Az elektromos kisülés által előidézett nagyfeszültségű mennyezet miatt a részecskék nagyobb energiákra történő felgyorsítása érdekében statikus mezők helyett dinamikus mezőket tartalmazó technikákat alkalmaznak. Az elektrodinamikai gyorsulás két mechanizmus egyikéből adódhat: nem rezonáns mágneses indukcióból, vagy rezonáló áramkörökből vagy üregekből, amelyeket rezgő RF mezők gerjesztenek. Az elektrodinamikus gyorsítók lehetnek lineárisak, a részecskék egyenesen gyorsulhatnak vagy kör alakúak, mágneses mezők segítségével nagyjából kör alakú pályán hajlíthatják a részecskéket. részecskék egy növekvő mágneses mező indukciójával, mintha a részecskék lennének a transzformátor szekunder tekercsében. A növekvő mágneses mező egy keringő elektromos teret hoz létre, amely konfigurálható a részecskék felgyorsítására. Az indukciós gyorsítók lehetnek lineárisak vagy körkörösek.
Lineáris indukciós gyorsítókEdit
A lineáris indukciós gyorsítók ferritel töltött, nem rezonáns indukciós üregek. Mindegyik üreg két nagy alátét alakú tárcsának tekinthető, amelyet egy külső hengeres cső köt össze. A korongok között ferrit toroid található. A két korong között alkalmazott feszültségimpulzus növekvő mágneses teret okoz, amely induktív módon kapcsolja össze az energiát a töltött részecskesugárba.
A lineáris indukciós gyorsítót Christofilos találta ki az 1960-as években. A lineáris indukciós gyorsítók egyetlen rövid impulzus alatt képesek felgyorsítani a nagyon nagy fénysugarakat (> 1000 A). Ezeket röntgensugarak előállítására használták fel a flash-röntgenfelvételhez (pl. DARHT a LANL-nél), és részecske-injektorként tekintettek a mágneses fúziós fúzióhoz és a szabad elektronlézerek meghajtóinak.
BetatronsEdit
A Betatron egy kör alakú mágneses indukciós gyorsító, amelyet Donald Kerst talált ki 1940-ben az elektronok gyorsítására. A koncepció végül Rolf Widerøe norvég-német tudóstól származik. Ezek a gépek, akárcsak a szinkrotronok, fánk alakú gyűrűs mágnest használnak (lásd alább), ciklikusan növekvő B mezővel, de a növekvő mágneses mező indukciójával felgyorsítják a részecskéket, mintha a transzformátorban a másodlagos tekercs lennének, a mágneses fluxus megváltoztatása a pályán keresztül.
Az állandó pályasugár elérése a megfelelő gyorsuló elektromos tér biztosítása mellett megköveteli, hogy a pályát összekötő mágneses fluxus kissé független legyen a pályán lévő mágneses mezőtől, a részecskéket konstanssá hajlítva. sugárgörbe. Ezeket a gépeket a gyakorlatban korlátozta azok a nagy sugárzási veszteségek, amelyeket az elektronok szenvedtek, majdnem fénysebességgel, viszonylag kis sugarú pályán.
Lineáris gyorsítókEdit
Modern szupravezető rádiófrekvenciás, többsejtű lineáris gyorsító komponens.
Egy lineáris részecskegyorsítóban (linac) a részecskéket egyenes vonalban gyorsítják fel, az egyik végén egy érdekes céllal. Gyakran alkalmazzák őket a részecskék kezdeti alacsony energiájú rúgására, mielőtt körkörös gyorsítókba fecskendezik be őket. A világ leghosszabb linacja a Stanford Linear Accelerator (SLAC), amely 3 km hosszú. Az SLAC egy elektron-pozitron ütköző.
