بالا وجود دارد. این ادوین مک میلان در برکلی و ولادیمیر Veksler در مسکو آغاز شد. در سال 1945، هر دو آنها به طور مستقل از یکدیگر اصل ثبات فازی توصیف کرده اند. این مفهوم ارائه می دهد وسیله ای برای حفظ مدار پایدار از ذرات در یک شتاب دهنده دایره ای است که محدودیت در انرژی پروتون حذف و ایجاد یک شتاب دهنده رزونانس مغناطیسی (سینکروترون) برای الکترون کمک کرد. Autophasing، اجرای اصل ثبات فاز، پس از ساخت یک synchrocyclotron کوچک در دانشگاه کالیفرنیا و سینکروترون در انگلستان تایید شد. اندکی بعد، اولین پروتون شتاب دهنده خطی رزونانس ایجاد شد. این اصل در همه سینکروترون پروتون های بزرگ ساخته شده از آن به بعد استفاده می شود.

در سال 1947، ویلیام هانسن، در دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا، ساخته شده است اولین شتاب دهنده خطی الکترون در موج مسافر، که از تکنولوژی مایکروویو است که برای رادار در طول جنگ جهانی دوم را توسعه داده است استفاده می شود.

پیشرفت در مطالعه با افزایش انرژی پروتون، که منجر به ساخت شتاب دهنده های بزرگتر ساخته شده است. این روند از هزینه تولید بالا حلقه آهنربای بزرگ متوقف شده است. بزرگترین وزن آن در حدود 40000 تن می باشد. مواد و روش ها برای افزایش انرژی بدون رشد اندازه دستگاه در مورد 1952 godu لیوینگستون، کورانت و اسنایدر یک تکنیک متغیر تمرکز غربالگری شدند (گاهی اوقات قوی با تمرکز نامیده می شود). سینکروترون کار بر روی این اصل، استفاده از آهن ربا 100 برابر کوچکتر از قبل. چنین فوکوس در تمام سینکروترون مدرن استفاده می شود.

در سال 1956 Kerst متوجه شدم که اگر این دو مجموعه از ذرات در مدار متقاطع حفظ، شما می توانید آنها را تماشا برخورد می کنند. استفاده از این ایده مورد نیاز تجمع شتاب پرتوهای در چرخه، به نام تجمعی. این تکنولوژی انرژی حداکثر ذرات تعامل به دست آورد.