Hiukkaskiihdytin

Sähköpurkauksen asettaman korkean jännitteen katon vuoksi hiukkasten kiihdyttämiseksi korkeampiin energioihin käytetään tekniikoita, joihin liittyy dynaamisia kenttiä eikä staattisia kenttiä. Elektrodynaaminen kiihtyvyys voi johtua jommastakummasta kahdesta mekanismista: ei-resonanssista magneettisesta induktiosta, tai resonanssipiireistä tai onteloista, jotka ovat virittäneet värähtelevillä RF-kentillä. Elektrodynaamiset kiihdyttimet voivat olla lineaarisia, hiukkasten kiihtyvällä suoralla tai pyöreällä tavalla. Magneettikentät taivuttavat hiukkasia karkeasti pyöreällä kiertoradalla.

Magneettiset induktiokiihdyttimetMuokkaa

Magneettiset induktiokiihdyttimet kiihdyttävät hiukkaset indusoimalla kasvavasta magneettikentästä, ikään kuin hiukkaset olisivat muuntajan sekundäärikäämi. Kasvava magneettikenttä luo kiertävän sähkökentän, joka voidaan konfiguroida kiihdyttämään hiukkasia. Induktiokiihdyttimet voivat olla joko lineaarisia tai pyöreitä.

Lineaariset induktiokiihdyttimetMuokkaa

Lineaariset induktiokiihdyttimet käyttävät ferriittikuormitettuja, ei resonanssia induktioontelot. Jokainen ontelo voidaan ajatella kahdeksi suureksi aluslevyn muotoiseksi levyksi, jotka on liitetty ulomman sylinterimäisen putken avulla. Levyjen välissä on ferriittitoroidi. Kahden levyn väliin syötetty jännitepulssi aiheuttaa kasvavan magneettikentän, joka kytkee induktiivisesti virran varattuun hiukkassäteeseen.

Lineaarisen induktion kiihdyttimen keksi Christofilos 1960-luvulla. Lineaariset induktiokiihdyttimet pystyvät kiihdyttämään erittäin suuria säteitä (> 1000 A) yhdellä lyhyellä pulssilla. Niitä on käytetty tuottamaan röntgensäteitä flash-radiografiaan (esim. DARHT LANL: ssä), ja niitä on pidetty magneettisen sulautumisen fuusiohiukkasina ja ilmaisten elektronilaserien ohjaimina.

BetatronsEdit

Betatron on pyöreä magneettinen induktion kiihdytin, jonka Donald Kerst keksi vuonna 1940 elektronien kiihdyttämiseksi. Käsite on viime kädessä peräisin norjalais-saksalaiselta tutkijalta Rolf Widerøeltä. Nämä koneet, kuten synkronitronit, käyttävät munkin muotoista rengasmagneettia (katso alla) syklisesti kasvavan B-kentän kanssa, mutta kiihdyttävät hiukkasia indusoimalla kasvavasta magneettikentästä, ikään kuin ne olisivat muuntajan sekundäärikäämi johtuen magneettivuon muuttaminen kiertoradan läpi.

Tasaisen kiertoradan säteen saavuttaminen ja oikean kiihtyvän sähkökentän tuottaminen edellyttää, että kiertoradan yhdistävä magneettivuo on jonkin verran riippumaton kiertoradan magneettikentästä taivuttamalla hiukkaset vakiona sädekäyrä. Näitä koneita ovat käytännössä rajoittaneet suuret säteilyhäviöt, joita elektronit kärsivät melkein valon nopeudella suhteellisen pienellä säteellä.

Lineaariset kiihdyttimetEdit

Lineaarisessa hiukkaskiihdyttimessä (linac) hiukkasia kiihdytetään suorassa linjassa kiinnostavan kohteen toisessa päässä. Niitä käytetään usein antamaan alhaisen energian potku hiukkasille ennen kuin ne ruiskutetaan pyöreisiin kiihdyttimiin. Maailman pisin linakki on 3 km: n pituinen Stanford Linear Accelerator, SLAC. SLAC on elektroni-positroni-törmäys.

