Urychlovač částic

Kvůli vysokonapěťovému stropu vynucenému elektrickým výbojem se pro urychlení částic na vyšší energie používají spíše techniky zahrnující dynamická pole než statická pole. Elektrodynamické zrychlení může vzniknout z jednoho ze dvou mechanismů: nerezonanční magnetické indukce nebo rezonančních obvodů nebo dutin buzených oscilujícími vysokofrekvenčními poli. Elektrodynamické urychlovače mohou být lineární, s částicemi zrychlujícími se po přímce, nebo kruhové, pomocí magnetických polí k ohýbání částic na zhruba kruhové oběžné dráze.

Urychlovače magnetické indukceEdit

Urychlovače magnetické indukce zrychlují částice indukcí z rostoucího magnetického pole, jako by částice byly sekundárním vinutím v transformátoru. Zvyšující se magnetické pole vytváří cirkulující elektrické pole, které lze konfigurovat pro zrychlení částic. Indukční urychlovače mohou být lineární nebo kruhové.

Lineární indukční akcelerátoryEdit

Lineární indukční urychlovače využívají feritové, neresonanční indukční dutiny. Každá dutina může být považována za dva velké disky ve tvaru podložky spojené vnější válcovou trubkou. Mezi disky je feritový toroid. Napěťový impuls aplikovaný mezi dva disky způsobuje zvyšující se magnetické pole, které indukčně spojuje energii s paprskem nabitých částic.

Lineární indukční urychlovač vynalezl Christofilos v 60. letech. Lineární indukční urychlovače jsou schopné zrychlit velmi vysoké proudy paprsku (> 1 000 A) v jediném krátkém impulzu. Používají se ke generování rentgenových paprsků pro bleskovou rentgenografii (např. DARHT v LANL) a byly považovány za injektory částic pro fúzi magnetického omezování a jako ovladače pro volné elektronové lasery.

BetatronsEdit

Betatron je kruhový magnetický indukční urychlovač, který vynalezl Donald Kerst v roce 1940 pro urychlení elektronů. Koncept pochází od norsko-německého vědce Rolfa Widerøeho. Tyto stroje, jako synchrotrony, používají prstencový magnet ve tvaru prstence (viz níže) s cyklicky rostoucím polem B, ale urychlují částice indukcí ze zvyšujícího se magnetického pole, jako by to byly sekundární vinutí v transformátoru, kvůli změna magnetického toku oběžnou dráhou.

Dosažení konstantního poloměru oběžné dráhy při zásobování správným zrychlujícím se elektrickým polem vyžaduje, aby magnetický tok spojující oběžnou dráhu byl do určité míry nezávislý na magnetickém poli na oběžné dráze a ohýbal částice do konstanty křivka poloměru. V praxi byly tyto stroje omezeny velkými radiačními ztrátami, které elektrony pohybovaly téměř rychlostí světla na oběžné dráze s relativně malým poloměrem.

Lineární urychlovače Upravit

V lineárním urychlovači částic (linac) se částice zrychlují v přímce s cílem zájmu na jednom konci. Často se používají k počátečnímu nízkoenergetickému nakopnutí částic před jejich vstřikováním do kruhových urychlovačů. Nejdelší linac na světě je Stanford Linear Accelerator, SLAC, který je dlouhý 3 km (1,9 mil). SLAC je urychlovač elektronů a pozitronů.

Lineární vysokoenergetické urychlovače používají lineární pole desek (nebo driftových trubek), na které se aplikuje střídavé vysokoenergetické pole. Když se částice přiblíží k desce, jsou k ní zrychleny nábojem opačné polarity aplikovaným na desku. Jak procházejí otvorem v desce, přepíná se polarita tak, že je deska nyní odpuzuje a jsou jimi nyní zrychlovány směrem k další desce. Normálně se proud „svazků“ částic zrychluje, takže se na každou desku přikládá pečlivě řízené střídavé napětí, aby se tento proces pro každou svazku neustále opakoval.

Jak se částice blíží rychlosti světla, rychlost spínání elektrických polí se stává tak vysokou, že pracují na rádiových frekvencích, a proto se mikrovlnné dutiny používají ve strojích s vyšší energií místo jednoduchých desek.

