מאיצים קוויים של חלקיקים טעונים. כמו עבודת מאיצי חלקיקים. למה מאיצי חלקיקים?

המאיץ של חלקיקים טעונים - מכשיר שבו אלומת חלקיקים אטומיים טעונים חשמלית או תת-אטומיים הנעים במהירויות הקרובות למהירות. הבסיס של עבודתו הוא גידול דרוש שלהם באנרגיה על ידי שדה חשמלי ולשנות את המסלול - מגנטי.

מה הם מאיצי חלקיקים?

התקנים אלה נמצאים בשימוש נרחב בתחומים שונים של מדע ותעשייה. נכון להיום, בעולם יש יותר מ 30 אלף. על הפיזיקה של מאיצי חלקיקים טעונים לשמש ככלי מחקר בסיסי על המבנה אטום, את האופי של כוחות גרעיניים ואפיין גרעין, אשר אינו מתרחשים באופן טבעי. האחרונים כוללים הטראנס-אוראניים ואלמנטים יציבים אחרים.

עם צינור להזרמת הפך ניתן לקבוע את חיוב מסוים. מאיצי חלקיקים טעונים גם משמשים לייצור radioisotopes, ב רדיוגרפיה תעשייתית, רדיותרפיה, עבור עיקור של חומרים ביולוגיים, ובשנת ניתוח פחמן רדיואקטיבי. היחידות הגדולות משמשות בחקר אינטראקציות יסוד.

חייו של החלקיקים הטעונים במנוחה ביחס המאיץ קטן מזה של חלקיקים מואצים למהירויות קרובות למהירות האור. זו מאשרת את הסכום הקטן יחסית של תחנות זמן. לדוגמה, ב- CERN הושגה עלייה חייו של מהירות מואוני 0,9994c 29 פעמים.

מאמר זה בוחן מה יש בפנים ועבודת מאיץ חלקיקים, הפיתוח שלה, סוגים שונים ותכונות שונות.

עקרונות אצים

לא משנה איזה סוג של מאיצי חלקיקים טעונים אתה יודע, יש להם את כל רכיבים משותפים. ראשית, הם חייבים להיות מקור של אלקטרונים במקרה של צינור התמונה בטלוויזיה או אלקטרונים, פרוטונים אנטי-חלקיק שלהם במקרה של מתקנים גדולים יותר. יתר על כן, הם חייבים כל יש שדות חשמליים כדי להאיץ חלקיקים ושדות מגנטיים כדי לשלוט במסלול שלהם. בנוסף, ואקום במאיץ החלקיקים טעונים (10 ^-11 מ"מ כספית. V.), מ 'א כמות מינימלית של אוויר שיורית, נדרש להבטיח קורות זמן חיים ארוך. לבסוף, כל ההתקנות חייבות להיות אמצעי רישום, ספירה ומדידה של החלקיקים המואצים.

דור

אלקטרונים ופרוטונים, אשר הם נפוצים ביותר במאיצים, נמצאים כל החומרים, אבל קודם הם צריכים לבחור מהם. אלקטרונים בדרך כלל נוצרים באותו אופן כמו בצינור התמונה - ב מכשיר אשר נקרא "אקדח". זהו קתודה (אלקטרודה שלילית) בריק, אשר מחומם למצב שבו אלקטרונים להתחיל לרדת אטומים. חלקיקים טעונים שלילית נמשכים האנודה (האלקטרודה החיובית) ועוברים דרך שקע. האקדח עצמו הוא פשוט ביותר כמו מאיץ כי האלקטרונים נעים בהשפעת שדה חשמלי. המתח בין הקתודה לבין האנודה, בדרך כלל בתוך ק ו טווח 50-150.