A lineáris nagy energiájú gyorsítók olyan lemezek (vagy sodródó csövek) lineáris tömbjét alkalmazzák, amelyekre váltakozó nagy energiájú mezőt alkalmaznak. Amint a részecskék egy lemezhez közelednek, a lemezre alkalmazott ellentétes polaritási töltettel gyorsulnak felfelé. Amint áthaladnak a lemez lyukán, a polaritás úgy változik, hogy a lemez most taszítja őket, és ezáltal felgyorsítja őket a következő lemez felé. Normális esetben a részecskék “csomóinak” folyama felgyorsul, ezért gondosan vezérelt váltóáramú feszültséget fektetnek minden lemezre, hogy ezt a folyamatot folyamatosan megismételjék minden csomónál. az elektromos mezők olyan magasak lesznek, hogy rádiófrekvencián működnek, ezért a mikrohullámú üregeket egyszerűbb lemezek helyett a nagyobb energiájú gépekben használják.
A lineáris gyorsítókat széles körben használják az orvostudományban, sugárterápiában és rádiósebészetben is. Az orvosi minőségű linákok az elektronokat felgyorsítják egy klystron és egy komplex hajlító mágnes elrendezés segítségével, amely 6-30 MeV energiájú nyalábot eredményez. Az elektronok közvetlenül felhasználhatók, vagy ütközhetnek egy célponttal, hogy röntgensugarat hozzanak létre. Az előállított sugárnyaláb megbízhatósága, rugalmassága és pontossága nagymértékben kiszorította a kobalt-60 terápia régebbi alkalmazását kezelési eszközként.
Kör- vagy ciklikus RF-gyorsítókEdit
A körgyorsítóban , a részecskék körben mozognak, amíg elegendő energiát el nem érnek.A részecskepálya jellemzően elektromágnesek segítségével körbe hajlik. A körgyorsítók előnye a lineáris gyorsítókkal (linacsokkal) szemben az, hogy a gyűrűs topológia lehetővé teszi a folyamatos gyorsulást, mivel a részecske korlátlanul át tud szállni. További előny, hogy a kör alakú gyorsító kisebb, mint az összehasonlítható teljesítményű lineáris gyorsító (azaz egy linacnak rendkívül hosszúnak kell lennie ahhoz, hogy egyenértékű legyen a körgyorsító).
Az energiától és a teljesítménytől függően a részecskék gyorsulnak, a körgyorsítók hátrányt szenvednek, mivel a részecskék szinkrotron sugárzást bocsátanak ki. Ha bármelyik töltött részecske felgyorsul, elektromágneses sugárzást és másodlagos emissziót bocsát ki. Mivel a körben haladó részecske mindig gyorsul a kör közepe felé, folyamatosan sugárzik a kör érintője felé. Ezt a sugárzást szinkrotron fénynek nevezik, és nagymértékben függ a gyorsuló részecske tömegétől. Emiatt sok nagy energiájú elektrongyorsító linacs. Bizonyos gyorsítókat (szinkrotronokat) azonban kifejezetten a szinkrotron fény (röntgensugarak) előállítására fejlesztettek ki.
Mivel a relativitáselmélet speciális elmélete megköveteli, hogy az anyag mindig lassabban haladjon, mint a fénysebesség vákuumban, magas hőmérsékleten. energiagyorsítók, mivel az energia növekszik, a részecske sebessége határértékként megközelíti a fénysebességet, de soha nem éri el. Ezért a részecskefizikusok általában nem a sebességet gondolják, hanem inkább a részecske energiáját vagy lendületét, általában elektronvoltokban (eV) mérve. A körgyorsítók és általában a részecskesugarak fontos elve, hogy a részecske pályájának görbülete arányos a részecske töltésével és a mágneses térrel, de fordítottan arányos a (jellemzően relativisztikus) lendülettel.