Lineární urychlovače se také široce používají v medicíně pro radioterapii a radiochirurgii. Lékařské linaky urychlují elektrony pomocí klystronu a komplexního uspořádání ohybových magnetů, které produkují paprsek energie 6-30 MeV. Elektrony lze použít přímo nebo je lze srazit s cílem za vzniku paprsku rentgenových paprsků. Spolehlivost, flexibilita a přesnost vyzařovaného paprsku do značné míry nahradila starší použití terapie kobaltem-60 jako léčebného nástroje.

Kruhové nebo cyklické RF akcelerátory Upravit

V kruhovém urychlovači se částice pohybují v kruhu, dokud nedosáhnou dostatečné energie.Stopa částic je typicky ohnutá do kruhu pomocí elektromagnetů. Výhodou kruhových urychlovačů oproti lineárním urychlovačům (linacs) je to, že kruhová topologie umožňuje kontinuální zrychlení, protože částice může procházet neomezeně dlouho. Další výhodou je, že kruhový urychlovač je menší než lineární urychlovač srovnatelné síly (tj. Linac by musel být extrémně dlouhý, aby měl ekvivalentní výkon kruhového urychlovače).

V závislosti na energii a urychlovaných částic trpí kruhové urychlovače nevýhodou v tom, že částice emitují synchrotronové záření. Když je jakákoli nabitá částice zrychlena, vyzařuje elektromagnetické záření a sekundární emise. Jelikož částice cestující v kruhu se vždy zrychlují směrem ke středu kruhu, nepřetržitě vyzařují směrem k tečně kruhu. Toto záření se nazývá synchrotronové světlo a velmi závisí na hmotnosti zrychlující se částice. Z tohoto důvodu je mnoho vysokoenergetických elektronových urychlovačů linacs. Určité urychlovače (synchrotrony) jsou však konstruovány speciálně pro produkci synchrotronového světla (rentgenových paprsků).

Protože speciální teorie relativity vyžaduje, aby hmota vždy putovala pomaleji než rychlost světla ve vakuu, ve vysokých energetické urychlovače, protože energie zvyšuje rychlost částic jako rychlost se blíží rychlosti světla, ale nikdy ji nedosáhne. Fyzici částic proto obecně nemyslí z hlediska rychlosti, ale spíše z hlediska energie nebo hybnosti částice, obvykle měřené v elektronvoltech (eV). Důležitým principem pro kruhové urychlovače a paprsky částic obecně je, že zakřivení trajektorie částic je úměrné náboji částic a magnetickému poli, ale nepřímo úměrné hybnosti (obvykle relativistické).

CyclotronsEdit

Nejstaršími provozními kruhovými urychlovači byly cyklotrony, které vynalezl v roce 1929 Ernest Lawrence z Kalifornské univerzity v Berkeley. Cyklotrony mají jediný pár dutých desek ve tvaru písmene „D“ pro urychlení částic a jeden velký dipólový magnet, který ohne jejich dráhu na kruhovou dráhu. Je to charakteristická vlastnost nabitých částic v rovnoměrném a konstantním magnetickém poli B, které obíhají s konstantní periodou, na frekvenci nazývané cyklotronová frekvence, pokud je jejich rychlost ve srovnání s rychlostí světla c malá. To znamená, že zrychlující D cyklotronu mohou být poháněny na konstantní frekvenci vysokofrekvenčním (RF) zdrojem zrychlujícím energii, protože paprsek nepřetržitě spirálovitě směřuje ven. Částice jsou vstřikovány do středu magnetu a jsou extrahovány v vnější hrana na své maximální energii.