מלבד אלקטרונים בכל החומרים הכלולים פרוטונים, אך גרעין פרוטון יחיד בלבד מורכב מאטום מימן. לכן, מקור החלקיקים עבור מאיצי פרוטון הוא גז מימן. במקרה זה, הגז הוא מיונן ואת הפרוטונים ממוקמים דרך חור. במאיצים גדולים פרוטונים נוצרים לרוב בצורה של יוני מימן השלילי. הם מייצגים אלקטרון נוסף מאטומים שהם תוצר של יינון גז diatomic. מאז יוני המימן הטעון השלילי בשלבים הראשונים של העבודה קלה יותר. ואז הם עוברים רדיד דק, אשר שולל מהם האלקטרונים לפני השלב הסופי של אצה.

האצה

כמו עבודת מאיצי חלקיקים? תכונה מרכזית של כל אחד מהם היא השדה החשמלי. הדוגמא הפשוטה ביותר - בתחום סטטי האחיד בין הפוטנציאלים החשמליים החיוביים ושליליים, דומה לזו קיימת בין המסופים של הסוללה החשמלית. שדה אלקטרון זו נושא מטען שלילי חשוף כוח אשר יפנה אותו פוטנציאל חיובי. היא מאיצה את זה, ואם יש משהו שיכול היה לעמוד בדרכו, העלייה המהירה והעצמה שלו. אלקטרונים הנעים לכיוון הפוטנציאל החיובי על החוט או באוויר, ו מתנגשים עם האטומיים לאבד אנרגיה, אבל אם הם ממוקמים vacuo, אז מואצים ככל שהם מתקרבים האנודה.

מתח בין עמדת ההתחלה וסיום של מגדיר האלקטרונים רכש אותם באנרגיה. כאשר נע דרך הפרש פוטנציאלים של 1 V שווה 1 אלקטרון-וולט (eV). זה שווה 1,6 × 10 ^-19 ג'אול. האנרגיה של יתוש מעופף טריליון פעמים יותר. בשנת אלקטרוני kinescope מואצים במתח העולה על 10 קילו. מאיצים רבים להגיע הרבה אנרגיות גבוהות שנמדדו מגה, גיגה ו Tera-אלקטרון-וולט.

מינים

חלק מהסוגים המוקדמים של מאיצי חלקיקים, כגון מכפיל המתח ואת מחולל Graaff גנרטור ואן דה, באמצעות שדה חשמלי קבוע שנוצר על ידי הפוטנציאלים של עד מיליון וולט. כאשר מחברי מתח גבוה כזה לעבוד קל. חלופה מעשית יותר היא הפעולה החוזרת של שדות חשמליים חלשים המיוצר פוטנציאלים נמוכים. עיקרון זה משמש בשני הסוגים של מאיצים מודרניים - ליניארי המחזורית (בעיקר ציקלוטרון ו synchrotrons). מאיצי חלקיקים לינארי, בקיצור, עברו אותם פעם דרך הרצף של שדות מאיצים, בעוד פעמי מחזור רבות הם עוברים במסלול מעגלי דרך השדה החשמלי הקטן יחסית. בשני המקרים, את האנרגיה הסופית של החלקיקים תלויות בתחום הכולל של פעולה, כך קטנות רבות "בליטות" מתווספות יחד כדי לתת את ההשפעה המשולבת של גדול יחיד.

המבנה החוזר והנשנה של מאיץ ליניארי כדי ליצור שדות חשמליים באופן טבעי הוא להשתמש AC, לא DC. החלקיקים הטעונים חיובית המואצים פוטנציאל שלילי ולקבל תנופה חדשה, אם לעבור חיובית. בפועל, המתח יש לשנות מהר מאוד. לדוגמה, באנרגיה של מהלכים פרוטון 1 MeV במהירות מאוד גבוהה היא מהירות האור של 0.46, עובר 1.4 מ 'של 0.01 מילי-שניות. משמעות הדבר היא כי במבנה החוזר של כמה מטרים ארוך, עוצמת השדה החשמלי חייב לשנות כיוון בתדירות של MHz לפחות 100. חלקיקים לינארי מאיצים מחזוריים בדרך כלל לפזר אותם עם תדירות השדה החשמלית לסירוגין מ 100 MHz עד 3000, t. E. בטווח של גלי רדיו כדי מיקרוגלים.