CyclotronsEdit
Lawrence 60 hüvelykes ciklotronja, 5 hüvelyk (1,5 méter) átmérőjű mágnespólusokkal, a Kaliforniai Egyetem Lawrence sugárzási laboratóriumában, Berkeley-ben, 1939. augusztus, a világ akkori legerősebb gyorsítója. Glenn T. Seaborg és Edwin McMillan (jobbra) plutónium, neptúnium és sok más transzurán elem és izotóp felfedezésére használta fel, amelyekért 1951-ben kémiai Nobel-díjat kaptak.
A legkorábbi működési körgyorsítók a ciklotronok voltak, amelyeket 1929-ben talált ki Ernest Lawrence a kaliforniai Berkeley Egyetemen. A ciklotronoknak egyetlen pár üreges “D” alakú lemezük van a részecskék felgyorsítása érdekében, és egyetlen nagy dipólus mágnesük van, amely körkörös pályára hajlik. Az egyenletes és állandó B mágneses térben a töltött részecskék jellemző tulajdonsága, hogy állandó periódussal, ciklotron frekvenciának nevezett frekvencián keringenek, amennyiben sebességük kicsi a c fénysebességhez képest. Ez azt jelenti, hogy a ciklotron gyorsuló D “-jeit állandó frekvencián lehet rádiófrekvenciás (RF) gyorsító áramforrással működtetni, mivel a nyaláb folyamatosan kifelé spirálozik. A részecskéket a mágnes közepébe injektálják, és a külső él maximális energiájuk mellett.
A ciklotronok relativisztikus hatások miatt elérik az energiahatárt, így a részecskék hatékonyabbá válnak, így ciklotron frekvenciájuk nem esik szinkronba a gyorsuló RF-vel. Ezért egyszerű ciklotronok csak kb. 15 millió elektronvolt energiáig képes felgyorsítani a protonokat (15 MeV, ami megfelel a c nagyjából 10% -ának), mert a protonok kijutnak a fázisból a hajtó elektromos térrel. Ha tovább gyorsulna, a nyaláb folytatódna hogy nagyobb sugarú körben kifelé spirálozzon, de a részecskék már nem kapnak elegendő sebességet ahhoz, hogy a nagyobb kört a gyorsuló RF-vel együtt teljesítsék. nagyobb sugarakra kell növelni, ahogy az izokron ciklotronokban történik. Az izokróm ciklotron példája a svájci PSI Ring ciklotron, amely 590 MeV energiával biztosítja a protonokat, ami a fénysebesség nagyjából 80% -ának felel meg. Az ilyen ciklotron előnye a maximálisan elérhető kivont protonáram, amely jelenleg 2,2 mA. Az energia és az áram 1,3 MW nyalábteljesítménynek felel meg, amely a jelenleg létező gyorsítók közül a legmagasabb.
Szinkrociklotronok és izokróm ciklotronok div>
Mágnes a szinkrociklotronban az Orsay protonterápiás központban
Mágnes a szinkrociklotronban az Orsay protonterápiás központban
A klasszikus ciklotron módosítható az energiahatára növelésére. A történelmileg első megközelítés a szinkrociklotron volt, amely csomókban gyorsítja a részecskéket.Állandó B mágneses teret használ {B \ displaystyle B}, de csökkenti a gyorsuló mező frekvenciáját, hogy a részecskék lépésben maradjanak kifelé haladva, és megegyezzenek a tömegfüggő ciklotron rezonancia frekvenciájukkal. Ez a megközelítés alacsony átlagos sugárzástól szenved a csomósodás következtében kialakuló intenzitás, és ismét a nagy sugárzású és állandó mezővel rendelkező hatalmas mágnes szükségessége a nagy energia által igényelt nagyobb pályán.