Cyklotrony dosahují energetického limitu kvůli relativistickým účinkům, kdy se částice účinně stávají masivnějšími, takže jejich frekvence cyklotronů vypadne synchronizovaně s akcelerujícím RF. Proto jednoduché cyklotrony může urychlovat protony pouze na energii kolem 15 milionů elektronvoltů (15 MeV, což odpovídá rychlosti zhruba 10% c), protože protony se s hnacím elektrickým polem dostanou z fáze. Při dalším zrychlení by paprsek pokračoval spirála ven na větší poloměr, ale částice by již nezískaly dostatečnou rychlost k dokončení většího kruhu v kroku s akcelerujícím RF. Aby se přizpůsobily relativistické efekty, magnetické pole potřebuje být zvýšen na vyšší poloměry, jak je tomu u izochronních cyklotronů. Příkladem izochronního cyklotronu je kruhový cyklotron PSI ve Švýcarsku, který poskytuje protony o energii 590 MeV, což odpovídá zhruba 80% rychlosti světla. Výhodou takového cyklotronu je maximální dosažitelný extrahovaný protonový proud, který je v současné době 2,2 mA. Energie a proud odpovídají výkonu paprsku 1,3 MW, což je nejvyšší ze všech aktuálně dostupných urychlovačů.

Synchrocyklotrony a izochronní cyklotronyEdit

Klasický cyklotron lze upravit tak, aby se zvýšil jeho energetický limit. Historicky prvním přístupem byl synchrocyklotron, který urychluje částice ve svazcích.Využívá konstantní magnetické pole, ale snižuje frekvenci zrychlujícího pole tak, aby udržoval částice v kroku, když se spirálovitě pohybují směrem ven, a shoduje se s jejich hmotově závislou cyklotronovou rezonanční frekvencí. Tento přístup trpí nízkým průměrným paprskem intenzita v důsledku shlukování a opět z potřeby velkého magnetu s velkým poloměrem a konstantním polem na větší oběžné dráze vyžadované vysokou energií.

Druhým přístupem k problému zrychlení relativistických částic je izochronní V takové struktuře je frekvence urychlovacího pole (a frekvence cyklotronové rezonance) udržována konstantní pro všechny energie tvarováním pólů magnetu tak, aby se zvyšovalo magnetické pole s poloměrem. Všechny částice se tak zrychlují v izochronních časových intervalech. Částice s vyšší energií cestují na každé oběžné dráze kratší vzdálenost, než by tomu bylo u klasického cyklotronu, a tak zůstávají ve fázi s urychlujícím polem. Výhodou izochronního cyklotronu je, že může dodávat spojité paprsky vyšší průměrné intenzity, což je užitečné pro některé aplikace. Hlavními nevýhodami jsou velikost a cena potřebného velkého magnetu a obtížnost dosažení vysokých hodnot magnetického pole požadovaných na vnějším okraji struktury.

Synchrocyklotrony nebyly vyráběny, protože izochronní cyklotron byl vyvinut.

SynchrotronsEdit

Dosáhnout ještě vyšších energií, s relativistickou hmotou blížící se nebo překročení zbytkové hmotnosti částic (pro protony, miliardy elektronvoltů nebo GeV) je nutné použít synchrotron. Jedná se o urychlovač, ve kterém jsou částice zrychlovány v prstenci s konstantním poloměrem. Okamžitá výhoda oproti cyklotronům spočívá v tom, že magnetické pole musí být přítomno pouze nad skutečnou oblastí oběžných drah částic, která je mnohem užší než oblast prstence. (Největší cyklotron postavený v USA měl magnetický pól o průměru 184 palců (4,7 m), zatímco průměr synchrotronů, jako jsou LEP a LHC, je téměř 10 km. Otvor dvou paprsků LHC je řádově centimetr.) LHC obsahuje 16 RF dutin, 1232 supravodivých dipólových magnetů pro řízení paprsku a 24 čtyřpólů pro zaostření paprsku. I při této velikosti je LHC omezen svou schopností řídit částice, aniž by zmizely. Předpokládá se, že k tomuto limitu dochází při 14TeV.

Protože se však během zrychlení zvyšuje hybnost částic, je nutné magnetické pole B proporcionálně zvýšit, aby se udržovalo konstantní zakřivení oběžné dráhy. V důsledku toho synchrotrony nemohou urychlovat částice nepřetržitě, jak to mohou cyklotrony, ale musí fungovat cyklicky a dodávat částice ve svazcích, které jsou dodávány do cíle nebo se externí paprsek ve svazku „rozlije“ obvykle každých několik sekund.

