방전에 의해 부과되는 고전압 상한으로 인해 입자를 더 높은 에너지로 가속하기 위해 정적 장보다는 동적 장을 포함하는 기술이 사용됩니다. 전기 역학적 가속은 비 공진 자기 유도 또는 진동 RF 장에 의해 여기 된 공진 회로 또는 공동의 두 가지 메커니즘 중 하나에서 발생할 수 있습니다. 전기 역학적 가속기는 입자가 직선으로 가속하는 선형이거나 자기장을 사용하여 입자를 대략 원형 궤도로 구부릴 수 있습니다.
자기 유도 가속기 편집
자기 유도 가속기는 가속합니다. 마치 입자가 변압기의 2 차 권선 인 것처럼 증가하는 자기장의 유도에 의한 입자. 증가하는 자기장은 입자를 가속하도록 구성 할 수있는 순환 전기장을 생성합니다. 유도 가속기는 선형 또는 원형 일 수 있습니다.
선형 유도 가속기 편집
선형 유도 가속기는 페라이트 부하, 비 공진을 활용합니다. 유도 구멍. 각 캐비티는 외부 원통형 튜브로 연결된 두 개의 큰 와셔 모양의 디스크로 생각할 수 있습니다. 디스크 사이에는 페라이트 토 로이드가 있습니다. 두 디스크 사이에인가 된 전압 펄스는 자기장을 증가시켜 하전 입자 빔에 전력을 유도 적으로 결합시킵니다.
선형 유도 가속기는 1960 년대 Christofilos에 의해 발명되었습니다. 선형 유도 가속기는 단일 짧은 펄스에서 매우 높은 빔 전류 (> 1000A)를 가속 할 수 있습니다. 플래시 방사선 촬영 (예 : LANL의 DARHT)을위한 X- 선을 생성하는 데 사용되었으며 자기 구속 융합을위한 입자 주입기 및 자유 전자 레이저를위한 드라이버로 간주되었습니다.
BetatronsEdit
Betatron은 1940 년 Donald Kerst가 전자 가속을 위해 발명 한 원형 자기 유도 가속기입니다. 이 개념은 궁극적으로 노르웨이-독일 과학자 인 Rolf Widerøe에서 시작되었습니다. 싱크로트론과 같은이 기계는 주기적으로 증가하는 B 필드를 가진 도넛 모양의 링 자석 (아래 참조)을 사용하지만, 증가하는 자기장에서 유도하여 입자가 변압기의 2 차 권선 인 것처럼 가속합니다. 궤도를 통해 자속을 변경합니다.
적절한 가속 전기장을 공급하면서 일정한 궤도 반경을 달성하려면 궤도를 연결하는 자속이 궤도의 자기장과 다소 독립적이어야하며 입자를 일정하게 구부립니다. 반경 곡선. 이 기계는 실제로 상대적으로 작은 반경 궤도에서 거의 빛의 속도로 움직이는 전자에 의해 겪는 큰 복사 손실로 인해 제한되었습니다.
선형 가속기 편집
현대 초전도 무선 주파수, 다중 셀 선형 가속기 구성 요소
선형 입자 가속기 (linac)에서 입자는 한쪽 끝에 관심 대상이있는 직선으로 가속됩니다. 입자가 원형 가속기에 주입되기 전에 입자에 초기 저에너지 킥을 제공하는 데 자주 사용됩니다. 세계에서 가장 긴 linac은 길이가 3km (1.9 mi) 인 Stanford Linear Accelerator, SLAC입니다. SLAC는 전자-양전자 충돌기입니다.
선형 고 에너지 가속기는 교번하는 고 에너지 장이 적용되는 선형 배열의 플레이트 (또는 드리프트 튜브)를 사용합니다. 입자가 플레이트에 접근함에 따라 플레이트에 적용된 반대 극성 전하에 의해 가속됩니다. 그들이 판의 구멍을 통과 할 때, 판이 이제 판을 밀어 내고 다음 판을 향해 가속되도록 극성이 전환됩니다. 일반적으로 입자의 “다발”흐름이 가속화되므로 신중하게 제어 된 AC 전압이 각 플레이트에 적용되어 각 묶음에 대해이 과정을 지속적으로 반복합니다.