גל אלקטרומגנטי הוא שילוב של שדות חשמליים ומגנטיים נדנוד נדנוד בזווית ישרה זה לזה. נקודת המפתח היא להתאים את הגל המאיץ כך על הגעתו של חלקיקי השדה החשמלי מכוון בהתאם וקטור התאוצה. ניתן לעשות זאת באמצעות גל עומד - השילוב של גלים מתקדמים בכיוונים מנוגדים בתוך חלל סגור, גלי הקול העוגב. התגלמות חלופית נע במהירות אלקטרונים מירויות אשר המתקרבות למהירות אור, גל נסיעה.

autophasing

השפעה חשובה של אצת שדה חשמלי לסירוגין היא "יציבות שלב". בשדה חשמלי משתנה מחזור תנודה אחד עובר אפס מהערך המקסימאלי בחזרה לאפס, זה מקטין למינימום עולה ל אפס. לפיכך, הוא עובר פעמיים דרך ערך נדרש עבור האצה. אם חלקיק שמהירותם עולה, מגיע מוקדם מדי, זה לא יעבוד בשדה של כוח מספיק, ואת הדחיפה תהיה חלשה. כשזה מגיע לאזור הבא, המבחן מאוחר יותר השפעה. כתוצאה מכך, עצמי בהדרגה מתרחשת, החלקיקים יהיו בשלב עם כל שדה באזור המאיץ. אפקט נוסף הוא לקבץ אותן בזמן כדי ליצור קריש ולא זרם מתמשך.

הכיוון של הקרן

תפקיד חשוב כיצד פועל מאיץ חלקיקים, לשחק ושדות מגנטיים, כפי שהם יכולים לשנות את כיוון התנועה שלהם. משמעות הדבר היא כי הם יכולים לשמש "כיפוף" של קרן במסלול מעגלי, ולכן הם עברו שוב ושוב את אותם בסעיף מאיץ. במקרה הפשוט ביותר, על חלקיק טעון נע בזווית ישרה לכיוון של השדה המגנטי הומוגנית, וקטור כוח בניצב לשני התנועה שלה, וכדי בתחום. מצב זה גורם קרן לנוע במסלול מעגלי בניצב לשדה, עד שזה מגיע מתוך בתחומה של פעולה או כוח אחר מתחיל לפעול על פיו. אפקט זה משמש מאיצים מחזוריים כגון סינכרוטרונית הציקלוטרון. In a הציקלוטרון, בתחום המתמיד מופק על ידי מגנט גדול. חלקיקים עם הגדלת האנרגיה שלהם נעו מואצים בצורה ספיראלית כלפי חוץ עם כל סיבוב. קרישי סינכרוטרון לנוע סביב הטבעת עם רדיוס קבוע, והשדה שנוצר על ידי האלקטרומגנטים סביב עליות הטבעת כמו החלקיקים מואצים. המגנטים מתן "כיפוף", מייצגים דיפולים עם הקטבים, הצפוני והדרומי, מכופף בצורת פרסה כך קרן יכול לעבור therebetween.

הפונקציה החשובה השנייה של האלקטרומגנטים היא למקד את הקרן כך הם כל כך צרים אינטנסיביים ככל האפשר. הצורה הפשוטה ביותר של מגנט התמקדות - עם ארבעה קטבים (השנייה הצפוני והשני דרומי) הממוקם מול זה. הם דוחפים את חלקיקי למרכז בכיוון אחד, אבל לאפשר להם להיות מופץ ב בניצב. מגנטי Quadrupole למקד את הקרן אופקית, מה שמאפשר לו ללכת מחוץ לפוקוס אנכי. כדי לעשות זאת, הם חייבים לשמש בזוגות. במשך יותר מדויק התמקדות משמשות גם מגנטים מתוחכמים יותר עם מספר רב של עמודים (6 ו 8).