Lineaariset suurenergiset kiihdyttimet käyttävät lineaarista levyjä (tai drift-putkia), joihin kohdistetaan vuorotellen korkean energian kenttä. Kun hiukkaset lähestyvät levyä, niitä kiihdytetään sitä kohti levylle kohdistetun päinvastaisen napaisuuden varauksella. Kun ne kulkevat levyssä olevan reiän läpi, napaisuus muuttuu niin, että levy työntää niitä nyt ja se kiihdyttää niitä nyt kohti seuraavaa levyä. Normaalisti hiukkasten ”nippujen” virta nopeutuu, joten kuhunkin levyyn kohdistetaan huolellisesti ohjattu vaihtojännite toistamaan tätä prosessia jatkuvasti jokaiselle kimppulle.

Kun hiukkaset lähestyvät valon nopeutta, kytkentänopeus sähkökentistä tulee niin korkeiksi, että ne toimivat radiotaajuuksilla, ja siksi korkeamman energian koneissa käytetään mikroaaltouurioita yksinkertaisten levyjen sijasta.

Lineaarisia kiihdyttimiä käytetään myös laajalti lääketieteessä, sädehoidossa ja radiokirurgiassa. Lääketieteellisen tason linakit kiihdyttävät elektroneja käyttämällä klystronia ja monimutkaista taivutusmagneettijärjestelyä, joka tuottaa 6-30 MeV energian säteen. Elektroneja voidaan käyttää suoraan tai ne voidaan törmätä kohteeseen tuottaa röntgensäde. Tuotetun säteilysäteen luotettavuus, joustavuus ja tarkkuus ovat suurelta osin syrjäyttäneet koboltti-60-hoidon vanhemman käytön hoitotyökaluna.

Pyöreät tai sykliset RF-kiihdyttimetEdit

Pyörökiihdyttimessä , hiukkaset liikkuvat ympyrässä, kunnes ne saavuttavat riittävän energian.Hiukkasraita on yleensä taivutettu ympyrään sähkömagneettien avulla. Pyöreiden kiihdyttimien etu lineaarisiin kiihdyttimiin (linakkeihin) verrattuna on, että rengastopologia sallii jatkuvan kiihdytyksen, koska hiukkanen voi kulkea loputtomasti. Toinen etu on, että pyöreä kiihdytin on pienempi kuin vastaavan tehon lineaarinen kiihdytin (ts. Linakin olisi oltava erittäin pitkä, jotta sillä olisi vastaava teho kuin pyöreällä kiihdyttimellä).

Energiasta ja tehosta riippuen kiihdytetyillä hiukkasilla pyöreillä kiihdyttimillä on haitta siinä mielessä, että hiukkaset lähettävät synkrotronisäteilyä. Kun mitä tahansa varattua hiukkaa kiihdytetään, se lähettää sähkömagneettista säteilyä ja toissijaisia päästöjä. Koska ympyrässä liikkuva hiukkanen kiihtyy aina kohti ympyrän keskustaa, se säteilee jatkuvasti kohti ympyrän tangenttia. Tätä säteilyä kutsutaan synkrotronivaloksi ja se riippuu suuresti kiihtyvän hiukkasen massasta. Tästä syystä monet korkean energian elektronikiihdyttimet ovat linakkeja. Tietyt kiihdyttimet (synkronitronit) on kuitenkin rakennettu erityisesti synkrotronivalon (röntgensäteet) tuottamiseen.

Koska erityinen suhteellisuusteoria edellyttää, että aine kulkee aina hitaammin kuin valon nopeus tyhjiössä, korkeassa lämpötilassa. energian kiihdyttimet, kun energia kasvaa, hiukkasten nopeus lähestyy valon nopeutta rajana, mutta ei koskaan saavuta sitä. Siksi hiukkasfyysikot eivät yleensä ajattele nopeuden, vaan pikemminkin hiukkasen energian tai liikemäärän suhteen, yleensä mitattuna elektronivoltteina (eV). Tärkeä periaate pyöreille kiihdyttimille ja hiukkassäteille yleensä on, että hiukkasreitin kaarevuus on verrannollinen hiukkasvaraukseen ja magneettikenttään, mutta kääntäen verrannollinen (tyypillisesti relativistiseen) momenttiin.

