Partikelaccelerator

På grund af det høje spændingsloft, der pålægges af elektrisk afladning, anvendes teknikker, der involverer dynamiske felter snarere end statiske felter for at fremskynde partikler til højere energier. Elektrodynamisk acceleration kan opstå fra en af to mekanismer: ikke-resonant magnetisk induktion eller resonanskredsløb eller hulrum ophidset af oscillerende RF-felter. Elektrodynamiske acceleratorer kan være lineære, hvor partikler accelererer i en lige linje eller cirkulære, ved hjælp af magnetfelter til at bøje partikler i en groft cirkulær bane.

Magnetiske induktionsacceleratorer Rediger

Magnetiske induktionsacceleratorer accelererer partikler ved induktion fra et stigende magnetfelt, som om partiklerne var sekundærviklingen i en transformer. Det stigende magnetfelt skaber et cirkulerende elektrisk felt, som kan konfigureres til at accelerere partiklerne. Induktionsacceleratorer kan være enten lineære eller cirkulære.

Lineære induktionsacceleratorer Rediger

Lineære induktionsacceleratorer bruger ferritbelastet, ikke-resonant induktionshulrum. Hvert hulrum kan betragtes som to store skiveformede skiver forbundet med et ydre cylindrisk rør. Mellem skiverne er en ferrittoroid. En spændingsimpuls, der påføres mellem de to skiver, forårsager et stigende magnetfelt, der induktivt kobler strøm til den ladede partikelstråle.

Den lineære induktionsaccelerator blev opfundet af Christofilos i 1960erne. Lineære induktionsacceleratorer er i stand til at accelerere meget fjernlysstrømme (> 1000 A) i en enkelt kort puls. De er blevet brugt til at generere røntgenbilleder til flashradiografi (f.eks. DARHT ved LANL) og er blevet betragtet som partikelinjektorer til magnetisk fusion og som drivere til gratis elektronlasere.

BetatronsEdit

Betatron er en cirkulær magnetisk induktionsaccelerator, opfundet af Donald Kerst i 1940 til acceleration af elektroner. Konceptet stammer i sidste ende fra den norsk-tyske videnskabsmand Rolf Widerøe. Disse maskiner, som synkrotroner, bruger en doughnutformet ringmagnet (se nedenfor) med et cyklisk stigende B-felt, men fremskynder partiklerne ved induktion fra det stigende magnetfelt, som om de var sekundærviklingen i en transformer på grund af ændring af magnetisk flux gennem kredsløbet.

At opnå konstant kredsløbsradius under tilførsel af det rigtige accelererende elektriske felt kræver, at den magnetiske flux, der forbinder kredsløbet, er noget uafhængig af magnetfeltet på banen og bøjer partiklerne til en konstant radiuskurve. Disse maskiner har i praksis været begrænset af de store strålingstab, som elektronerne bevæger sig med næsten lysets hastighed i en relativt lille radiusbane.

Lineære acceleratorer Rediger

I en lineær partikelaccelerator (linac) accelereres partikler i en lige linje med et mål af interesse i den ene ende. De bruges ofte til at give et indledende lavenergi spark til partikler, før de injiceres i cirkulære acceleratorer. Den længste linac i verden er Stanford Linear Accelerator, SLAC, som er 3 km lang. SLAC er en elektron-positron-kollider.

Lineære højenergiacceleratorer bruger et lineært array af plader (eller drivrør), hvortil et alternerende højenergifelt påføres. Når partiklerne nærmer sig en plade, accelereres de mod den af en modsat polaritetsladning, der påføres pladen. Når de passerer gennem et hul i pladen, skiftes polariteten, så pladen nu afviser dem, og de accelereres nu af den mod den næste plade. Normalt accelereres en strøm af “bunker” af partikler, så en omhyggeligt kontrolleret vekselstrøm påføres hver plade for kontinuerligt at gentage denne proces for hver bunke.