מכיוון שהאנרגיה של החלקיק עולה, עוצמת השדה המגנטי, ולכוון אותם עליות. זה שומר את הקורה על אותו המסלול. ביוגורט מוחדר הטבעת והוא מואץ על אנרגיה רצויה לפני שניתן יהיה מכונס השתמשו בניסויים. ביטול התביעה היא מושג על ידי אלקטרומגנטים אשר מופעלים לדחוף את החלקיקים מזירת סינכרוטרון.

התנגשות

מאיצי חלקיקים טעונים בשימוש בתחומי הרפואה והתעשייה, בעיקר לייצר קרן למטרה מסוימת, למשל: הקרנה או יון ההשתלה. משמעות הדבר היא כי החלקיקים בשימוש פעם. הדבר היה נכון של מאיצים השתמשו במחקר בסיסי במשך שנים רבות. אבל הטבעות פותחו 1970, שבו שתי אלומות במחזור בכיוונים מנוגדים מתנגשות סביב המעגל. היתרון העיקרי של מערכות כאלה הוא כי בתוך אנרגית התנגשות חזיתית של חלקיקים מגיע ישירות אל אנרגית האינטראקציה ביניהם. זאת בניגוד למה שקורה כאשר הקורה מתנגש עם תמונות נייחות, ובמקרה רוב האנרגיה הולך הפחתת חומר היעד בתנועה, בהתאם לעיקרון של חוק שימור תנע.

כמה מכונות עם קורות מתנגשים בנויות עם שתי טבעות, מצטלבות במקומות שני או יותר, שבו שהופצו בכיוונים מנוגדים, חלקיקים מאותו הסוג. נוסף-חלקיק חלקיק מאיץ נפוץ. חלקיק בעל מטען ההפך של החלקיקים הקשורים. לדוגמה, פוזיטרונים, טעונה חיובית, ואלקטרונים - שלילי. משמעות הדבר היא כי תחום מאיץ את האלקטרון, הפוזיטרונים מאטים, נע באותו הכיוון. אבל אם את המהלכים האחרונים בכיוון ההפוך, זה יהיה להאיץ. באופן דומה, אלקטרון נע דרך עקום רצון שדה מגנטי בצד השמאל, ואת הפוזיטרונים - תקין. אבל אם הפוזיטרון הוא נע קדימה, ואז הנתיב שלו ימשיך לסטות ימינה, אבל באותו העקומה כמו זו של האלקטרונים. עם זאת, משמעות הדבר היא כי החלקיקים יכולים לנוע דרך הטבעת של המגנטים סינכרוטרון אותו ואת המואצת על ידי אותו בשדות חשמליים בכיוונים מנוגדים. על העיקרון הזה נוצר colliders עצמה רב מתנגשים קורות, t. כדי. התפקיד דורש רק מאיץ טבעת אחת.

Beam ב הסינכרוטרון לא זז ללא הרף ושולב "גושים". הם יכולים להיות כמה סנטימטרים באורך עשירית מילימטר בקוטר, ומהווים כ ¹² חלקיקי ^{אוקטובר.} צפיפות נמוכה זו, מכיוון שהגודל של חומר כזה מכיל כ 10 ²³ אטומים. לכן, כאשר קורות מתנגשים מצטלבים, קיימת סבירות קטנה רק כי החלקיקים יגיבו זה עם זה. בפועל קרישים להמשיך לנוע סביב הטבעת ולפגוש שוב. ואקום גבוה מאיץ חלקיקים טעונים (10 ^-11 מ"מ כספי. V.) נדרש על מנת כי החלקיקים יכולים להסתובב במשך שעות רבות ללא התנגשויות עם מולקולות אוויר. לכן, את הטבעת נקרא גם מצטברת, בגלל קורות למעשה המאוחסן בהם במשך כמה שעות.