CyclotronsEdit

Varhaisimmat toiminnalliset pyöreät kiihdyttimet olivat syklotronit, jotka keksivät vuonna 1929 Ernest Lawrence Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä. Syklotroneilla on yksi pari onttoja ”D” -muotoisia levyjä hiukkasten kiihdyttämiseksi ja yksi iso dipolimagneetti taivuttamaan polkunsa kiertoradalle. Tasaisen ja vakion magneettikentän B varattujen hiukkasten ominaisuus on, että ne kiertävät tasaisella jaksolla syklotronitaajuudeksi kutsutulla taajuudella, kunhan niiden nopeus on pieni verrattuna valonopeuteen c. Tämä tarkoittaa, että syklotronin kiihtyviä D ”: itä voidaan käyttää vakiotaajuudella radiotaajuisella (RF) kiihdyttävällä virtalähteellä, kun säde kiertyy jatkuvasti ulospäin. Hiukkaset ruiskutetaan magneetin keskelle ja uutetaan ulkoreunaa enimmäisenergialla.

Syklotronit saavuttavat energiarajan relativististen vaikutusten takia, jolloin hiukkaset muuttuvat tehokkaammin siten, että niiden syklotronitaajuus putoaa synkronoinnista kiihtyvän radiotaajuuden kanssa. voi kiihdyttää protoneja vain noin 15 miljoonan elektronivoltin energiaksi (15 MeV, mikä vastaa noin 10% c: n nopeudesta), koska protonit poistuvat vaiheesta ajo-sähkökentän kanssa. Jos kiihdytetään edelleen, säde jatkuu kiertyä ulospäin suuremmalle säteelle, mutta hiukkaset eivät enää saisi tarpeeksi nopeutta suorittaa suurempi ympyrä samaan aikaan kiihtyvän radiotaajuuden kanssa. suuremmille säteille, kuten isokronisissa syklotroneissa tehdään. Esimerkki isokronisesta syklotronista on Sveitsissä sijaitseva PSI Ring -syklotroni, joka tuottaa protoneja 590 MeV: n energialla, mikä vastaa noin 80% valon nopeudesta. Tällaisen syklotronin etuna on suurin saavutettava uutettu protonivirta, joka on tällä hetkellä 2,2 mA. Energia ja virta vastaavat 1,3 MW: n säteilytehoa, joka on suurin kaikista nykyisistä kiihdyttimistä.

Synkrosyklotronit ja isokroniset syklotronitEdit

Klassista syklotronia voidaan muuttaa energiarajan nostamiseksi. Historiallisesti ensimmäinen lähestymistapa oli synkrosyklotroni, joka kiihdyttää hiukkasia nippuina.Se käyttää vakiona olevaa magneettikenttää B {\ displaystyle B}, mutta pienentää kiihtyvän kentän taajuutta pitääkseen hiukkaset askeleessa, kun ne kiertyvät ulospäin, sovittaen niiden massasta riippuvan syklotroniresonanssitaajuuden. niputuksesta johtuvan voimakkuuden ja jälleen suuren valtavan magneetin, jolla on suuri säde ja vakio kenttä, tarpeen suuren energian vaatimalla suuremmalla kiertoradalla.

Toinen lähestymistapa relativististen hiukkasten kiihtyvyyden ongelmaan on isokroninen Tällaisessa rakenteessa kiihtyvän kentän taajuus (ja syklotroniresonanssitaajuus) pidetään vakiona kaikille energioille muotoilemalla magneettinavat siten, että magneettikenttä kasvaa säteellä. Siten kaikki hiukkaset kiihtyvät isokronisina aikaväleinä. Suuremmat energiahiukkaset kulkevat lyhyemmän matkan jokaisella kiertoradalla kuin perinteisellä syklotronilla, jolloin ne pysyvät vaiheissa kiihtyvän kentän kanssa. Isokronisen syklotronin etuna on, että se pystyy tuottamaan jatkuvia, keskimääräistä voimakkaampia säteitä, mikä on hyödyllistä joissakin sovelluksissa. Suurimpia haittoja ovat tarvittavan suuren magneetin koko ja hinta sekä vaikeus saavuttaa rakennuksen ulkoreunassa vaaditut suuret magneettikenttäarvot. kehitetty.