Når partiklerne nærmer sig lysets hastighed, skifter omskiftningshastigheden af de elektriske felter bliver så høje, at de fungerer ved radiofrekvenser, og så anvendes mikrobølgehulrum i maskiner med højere energi i stedet for enkle plader.

Lineære acceleratorer bruges også i vid udstrækning inden for medicin til strålebehandling og strålekirurgi. Linacs af medicinsk kvalitet fremskynder elektroner ved hjælp af en klystron og et komplekst bøjningsmagnetarrangement, der producerer en stråle på 6-30 MeV energi. Elektronerne kan bruges direkte, eller de kan kollideres med et mål for at frembringe en stråle af røntgenstråler. Pålideligheden, fleksibiliteten og nøjagtigheden af den producerede strålingsstråle har i vid udstrækning fortrængt den ældre brug af cobalt-60-terapi som et behandlingsværktøj.

Cirkulære eller cykliske RF-acceleratorer Rediger

I den cirkulære accelerator , bevæger partikler sig i en cirkel, indtil de når tilstrækkelig energi.Partikelsporet bøjes typisk i en cirkel ved hjælp af elektromagneter. Fordelen ved cirkulære acceleratorer over lineære acceleratorer (linacs) er, at ringtopologien tillader kontinuerlig acceleration, da partiklen kan passere på ubestemt tid. En anden fordel er, at en cirkulær accelerator er mindre end en lineær accelerator med sammenlignelig effekt (dvs. en linac skal være ekstremt lang for at have den tilsvarende effekt af en cirkulær accelerator).

Afhængig af energien og hvor partikler accelereres, har cirkulære acceleratorer en ulempe ved, at partiklerne udsender synkrotronstråling. Når en ladet partikel accelereres udsender den elektromagnetisk stråling og sekundære emissioner. Da en partikel, der bevæger sig i en cirkel, altid accelererer mod centrum af cirklen, stråler den kontinuerligt mod cirkelens tangens. Denne stråling kaldes synkrotronlys og afhænger meget af massen af den accelererende partikel. Af denne grund er mange højenergi-elektronacceleratorer linacer. Visse acceleratorer (synkrotroner) er dog bygget specielt til at producere synkrotronlys (røntgenstråler).

Da den særlige relativitetsteori kræver, at materie altid bevæger sig langsommere end lysets hastighed i vakuum, i høj energiacceleratorer, når energien øges, nærmer partikelhastigheden lysets hastighed som en grænse, men når den aldrig. Derfor tænker partikelfysikere generelt ikke med hensyn til hastighed, men snarere med hensyn til en partikels energi eller momentum, normalt målt i elektronvolt (eV). Et vigtigt princip for cirkulære acceleratorer og partikelstråler generelt er, at krumningen af partikelbanen er proportional med partikelladningen og magnetfeltet, men omvendt proportional med (typisk relativistisk) momentum.

CyclotronsEdit

De tidligste operationelle cirkulære acceleratorer var cyclotroner, opfundet i 1929 af Ernest Lawrence ved University of California, Berkeley. Cyklotroner har et enkelt par hule “D” -formede plader for at fremskynde partiklerne og en enkelt stor dipolmagnet til at bøje deres vej ind i en cirkulær bane. Det er en karakteristisk egenskab ved ladede partikler i et ensartet og konstant magnetfelt B, at de kredser med en konstant periode med en frekvens kaldet cyclotronfrekvensen, så længe deres hastighed er lille sammenlignet med lysets hastighed c. Dette betyder, at de accelererende Der af en cyclotron kan drives ved en konstant frekvens af en radiofrekvent (RF) accelererende strømkilde, da strålen kontinuerligt spiralformes udad. Partiklerne injiceres i midten af magneten og ekstraheres ved den ydre kant ved deres maksimale energi.