רישום

מאיצי חלקיקים טעונים ברוב יכול לרשום מתרחשים כאשר החלקיקים פוגעים היעד או הקרן אחרת, לנוע בכיוון ההפוך. בתוך צינור התמונה בטלוויזיה, אלקטרונים מן האקדח לשבות המסך זרחן על המשטח הפנימי ופולטים אור, אשר ובכך משחזר את התמונה מועברת. במאיצי גלאים מיוחדים כגון להגיב חלקיקים מפוזרים, אבל הם בדרך כלל נועדו ליצור אותות חשמליים אשר ניתן להמיר את נתונים למחשב ונותח באמצעות תוכנות מחשב. רק טעון אלמנטים לייצר אותות חשמליים העוברים החומר, למשל על ידי יינון או עירור של אטומים, והוא יכול להתגלות באופן ישיר. החלקיקים הניטראליים כגון ניטרונים או פוטונים ניתן לאתר בעקיפין דרך ההתנהגות של חלקיקים טעונים כי הם נמצאים בתנועה.

ישנם גלאים מיוחדים רבים. חלקם, כמו מונה גייגר, ספירת חלקיקים, ושימושים אחרים, למשל, עבור מסלולי הקלטה או מדידת מהירות של אנרגיה. גלאי מודרני בגודל ובטכנולוגיה, יכול לנוע בין מכשירים קטנים מצמיד תשלום תאים מלאה גז גדולים עם חוטים אשר לזהות מסלולים מיוננים המיוצרים על ידי חלקיקים טעונים.

סיפור

מאיצי חלקיקים טעונים שפותחה בעיקר ללימודי המאפיינים של גרעין האטום וחלקיקי יסוד. מאז פתיחתו של הפיזיקאי הבריטי ארנסט רתרפורד ב 1919, התגובה של גרעין החנקן ו חלקיק אלפא, כל המחקר בתחום הפיזיקה גרעיני 1932 בוצע עם גרעין הליום, שפורסם על ידי הריקבון של יסודות רדיואקטיביים טבעיים. יש אלפא-חלקיקים טבעיים אנרגיה קינטית של 8 MeV, אבל Rutherford האמין כי הם חייבים להיות מואצים באופן מלאכותי כדי אפילו ערכים גבוהים יותר לניטור הריקבון של גרעינים כבדים. בזמנו זה נראה קשה. עם זאת, החישוב נעשה בשנת 1928 על ידי Georgiem Gamovym (באוניברסיטת גטינגן, גרמניה), הראה כי יונים ניתן להשתמש באנרגיות נמוכות, וזה עורר ניסיונות לבנות מתקן המספק קרן מספיק למחקר גרעיני.

אירועים אחרים של התקופה הזו הוכיחו את העקרונות שעל פיהם מאיצי חלקיקים הטעונים בנויים עד עצם היום הזה. הניסויים המוצלחים הראשונים עם יוני המואץ מלאכותי התקיימו Cockroft ו וולטון ב 1932 באונ' קיימברידג '. באמצעות מכפיל מתח, פרוטונים מואצים 710 keV, והראו כי הלה להגיב עם ליתיום ליצירת שני חלקיקי אלפא. עד 1931, באוניברסיטת פרינסטון בניו ג'רזי, רוברט ואן דה Graaff חגורת אלקטרוסטטית בנה את גנרטור בעלות פוטנציאל גבוה הראשונה. Cockcroft-וולטון גנרטורים מכפיל מתח ו מחולל ואן-דה-גראף הוא עדיין המשמשים כמקורות אנרגיה עבור מאיצי.