SynchrotronsEdit

Vielä korkeamman energian saavuttamiseksi relativistisen massan lähestyessä tai hiukkasten lepomassan ylittyessä (protoneille, miljardeille elektronivoltteille tai GeV: lle) on tarpeen käyttää synkrotronia. Tämä on kiihdytin, jossa hiukkasia kiihdytetään vakiosäteisessä renkaassa. Välitön etu syklotroneihin nähden on, että magneettikentän on oltava läsnä vain hiukkasen kiertoradan todellisella alueella, joka on paljon kapeampi kuin renkaan alue. (Suurimmalla Yhdysvalloissa rakennetulla syklotronilla oli 184 tuuman halkaisija (4,7 m) magneettinapa, kun taas synkrotronien, kuten LEP: n ja LHC: n, halkaisija on lähes 10 km. LHC: n kahden säteen aukko on senttimetrin järjestys.) LHC sisältää 16 RF-onteloa, 1232 suprajohtavaa dipolimagneettia säteen ohjaamiseen ja 24 nelijalkaa säteen kohdentamiseen. Jopa tässä koossa LHC on rajoitettu sen kyvyllä ohjata hiukkasia kulkematta niitä. Tämän rajan oletetaan tapahtuvan 14TeV: ssä.

Koska hiukkasmomentti kuitenkin kasvaa kiihdytyksen aikana, magneettikenttää B on tarpeen nostaa ylöspäin suhteessa kiertoradan jatkuvan kaarevuuden ylläpitämiseen. Tämän seurauksena synkrotronit eivät voi kiihdyttää hiukkasia jatkuvasti, kuten syklotronit voivat, mutta niiden on toimittava syklisesti toimittamalla hiukkasia nippuina, jotka toimitetaan kohteeseen tai ulkoiseen säteeseen säteessä ”vuotaa” yleensä muutaman sekunnin välein.

Koska suurenergiset synkrotronit tekevät suurimman osan työstään hiukkasilla, jotka liikkuvat jo melkein valon nopeudella c, renkaan yhden kiertoradan suorittamiseen kuluva aika on lähes vakio, samoin kuin kiihtyvyyden ajamisessa käytettyjen RF-onteloresonaattoreiden taajuus. .

Nykyaikaisissa synkrotroneissa säteen aukko on pieni eikä magneettikenttä peitä hiukkasen kiertoradan koko pinta-alaa kuten syklotronilla, joten useita tarvittavia toimintoja voidaan erottaa. Yhden valtavan magneetin sijasta yhdessä on satoja taivutusmagneetteja, jotka ympäröivät (tai ympäröivät) tyhjiöputket. Synkronitronien suunnittelu mullistettiin 1950-luvun alussa, kun löydettiin vahva fokusointikonsepti. Säteen kohdentaminen hoidetaan erikseen erikoistuneilla kvadrupolimagneeteilla, kun taas kiihtyvyys toteutetaan erillisissä RF-osioissa, melko samanlainen kuin lyhyet lineaariset kiihdyttimet. Ei myöskään ole välttämätöntä, että sykliset koneet ovat pyöreitä, vaan pikapalkissa voi olla suorat osiot magneettien välillä, joissa palkit voivat törmätä, jäähtyä jne. Tästä on kehittynyt koko erillinen aihe, nimeltään ”sädefysiikka” tai ”säde optiikka ”.