Cyklotroner når en energigrænse på grund af relativistiske effekter, hvorved partiklerne effektivt bliver mere massive, så deres cyclotronfrekvens falder ud af synkronisering med den accelererende RF. Derfor er enkle cyclotroner kan kun accelerere protoner til en energi på omkring 15 millioner elektronvolt (15 MeV, svarende til en hastighed på ca. 10% af c), fordi protonerne kommer ud af fase med det drivende elektriske felt. Hvis det accelereres yderligere, vil strålen fortsætte at spiral udad til en større radius, men partiklerne ville ikke længere vinde nok hastighed til at fuldføre den større cirkel i takt med den accelererende RF. For at imødekomme relativistiske effekter har magnetfeltet brug øges til højere radier, som det gøres i isokrone cyklotroner. Et eksempel på en isokron cyklotron er PSI-ringcyklotronen i Schweiz, som tilvejebringer protoner ved en energi på 590 MeV, hvilket svarer til ca. 80% af lysets hastighed. Fordelen ved en sådan cyclotron er den maksimalt opnåelige ekstraherede protonstrøm, som i øjeblikket er 2,2 mA. Energien og strømmen svarer til 1,3 MW stråleeffekt, der er den højeste af enhver eksisterende accelerator.

Synchrocyclotrons og isochronous cyclotronsEdit

En klassisk cyklotron kan modificeres for at øge sin energigrænse. Den historisk første tilgang var synkrocyclotronen, som fremskynder partiklerne i klaser.Det bruger et konstant magnetfelt B {\ displaystyle B}, men reducerer frekvensen af det accelererende felt for at holde partiklerne i trin, når de spiralformes udad og matcher deres masseafhængige cyclotron resonansfrekvens. Denne tilgang lider af lav gennemsnitsstråle intensitet på grund af sammenblandingen og igen fra behovet for en enorm magnet med stor radius og konstant felt over den større bane, der kræves af høj energi.

Den anden tilgang til problemet med at accelerere relativistiske partikler er den isokrone I en sådan struktur holdes det accelererende felt frekvens (og cyclotron resonansfrekvensen) konstant for alle energier ved at forme magnetpolerne for at øge magnetfeltet med radius. Således bliver alle partikler accelereret i isokrone tidsintervaller. Partikler med højere energi bevæger sig en kortere afstand i hver bane, end de ville gjort i en klassisk cyclotron, og forbliver således i fase med det accelererende felt. Fordelen ved den isokrone cyklotron er, at den kan levere kontinuerlige stråler med højere gennemsnitsintensitet, hvilket er nyttigt til nogle applikationer. De væsentligste ulemper er størrelsen og prisen på den nødvendige store magnet, og vanskelighederne med at opnå de høje magnetiske feltværdier, der kræves ved den ydre kant af strukturen.

Synkrocyclotroner er ikke blevet bygget siden den isokrone cyclotron var udviklet.

SynchrotronsEdit

At nå endnu højere energier, med relativistisk masse, der nærmer sig eller der overstiger partiklernes hvilemasse (for protoner, milliarder elektronvolt eller GeV), er det nødvendigt at bruge en synkrotron. Dette er en accelerator, hvor partiklerne accelereres i en ring med konstant radius. En øjeblikkelig fordel i forhold til cyclotroner er, at magnetfeltet kun behøver at være til stede over den aktuelle region af partikelforløbene, hvilket er meget snævrere end det for ringen. (Den største cyklotron bygget i USA havde en magnetstang med en diameter på 4,7 m), mens diameteren af synkrotroner som LEP og LHC er næsten 10 km. Blænderen på de to bjælker i LHC er af orden på en centimeter.) LHC indeholder 16 RF-hulrum, 1232 superledende dipolmagneter til strålestyring og 24 quadrupoles til strålefokusering. Selv i denne størrelse er LHC begrænset af dets evne til at styre partiklerne uden at de går i drift. Denne grænse antages at forekomme ved 14TeV.

Men da partikelmomentet stiger under acceleration, er det nødvendigt at skrue magnetfeltet B op i forhold til at opretholde konstant krumning af kredsløbet. Som følge heraf kan synkrotroner ikke fremskynde partikler kontinuerligt, da cyclotroner kan, men skal fungere cyklisk, forsyne partikler i klaser, som leveres til et mål eller en ekstern stråle i stråle “spild” typisk hvert par sekunder.