Vzhledem k tomu, že vysokoenergetické synchrotrony provádějí většinu své práce na částicích, které již cestují téměř rychlostí světla c, je doba k dokončení jedné oběžné dráhy prstence téměř konstantní, stejně jako frekvence RF dutinových rezonátorů používaných k řízení zrychlení .

V moderních synchrotronech je otvor paprsku malý a magnetické pole nepokrývá celou oblast oběžné dráhy částic, jako je tomu u cyklotronu, takže lze oddělit několik nezbytných funkcí. Místo jednoho velkého magnetu má jeden řadu stovek ohýbacích magnetů, které uzavírají (nebo obklopují) vakuové spojovací trubky. Konstrukce synchrotronů přinesla revoluci počátkem padesátých let objevením konceptu silného zaostřování. Zaostřování paprsku je řešeno samostatně specializovanými čtyřpólovými magnety, zatímco samotné zrychlení je prováděno v samostatných RF sekcích, podobně jako krátké lineární urychlovače. Rovněž není nutné, aby cyklické stroje byly kruhové, ale paprsková trubka může mít přímé úseky mezi magnety, kde mohou paprsky kolidovat, být chlazeny atd. Toto se vyvinulo do celého samostatného předmětu, který se nazývá „fyzika paprsků“ nebo „paprsek optika „.

Složitější moderní synchrotrony, jako jsou Tevatron, LEP a LHC, mohou dodávat částice do skladovacích prstenců magnetů s konstantním magnetickým polem, kde mohou pokračovat v obíhání po dlouhou dobu za účelem experimentování nebo další zrychlení.Stroje s nejvyšší energií, jako jsou Tevatron a LHC, jsou vlastně komplexy urychlovačů s kaskádou specializovaných prvků v sérii, včetně lineárních urychlovačů pro počáteční vytvoření paprsku, jednoho nebo více nízkoenergetických synchrotronů k dosažení střední energie, akumulačních prstenců, kde mohou být paprsky nashromážděné nebo „ochlazené“ (snížení požadované clony magnetu a umožnění přísnějšího zaostření; viz chlazení paprsku) a poslední velký prstenec pro konečné zrychlení a experimentování.

Electron synchrotronsEdit

Kruhové elektronové urychlovače poněkud upadly v prospěch fyziky částic v době, kdy byl konstruován lineární urychlovač částic SLAC, protože jejich synchrotronové ztráty byly považovány za ekonomicky neúnosné a protože jejich intenzita paprsku byla nižší než u pulzních lineárních strojů . Kukuřice ell Electron Synchrotron, postavený s nízkými náklady na konci 70. let, byl prvním z řady vysokoenergetických kruhových elektronových urychlovačů postavených pro fyziku základních částic, poslední je LEP, postavený v CERNu, který se používal od roku 1989 do roku 2000.

V posledních dvou desetiletích bylo vyrobeno velké množství elektronových synchrotronů jako součást synchrotronových světelných zdrojů, které emitují ultrafialové světlo a rentgenové záření; viz níže.

Skladovací kroužkyEdit

U některých aplikací je užitečné po určitou dobu ukládat paprsky částic s vysokou energií (s moderní technologie vysokého vakua, až po mnoho hodin) bez dalšího zrychlení. To platí zejména pro urychlovače kolidujících paprsků, u nichž dochází ke kolizi dvou paprsků pohybujících se v opačných směrech, s velkým ziskem účinné energie srážky. Protože při každém průchodu průsečíkem dvou paprsků dochází k relativně malému počtu kolizí, je obvyklé paprsky nejprve zrychlit na požadovanou energii a poté je uložit do úložných prstenců, což jsou v podstatě synchrotronové prstence magnetů, bez významných RF síla pro zrychlení.

Synchrotronové zdroje zářeníEdit

Některé kruhové urychlovače byly konstruovány tak, aby záměrně generovaly záření (tzv. synchrotronové světlo) jako Rentgenové záření se také nazývá synchrotronové záření, například Diamond Light Source, který byl postaven v Rutherford Appleton Laboratory v Anglii, nebo Advanced Photon Source v Argonne National Laboratory v Illinois, USA. Vysokoenergetické rentgenové paprsky jsou užitečné například pro rentgenovou spektroskopii proteinů nebo rentgenovou absorpční jemnou strukturu (XAFS).