Monimutkaisemmat modernit synkronit, kuten Tevatron, LEP ja LHC, voivat toimittaa hiukkaskimput vakion magneettikentän magneettien varastorenkaiksi, missä ne voivat kiertää pitkiä aikoja kokeiluja varten. tai lisäkiihtyvyys.Eniten energiaa käyttävät koneet, kuten Tevatron ja LHC, ovat itse asiassa kiihdytinkomplekseja, joissa on sarja erikoistuneita elementtejä, mukaan lukien lineaariset kiihdyttimet alkusäteen luomiseksi, yksi tai useampi matalan energian synkrotroni välienergian saavuttamiseksi, varastorenkaat, joissa säteet voidaan sijoittaa kertynyt tai ”jäähdytetty” (pienenee tarvittavaa magneettiaukkoa ja mahdollistaa tarkemman tarkennuksen; katso säteen jäähdytys), ja viimeinen iso rengas lopullista kiihdytystä ja kokeilua varten.

ElektronisynkrotronitEdit

Ympyräelektronikiihdyttimet putosivat hiukkasfysiikan suotuisuudesta silloin, kun SLAC: n lineaarinen hiukkaskiihdytin rakennettiin, koska niiden synkronitappioita pidettiin taloudellisesti kohtuuttomina ja koska niiden säteen voimakkuus oli pienempi kuin pulssimattomilla lineaarisilla koneilla Maissi Elektronisynkrotroni, joka rakennettiin edullisin hinnoin 1970-luvun lopulla, oli ensimmäinen joukko suurenergisiä pyöreitä elektronikiihdyttimiä, jotka on rakennettu perushiukkasten fysiikkaan. / p>

Viimeisten kahden vuosikymmenen aikana on rakennettu suuri määrä elektronisynkronitroneja osana ultraviolettivaloa ja röntgensäteitä säteileviä synkrotronivalonlähteitä; katso alla.

VarastointirenkaatMuokkaa

Joissakin sovelluksissa on hyödyllistä varastoida korkean energian hiukkassäteitä jonkin aikaa ( nykyaikainen korkea tyhjiötekniikka, jopa useita tunteja) ilman lisäkiihdytystä. Tämä pätee erityisesti törmäyspalkkiihdyttimiin, joissa kaksi vastakkaiseen suuntaan liikkuvaa sädettä saatetaan törmäämään toisiinsa tehokkaan törmäysenergian voimalla. Koska kahden säteen leikkauspisteen läpi kulkee kussakin suhteellisen vähän törmäyksiä, on tapana kiihdyttää ensin säteet haluttuun energiaan ja tallentaa ne sitten varastointirenkaisiin, jotka ovat olennaisesti magneettien synkronirenkaita, ilman merkittävää radiotaajuutta teho kiihdytykseen.

SynkronisäteilylähteetEdit

Jotkut pyöreät kiihdyttimet on rakennettu tuottamaan tarkoituksellisesti säteilyä (kutsutaan synkrotronivaloksi) kuin Röntgensäteitä kutsutaan myös synkrotronisäteilyksi, esimerkiksi Timantin valonlähteeksi, joka on rakennettu Englannin Rutherford Appleton -laboratorioon, tai Advanced Photon -lähteeseen Argonnen kansallisessa laboratoriossa Illinoisissa, USA. Suurenergiset röntgenkuvat ovat hyödyllisiä esimerkiksi proteiinien röntgenspektroskopiassa tai röntgensäteilyä absorboivassa hienorakenteessa (XAFS).

Synkrotronisäteilyä päästävät voimakkaammin kevyemmät hiukkaset, joten nämä kiihdyttimet ovat poikkeuksetta elektronikiihdyttimet. Synkrotronisäteily mahdollistaa paremman kuvantamisen, kun SLAC: n SPEAR-tutkimuksessa tutkitaan ja kehitetään.