Da synkrotroner med høj energi udfører det meste af deres arbejde på partikler, der allerede bevæger sig næsten med lysets hastighed c, er tiden til at fuldføre en ring i kredsløbet næsten konstant, ligesom frekvensen af RF-hulrumsresonatorer, der bruges til at drive accelerationen .

I moderne synkrotroner er stråleåbningen lille, og magnetfeltet dækker ikke hele området af partikelbanen, som det gør for en cyklotron, så flere nødvendige funktioner kan adskilles. I stedet for en enorm magnet har man en linje med hundreder af bøjningsmagneter, der omslutter (eller lukkes af) vakuumforbindelsesrør. Designet af synkrotroner blev revolutioneret i begyndelsen af 1950erne med opdagelsen af det stærke fokuseringskoncept. Fokusering af strålen håndteres uafhængigt af specialiserede kvadrupolmagneter, mens selve accelerationen opnås i separate RF-sektioner, snarere lig med korte lineære acceleratorer. Der er heller ikke behov for, at cykliske maskiner er cirkulære, men snarere kan bjælkerøret have lige sektioner mellem magneter, hvor bjælker kan kollidere, afkøles osv. Dette har udviklet sig til et helt separat emne, kaldet “strålefysik” eller “stråle optik “.

Mere komplekse moderne synkrotroner såsom Tevatron, LEP og LHC kan levere partikelbundterne i opbevaringsringe af magneter med et konstant magnetfelt, hvor de kan fortsætte med at kredse i lange perioder for eksperimentering eller yderligere acceleration.De mest energimæssige maskiner såsom Tevatron og LHC er faktisk acceleratorkomplekser med en kaskade af specialiserede elementer i serie, herunder lineære acceleratorer til oprindelig stråledannelse, en eller flere synkrotroner med lav energi for at nå mellemliggende energi, lagerringe hvor bjælker kan være akkumuleret eller “afkølet” (reducerer den krævede magnetblænde og tillader tættere fokusering; se strålekøling) og en sidste store ring til endelig acceleration og eksperimentering.

Elektron-synkrotroner Rediger

Cirkulære elektronacceleratorer faldt noget i favør for partikelfysik omkring det tidspunkt, hvor SLACs lineære partikelaccelerator blev konstrueret, fordi deres synkrotrontab blev betragtet som økonomisk uoverkommelig, og fordi deres stråleintensitet var lavere end for de ikke-pulserede lineære maskiner Majs ell Electron Synchrotron, bygget til lave omkostninger i slutningen af 1970erne, var den første i en række højenergiske cirkulære elektronacceleratorer bygget til grundlæggende partikelfysik, den sidste var LEP, bygget på CERN, som blev brugt fra 1989 til 2000.

Et stort antal elektron-synkrotroner er blevet bygget i de sidste to årtier som en del af synkrotron-lyskilder, der udsender ultraviolet lys og røntgenstråler; se nedenfor.

Storage ringsEdit

For nogle applikationer er det nyttigt at gemme stråler af højenergipartikler i nogen tid (med moderne højvakuumteknologi, op til mange timer) uden yderligere acceleration. Dette gælder især for kolliderende bjælkeacceleratorer, hvor to bjælker, der bevæger sig i modsatte retninger, bringes til at kollidere med hinanden med en stor gevinst i effektiv kollisionsenergi. Fordi der relativt få kollisioner forekommer ved hver passage gennem skæringspunktet mellem de to bjælker, er det sædvanligt først at accelerere bjælkerne til den ønskede energi og derefter opbevare dem i lagerringe, der i det væsentlige er synkrotronringe af magneter uden nogen signifikant RF kraft til acceleration.