A relativisztikus részecskék felgyorsulásának problémájának második megközelítése az izokron Ilyen struktúrában a gyorsuló mező frekvenciáját (és a ciklotron rezonancia frekvenciáját) minden energiánál állandó értéken tartják a mágnes pólusainak alakításával úgy, hogy a mágneses mező sugárral növekedjen. Így minden részecske izokron időintervallumokban gyorsul fel. A nagyobb energiarészecskék rövidebb távolságot tesznek meg minden pályán, mint egy klasszikus ciklotron esetében, így fázisban maradnak a gyorsuló mezővel. Az izokróm ciklotron előnye, hogy magasabb átlagos intenzitású folytonos nyalábokat képes leadni, ami bizonyos alkalmazásoknál hasznos. A fő hátrány a szükséges nagy mágnes mérete és költsége, valamint a szerkezet külső szélén megkövetelt magas mágneses térértékek elérésének nehézsége.
A szinkrociklotronokat az izokróm ciklotron gyártása óta nem építették. kifejlesztve.
SynchrotronsEdit
A Fermilab-i Tevatron légifotója, amely hasonlít a nyolcas alakra. A fő gyorsító a fenti gyűrű; az alatta lévő (az átmérő körülbelül a fele, a látszat ellenére) előzetes gyorsításra, sugárhűtésre és tárolásra szolgál stb.
Még magasabb energiák eléréséhez relativisztikus tömeggel közeledve, ill. meghaladja a részecskék nyugalmi tömegét (protonok, milliárdnyi elektronvolt vagy GeV esetén), szinkrotront kell használni. Ez egy olyan gyorsító, amelyben a részecskéket állandó sugarú gyűrűben gyorsítják fel. Az azonnali előny a ciklotronokkal szemben, hogy a mágneses mezőnek csak a részecskék keringésének tényleges tartománya felett kell jelen lennie, amely sokkal keskenyebb, mint a gyűrűé. (Az USA-ban épített legnagyobb ciklotron 184 hüvelyk átmérőjű (4,7 m) mágneses pólussal rendelkezik, míg a szinkrotronok, például az LEP és az LHC átmérője közel 10 km. Az LHC két gerendájának nyílása centiméter nagyságrendű.) Az LHC 16 RF üreget, 1232 szupravezető dipólmágnest tartalmaz a sugárirányításhoz, és 24 kvadrupolt a fénysugár fókuszálásához. Még ebben a méretben is korlátozza az LHC-t az, hogy képes irányítani a részecskéket anélkül, hogy sodródnának. Ez a határ elméletileg a 14TeV-nál következik be.
Mivel azonban a részecske lendülete a gyorsulás során növekszik, a B pálya állandó görbületének fenntartása érdekében a B mágneses teret arányosan fel kell forgatni. Ennek eredményeként a szinkrotronok nem tudják folyamatosan felgyorsítani a részecskéket, mivel a ciklotronok képesek, de ciklikusan kell működniük, csomókba juttatva a részecskéket, amelyeket általában néhány másodpercenként “kiömlöttek” célba vagy egy külső nyalábba juttatnak.
Mivel a nagy energiájú szinkrotronok munkájuk nagy részét olyan részecskéken végzik, amelyek már közel c fénysebességgel haladnak, a gyűrű egy pályájának teljes ideje majdnem állandó, csakúgy, mint a gyorsulás hajtására használt RF üreges rezonátorok frekvenciája. .
A modern szinkrotronokban a nyaláb apertúrája kicsi, és a mágneses tér nem fedi le a részecske pályájának teljes területét, mint egy ciklotron esetében, így számos szükséges funkció elkülöníthető. Egy hatalmas mágnes helyett egy hajlító mágnesek százai vannak, amelyek vákuum-összekötő csöveket zárnak (vagy zárnak el). A szinkrotronok kialakítását az ötvenes évek elején forradalmasították az erős fókuszáló koncepció felfedezésével. A nyaláb fókuszálását speciális kvadrupól mágnesek kezelik függetlenül, míg a gyorsulást külön RF szakaszokban hajtják végre, meglehetősen hasonlóan a rövid lineáris gyorsítókhoz. Nem szükséges, hogy a ciklikus gépek körkörösek legyenek, sokkal inkább a sugárcsőnek lehetnek egyenes szakaszai a mágnesek között, ahol a gerendák ütközhetnek, lehűlhetnek stb. Ez egy egész különálló témává fejlődött, az úgynevezett “sugárfizika” vagy “nyaláb” optika “.