Kiinteän kentän vaihtelevat kaltevuuskiihdyttimetEdit

Kiinteän kentän vaihtelevat kaltevakiihdyttimet (FFA), joissa magneettikenttä, joka on kiinteä ajoissa, mutta säteittäisellä vaihtelulla vahvan tarkennuksen aikaansaamiseksi, sallii säteen kiihdyttämisen suurella toistotaajuudella, mutta paljon pienemmällä säteittäinen leviäminen kuin syklotronitapauksessa. Isokroniset FFA: t, kuten isokroniset syklotronit, saavuttavat jatkuvan säteen toiminnan, mutta ilman suurta dipolitaivutusmagneettia, joka peittää kiertoradan koko säteen. Jotkut FFA: n uudet kehityssuunnat ovat käsitelty. >

HistoryEdit

Ernest Lawrencen ensimmäinen syklotroni oli halkaisijaltaan vain 4 tuumaa (100 mm). Myöhemmin, vuonna 1939, hän rakensi koneen, jonka napapinta oli halkaisijaltaan 60 tuumaa, ja suunnitteli koneen, jonka halkaisija oli 184 tuumaa vuonna 1942, joka kuitenkin otettiin haltuun uraanin isotooppien erottamiseen liittyvään toiseen maailmansotaan liittyvään työhön; Sodan jälkeen se jatkoi tutkimus- ja lääketieteellistä palvelua monien vuosien ajan.

Ensimmäinen suuri protonisynkrotroni oli Brookhavenin kansallisen laboratorion Cosmotron, joka kiihdytti protoneja noin 3 GeV: iin (1953–1968). Vuonna 1954 valmistunut Bevatron Berkeleyssä suunniteltiin erityisesti kiihdyttämään protoneja riittävään energiaan antiprotonien luomiseksi ja todentamaan sitten vain teorioidun luonnon hiukkasten ja hiukkasten symmetrian. Brookhavenin vaihtuva gradienttisynkroni (AGS) Brookhavenissa (1960–1) oli ensimmäinen suuri synkrotroni, jossa oli vuorotellen gradientti, ”voimakkaat fokusoivat” magneetit, mikä vähensi huomattavasti tarvittavaa säteen aukkoa ja vastaavasti taivutusmagneettien kokoa ja kustannuksia. CERN: ään (1959–) rakennettu Proton Synchrotron oli ensimmäinen merkittävä eurooppalainen hiukkaskiihdytin ja yleensä samanlainen kuin AGS.

Stanfordin lineaarikiihdytin, SLAC, aloitti toimintansa vuonna 1966, kiihdyttäen elektroneja 30 GeV: iin 3 km: n pituisessa aaltojohteessa, haudattu tunneliin ja voimanlähteenä sadat suuret kllystronit. Se on edelleen suurin olemassa oleva lineaarinen kiihdytin, ja sitä on päivitetty lisäämällä varastorenkaat ja elektroni-pozitroni-törmäyslaitos. Se on myös röntgen- ja UV-synkrotronifotonilähde.

Fermilab Tevatronissa on rengas, jonka säteen polku on 6,4 km. Se on saanut useita päivityksiä ja on toiminut protoni-antiproton-törmäijänä, kunnes se suljettiin budjettileikkausten vuoksi 30. syyskuuta 2011. Suurin koskaan rakennettu pyöreä kiihdytin oli CERN: n LEP-synkroni, jonka ympärysmitta oli 26,6 kilometriä. elektroni / positroni törmäys. Se saavutti 209 GeV: n energian ennen sen purkamista vuonna 2000, jotta tunnelia voitiin käyttää suurelle hadronitörmäykselle (LHC). LHC on protonitörmäys, ja tällä hetkellä maailman suurin ja suurimman energian kiihdytin, joka saavuttaa 6,5 TeV energiaa sädettä kohden (yhteensä 13 TeV).

Keskeytetty Superconducting Super Collider (SSC) Texasissa Rakentaminen aloitettiin vuonna 1991, mutta siitä luovuttiin vuonna 1993. Hyvin suuria pyöreitä kiihdyttimiä rakennetaan poikkeuksetta muutaman metrin levyisissä tunneleissa, jotta tällaisen rakenteen rakentamisen häiriöt ja kustannukset voidaan minimoida. suojaa voimakkailta toissijaisilta säteiltä, jotka tunkeutuvat erittäin voimakkaasti suurilla energioilla.