Synchrotron strålingskilder Rediger

Nogle cirkulære acceleratorer er bygget til bevidst at generere stråling (kaldet synchrotron light) som Røntgenstråler kaldes også synkrotronstråling, for eksempel Diamond Light Source, der er bygget på Rutherford Appleton Laboratory i England eller Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory i Illinois, USA. Høj-energi røntgenstråler er f.eks. Nyttige til røntgenspektroskopi af proteiner eller røntgenabsorptionsfin struktur (XAFS).

Synkrotronstråling udsendes mere kraftigt af lettere partikler, så disse acceleratorer er altid elektronacceleratorer. Synchrotron-stråling muliggør bedre billeddannelse som undersøgt og udviklet på SLACS SPEAR.

Fixed-Field Alternating Gradient AcceleratorsEdit

Fixed-Field Alternating Gradient accelerators (FFA), hvor et magnetfelt, som er fast i tiden, men med en radial variation for at opnå stærk fokusering, gør det muligt at accelerere strålen med en høj gentagelseshastighed, men i en meget mindre radial spredning end i cyclotron-sagen. Isokrone FFAer, som isokrone cyclotroner, opnår kontinuerlig stråledrift, men uden behov for en enorm dipolbøjningsmagnet, der dækker hele kredsløbets radius. Nogle nye udviklinger i FFAer er dækket af.

HistoryEdit

Ernest Lawrences første cyklotron var kun 100 mm i diameter. Senere, i 1939, byggede han en maskine med en stangoverflade med en diameter på 60 tommer og planlagde en med en diameter på 184 tommer i 1942, som dog blev overtaget til anden verdenskrig-relateret arbejde forbundet med uranisotopseparation; efter krigen fortsatte den med forskning og medicin i mange år.

Den første store protonsynkrotron var Cosmotron ved Brookhaven National Laboratory, som fremskyndede protoner til ca. 3 GeV (1953–1968). Bevatronen ved Berkeley, afsluttet i 1954, blev specifikt designet til at fremskynde protoner til tilstrækkelig energi til at skabe antiprotoner og verificere naturens partikel-antipartikelsymmetri, så kun teoretiseret. Den alternerende gradient-synkrotron (AGS) ved Brookhaven (1960–) var den første store synkrotron med skiftende gradient, “stærkt fokuserende” magneter, der i høj grad reducerede den krævede blændeåbning og tilsvarende størrelsen og prisen på de bøjende magneter. Proton Synchrotron, bygget på CERN (1959–), var den første store europæiske partikelaccelerator og lignede generelt AGS.

Stanford Linear Accelerator, SLAC, blev operationel i 1966 og accelererede elektroner til 30 GeV i en 3 km lang bølgeleder, begravet i en tunnel og drevet af hundreder af store klystroner. Det er stadig den største lineære accelerator, der findes, og er blevet opgraderet med tilføjelse af lagerringe og en elektron-positron kolliderfacilitet. Det er også en røntgen- og UV-synkrotronfotonkilde.

Fermilab Tevatron har en ring med en strålesti på 6 miles (6,4 km). Den har modtaget adskillige opgraderinger og har fungeret som en proton-antiproton kolliderer, indtil den blev lukket på grund af budgetnedskæringer den 30. september 2011. Den største cirkulære accelerator, der nogensinde er bygget, var LEP synchrotron ved CERN med en omkreds på 26,6 kilometer, som var en elektron / positron kolliderer. Den opnåede en energi på 209 GeV, før den blev demonteret i 2000, så tunnelen kunne bruges til Large Hadron Collider (LHC). LHC er en protonkollider, og i øjeblikket verdens største og højeste energiaccelerator, der opnår 6,5 TeV energi pr. Stråle (13 TeV i alt).

Den afbrudte superledende Super Collider (SSC) i Texas ville have haft en omkreds på 87 km. Byggeri blev startet i 1991, men forladt i 1993. Meget store cirkulære acceleratorer er altid bygget i tunneler et par meter brede for at minimere forstyrrelser og omkostninger ved at bygge en sådan struktur på overfladen og giver afskærmning mod intense sekundære stråler, der opstår, og som er ekstremt gennemtrængende ved høje energier.