Összetettebb, modern szinkrotronok, mint például a Tevatron, az LEP és az LHC, a részecskekötegeket állandó mágneses térrel rendelkező mágnesek tároló gyűrűibe juttathatják, ahol hosszú ideig folytathatják a kísérletezést vagy további gyorsulás.A legnagyobb energiájú gépek, mint például a Tevatron és az LHC, valójában gyorsító komplexek, sorozatosan speciális elemek kaszkádjával, beleértve a kezdeti sugár létrehozásához szükséges lineáris gyorsítókat, egy vagy több alacsony energiájú szinkrotronot a köztes energia eléréséhez, tároló gyűrűket, ahol a gerendák elhelyezhetők felhalmozódott vagy “lehűtött” (a szükséges mágneses nyílás csökkentése és a fokozottabb fókuszálás lehetővé tétele; lásd a sugárhűtést), valamint egy utolsó nagy gyűrű a végső gyorsításhoz és kísérletezéshez.
Elektronszinkrotron szegmense a DESY-nél
Elektron-szinkrotronokEdit
A kör alakú elektrongyorsítók némileg elmaradtak a részecskefizika előnyétől abban az időben, amikor az SLAC lineáris részecskegyorsítóját megépítették, mert szinkrotronveszteségeiket gazdaságilag tiltónak ítélték, és mivel sugárintenzitásuk alacsonyabb volt, mint a nem lüktetett lineáris gépeknél . A kukorica Az 1970-es évek végén olcsón épített elektronszinkron volt az első az alapvető részecskefizika számára épített nagyenergiájú kör alakú elektrongyorsítók sorozatában, utoljára a CERN-ben épített LEP-vel, amelyet 1989-től 2000-ig használtak. / p>
Az elmúlt két évtizedben nagyszámú elektron szinkrotron épült, ultraibolya fényt és röntgensugarat kibocsátó szinkrotron fényforrások részeként; lásd alább.
Tároló gyűrűkEdit
Bizonyos alkalmazásoknál hasznos egy ideig nagy energiájú részecskék sugárit tárolni ( modern nagyvákuum-technológia, akár sok órán keresztül) további gyorsítás nélkül. Különösen igaz ez az ütköző sugárgyorsítókra, amelyekben két, egymással ellentétes irányban mozgó gerendát ütköznek egymással, az effektív ütközési energia nagy nyereségével. Mivel viszonylag kevés ütközés történik a két sugár metszéspontján való áthaladáskor, szokás először a nyalábokat a kívánt energiára felgyorsítani, majd tároló gyűrűkben tárolni, amelyek lényegében mágnesek szinkrotrongyűrűi, nincs jelentős RF erő a gyorsításhoz.
Szinkrotron sugárforrásokEdit
Néhány körgyorsítót úgy terveztek, hogy szándékosan sugárzást (úgynevezett szinkrotronfényt) generáljon, mint A röntgensugarak szinkrotron sugárzásnak is nevezhetők, például a gyémánt fényforrásnak, amelyet az angliai Rutherford Appleton laboratóriumban építettek, vagy az Advanced Photon Source-nak az arginói nemzeti laboratóriumban, Illinois, USA. A nagy energiájú röntgensugarak hasznosak például a fehérjék röntgenspektroszkópiájához vagy a röntgenabszorpciós finomszerkezethez (XAFS).
A szinkrotron sugárzást erősebben bocsátják ki a könnyebb részecskék, ezért ezek a gyorsítók változatlanul elektrongyorsítók. A szinkrotron sugárzás jobb képalkotást tesz lehetővé, ahogyan azt a SLAC SPEAR-on kutatták és fejlesztették.