Synchrotronové záření je účinněji emitováno lehčími částicemi, takže tyto urychlovače jsou elektronové urychlovače. Synchrotronové záření umožňuje lepší zobrazování, jak bylo prozkoumáno a vyvinuto ve SLAC SPEAR.

Fixed-Field Alternating Gradient AcceleratorsEdit

Střídavé urychlovače gradientního pole s fixním polem (FFA) s, ve kterých magnetické pole, které je fixováno v čase, ale s radiální variací pro dosažení silného zaostření, umožňuje paprsek zrychlit s vysokou opakovací rychlostí, ale v mnohem menší radiální šíření než v případě cyklotronu. Isochronní FFA, podobně jako izochronní cyklotrony, dosahují nepřetržitého provozu paprsku, ale bez nutnosti použití velkého dipólového ohýbacího magnetu pokrývajícího celý poloměr oběžných drah. Některé novinky ve FFA jsou zahrnuty v. >

HistoryEdit

První cyklotron Ernesta Lawrencea měl průměr pouhých 100 mm. Později, v roce 1939, postavil stroj s pólovým čelem o průměru 60 palců a v roce 1942 plánoval stroj s průměrem 184 palců, který však byl převzat za práce spojené s druhou světovou válkou spojené s oddělením izotopů uranu; po válce pokračoval v provozu pro výzkum a medicínu po mnoho let.

Prvním velkým protonovým synchrotronem byl Cosmotron v Brookhaven National Laboratory, který zrychlil protony na asi 3 GeV (1953–1968). Bevatron v Berkeley, dokončený v roce 1954, byl speciálně navržen tak, aby zrychlil protony na dostatečnou energii k vytvoření antiprotonů a ověřil symetrii částic a antičástic přírody, poté pouze teoretizoval. Synchrotron se střídavým gradientem (AGS) v Brookhavenu (1960–) byl první velký synchrotron se střídavým gradientem, magnety se „silným zaostřováním“, které výrazně snížily požadovanou aperturu paprsku a odpovídajícím způsobem velikost a cenu ohybových magnetů. Protonový synchrotron, postavený v CERNu (1959–), byl prvním hlavním evropským urychlovačem částic a obecně podobný AGS.

Stanfordský lineární akcelerátor, SLAC, začal fungovat v roce 1966 a zrychlil elektrony na 30 GeV ve 3 km dlouhém vlnovodu, pohřben v tunelu a poháněn stovkami velkých klystronů. Je to stále největší lineární urychlovač v existenci a byl vylepšen přidáním paměťových prstenců a elektron-pozitronového urychlovače. Je to také zdroj rentgenových a UV synchrotronových fotonů.

Fermilab Tevatron má prsten s dráhou paprsku 4 míle (6,4 km). Obdržel několik upgradů a fungoval jako proton-antiprotonový urychlovač, dokud nebyl odstaven z důvodu rozpočtových škrtů 30. září 2011. Největším kruhovým urychlovačem, jaký byl kdy vyroben, byl synchrotron LEP v CERNu s obvodem 26,6 kilometru, který byl urychlovač elektronů / pozitronů. Před demontáží v roce 2000 dosáhl energie 209 GeV, aby mohl být tunel použit pro Large Hadron Collider (LHC). LHC je protonový urychlovač a v současnosti největší a nejvyšší energetický urychlovač na světě, dosahující 6,5 TeV energie na paprsek (celkem 13 TeV).

Přerušený supravodivý super Collider (SSC) v Texasu měl by obvod 87 km. Stavba byla zahájena v roce 1991, ale opuštěna v roce 1993. Velmi velké kruhové urychlovače jsou vždy stavěny v tunelech širokých několik metrů, aby se minimalizovalo narušení a náklady na stavbu takové konstrukce na povrchu, a poskytují stínění před intenzivním sekundárním zářením, které se vyskytuje a které extrémně proniká při vysokých energiích.