העיקרון של מאיץ ליניארי התהודה הודגמה רולף Wideroe בשנת 1928. הריין-הווסטפאלית טכני אוניברסיטת אאכן, גרמניה, הוא השתמש מתח AC גבוה כדי להאיץ את יונים של נתרן ואשלגן לאנרגיות העולה על פי שניים לספר להם. בשנת 1931 בארצות הברית ארנסט Lourens ועוזרו דוד סלואן מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, השתמשו שדות בתדר גבוה כדי להאיץ יונים כספית לאנרגיות העולה על 1.2 MeV. עבודה זו היא השלימה מאיצה של Wideroe חלקיקים כבדים טעונים, אך קורות היון אינם מועילים במחקר גרעיני.

מאיץ או הציקלוטרון תהודה מגנטי, נתפס שינוי התקנת לורנס Wideroe. לורנס סטודנט ליווינגסטון הדגים את העיקרון של הציקלוטרון ב 1931, מה שהופך את היונים עם אנרגיה של 80 keV. בשנת 1932, לורנס ו ליווינגסטון הודיעה על האצת פרוטונים עד יותר מ 1 MeV. מאוחר יותר ב -1930, ציקלוטרון אנרגיה הגיע לכ 25 MeV, ואת Graaff ואן דה - כ 4 MeV. בשנת 1940, דונלד קרסט, יישום תוצאות של חישובים זהירים של מסלולו למבנה מגנט, שנבנה באוניברסיטת אילינוי, את ביתאטרון הראשון, מאיץ אלקטרונים אינדוקציה מגנטית.

פיזיקה מודרנית: מאיצי חלקיקים

לאחר מלחמת העולם השנייה חלה התקדמות מהירה מדע מאיץ חלקיקים לאנרגיות גבוהות. זה התחיל אדווין מקמילן בברקלי ולדימיר וקסלר במוסקבה. בשנת 1945, הם הם באופן עצמאי זה מזה תאר עיקרון יציבות שלב. תפיסה זו מציעה אמצעי כדי לשמור על במסלולים היציבים של החלקיקים מאיצים מעגלי כי יוסר הגבלות על אנרגית הפרוטונים ועזרו ליצור מאיצי תהודה מגנטיים (synchrotrons) עבור אלקטרונים. Autophasing, יישום עקרון היציבות שלב, אושרה לאחר בניית synchrocyclotron קטן באוניברסיטת קליפורניה ואת סינכרוטרון באנגליה. זמן קצר לאחר מכן, מאיץ ליניארי תהודת הפרוטון הראשון נוצר. עיקרון זה משמש בכל synchrotrons הפרוטון הגדול שנבנה מאז.

בשנת 1947, ויליאם הנסן, באוניברסיטת סטנפורד בקליפורניה, בנה את מאיץ ליניארי האלקטרון הראשון בבית גל מתקדם, אשר השתמשו בטכנולוגיה מיקרוגל אשר פותחה עבור הרדאר במלחמת העולם השנייה.

התקדמות במחקר התאפשרה על ידי הגדלת אנרגית הפרוטונים, אשר הובילה את בניית מאיצים גדולים אי פעם. מגמה זו היא של טבעת מגנט ענק עלות ייצור הגבוהה הופסקה. הגדול שוקל כ 40,000 טון. שיטות להגדלת האנרגיה בלי צמיחה בגודל מכונית הוקרנו על 1952 godu ליווינגסטון, קוראנט וסניידר טכניקה של חילופין התמקדות (המכונה לעתים חזק התמקדות). Synchrotrons עובד על עיקרון זה, להשתמש במגנטים 100 פעמים יותר מאשר לפני. כזו ההתמקדות משמשת בכל synchrotrons המודרנית.

בשנת 1956 קרסט הבין שאם שני סטים של חלקיקים נשמרות על המסלולים מצטלבים, אתה יכול לצפות בהם מתנגשים. היישום של הרעיון הזה נדרש קורות מואצות ההצטברות במחזורים, שנקרא מצטבר. טכנולוגיה זו השיגה אנרגיה מקסימלית של חלקיקי אינטראקציה.