Fix-Field Alternating Gradient AcceleratorsEdit
Rögzített terű váltakozó gradiens gyorsítók (FFA), amelyekben az időben rögzített, de az erős fókuszálás eléréséhez radiális variációjú mágneses mező lehetővé teszi a sugár gyors ismétlését, de sokkal kisebb sebességgel sugárirányú elterjedés, mint a ciklotron esetében. Az izokron FFA-k az izokron ciklotronokhoz hasonlóan folyamatos nyalábműködést érnek el, anélkül azonban, hogy hatalmas dipólusú hajlító mágnesre lenne szükség, amely lefedi a pályák teljes sugarát. A FFA-k néhány új fejleményével foglalkozunk.
HistoryEdit
Ernest Lawrence első ciklotronja mindössze 4 hüvelyk (100 mm) átmérőjű volt. Később, 1939-ben, egy 60 hüvelyk átmérőjű pólusfelületű gépet épített, 1942-ben pedig 184 hüvelyk átmérőjű gépet tervezett, amelyet azonban a második világháborúval kapcsolatos, urán-izotóp elválasztással kapcsolatos munkákra átvettek; A háború után hosszú évekig a kutatás és az orvostudomány szolgálatában állt.
Az első nagy proton-szinkrotron a Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban található Cosmotron volt, amely a protonokat kb. 3 GeV-ra gyorsította (1953–1968). Az 1954-ben elkészült Berkeley-ben található Bevatron-t kifejezetten arra tervezték, hogy a protonokat elegendő energiára gyorsítsa fel az antiprotonok előállításához, és ellenőrizze a természet részecske-antirészecske szimmetriáját, amelyet aztán csak elméletek adtak. A váltakozó gradiens szinkrotron (AGS) Brookhavenben (1960–) volt az első nagy szinkrotron váltakozó gradiensű, „erősen fókuszáló” mágnesekkel, ami nagymértékben csökkentette a sugár szükséges nyílását, és ennek megfelelően a hajlító mágnesek méretét és költségét. A CERN-ben (1959–) épült Proton Synchrotron volt az első nagy európai részecskegyorsító, és általában hasonló az AGS-hez.
A Stanford Lineáris Gyorsító (SLAC) 1966-ban kezdte meg működését, 3 km hosszú hullámvezetőben 30 GeV-ra gyorsította az elektronokat, alagútba temetve és több száz nagy klystron hajtotta. Ez még mindig a létező legnagyobb lineáris gyorsító, amelyet tároló gyűrűk és elektron-pozitron ütköző létesítmény hozzáadásával korszerűsítettek. Ez egyben röntgen- és UV-szinkrotron fotonforrás is.
A Fermilab Tevatron gyűrűje 4,4 mérföldes (6,4 km) nyalábúttal rendelkezik. Számos frissítést kapott, és proton-antiproton ütközőként működött, amíg le nem állították a 2011. szeptember 30-i költségvetési megszorítások miatt. A valaha épített legnagyobb körgyorsító a LEP szinkrotronja volt a CERN-ben, 26,6 kilométer kerülettel egy elektron / pozitron ütköző. 209 GeV energiát ért el, mielőtt 2000-ben lebontották, hogy az alagút felhasználható legyen a nagy hadronütközőhöz (LHC). Az LHC protonütköző, és jelenleg a világ legnagyobb és legmagasabb energiájú gyorsítója, sugáronként 6,5 TeV energiát ér el (összesen 13 TeV).
A megszakított szupravezető szuper ütköző (SSC) Texasban Az építkezést 1991-ben kezdték el, de 1993-ban felhagyták. Nagyon nagy körgyorsítókat mindig néhány méter széles alagutakba építenek, hogy minimalizálják az ilyen szerkezet felszínén történő felépítésének zavarait és költségeit, valamint árnyékolást biztosít a fellépő intenzív másodlagos sugárzások ellen, amelyek nagy energiák mellett rendkívül behatolnak.