입자가 빛의 속도에 접근하면 스위칭 속도가 증가합니다. 전기장이 너무 높아져서 무선 주파수에서 작동하기 때문에 마이크로파 캐비티는 단순한 플레이트 대신 고 에너지 기계에 사용됩니다.
선형 가속기는 의학, 방사선 치료 및 방사선 수술에도 널리 사용됩니다. 의료용 linac은 klystron과 6-30 MeV 에너지의 빔을 생성하는 복잡한 굽힘 자석 배열을 사용하여 전자를 가속화합니다. 전자는 직접 사용되거나 표적과 충돌하여 X- 선 빔을 생성 할 수 있습니다. 생성 된 방사선 빔의 신뢰성, 유연성 및 정확성은 치료 도구로 사용하던 코발트 -60 요법을 대체로 대체했습니다.
원형 또는 순환 RF 가속기 편집
원형 가속기에서 , 입자는 충분한 에너지에 도달 할 때까지 원을 그리며 움직입니다.입자 트랙은 일반적으로 전자석을 사용하여 원으로 구부러집니다. 선형 가속기 (linacs)에 비해 원형 가속기의 장점은 입자가 무한정 이동할 수 있기 때문에 링 토폴로지가 연속 가속을 허용한다는 것입니다. 또 다른 장점은 원형 가속기가 비슷한 전력의 선형 가속기보다 작다는 것입니다 (즉, linac은 원형 가속기와 동등한 전력을 갖기 위해 매우 길어야합니다).
에너지와 에너지에 따라 입자가 가속되면 원형 가속기는 입자가 싱크로트론 복사를 방출한다는 단점이 있습니다. 하전 입자가 가속되면 전자기 복사와 2 차 방출이 방출됩니다. 원을 따라 이동하는 입자는 항상 원의 중심을 향해 가속하므로 원의 접선을 향해 지속적으로 방사됩니다. 이 방사선을 싱크로트론 광이라고하며 가속하는 입자의 질량에 크게 의존합니다. 이러한 이유로 많은 고 에너지 전자 가속기는 linac입니다. 그러나 특정 가속기 (싱크로트론)는 싱크로트론 광 (X 선)을 생성하기 위해 특별히 제작되었습니다.
특수 상대성 이론에 따르면 물질은 항상 진공 상태에서 빛의 속도보다 느리게 이동해야합니다. 에너지 가속기, 에너지가 증가함에 따라 입자 속도가 한계로 빛의 속도에 접근하지만 결코 도달하지 못합니다. 따라서 입자 물리학 자들은 일반적으로 속도의 관점에서 생각하지 않고 일반적으로 전자 볼트 (eV)로 측정되는 입자의 에너지 또는 운동량으로 생각합니다. 원형 가속기 및 일반적으로 입자 빔의 중요한 원리는 다음과 같습니다. 입자 궤적의 곡률은 입자 전하와 자기장에 비례하지만 (일반적으로 상대 론적) 운동량에 반비례합니다.
CyclotronsEdit
Lawrence의 60 인치 사이클로트론, 직경 60 인치 (5 피트, 1.5 미터)의 자석 극이 버클리에있는 캘리포니아 대학교 로렌스 방사선 연구소에 있습니다. 1939 년 8 월 당시 세계에서 가장 강력한 가속기였습니다. Glenn T. Seaborg와 Edwin McMillan (오른쪽)은이를 사용하여 플루토늄, 넵투늄 및 기타 많은 초 우라 닉 원소와 동위 원소를 발견하여 1951 년 노벨 화학상을 수상했습니다.
최초의 작동 순환 가속기는 1929 년 버클리 캘리포니아 대학의 Ernest Lawrence에 의해 발명 된 사이클로트론이었습니다. 사이클로트론은 입자를 가속하기위한 한 쌍의 속이 빈 “D”자형 판과 원형 궤도로 경로를 구부리는 단일 큰 쌍극자 자석을 가지고 있습니다. 빛의 속도 c에 비해 속도가 작은 한 사이클로트론 주파수라는 주파수에서 일정한 주기로 공전하는 것은 균일하고 일정한 자기장 B에서 하전 된 입자의 특성입니다. 즉, 빔이 지속적으로 바깥쪽으로 나선형으로 나선 경우, 사이클로트론의 가속 D 는 무선 주파수 (RF) 가속 전원에 의해 일정한 주파수로 구동 될 수 있습니다. 입자는 자석의 중앙에 주입되어 사이클로트론은 상대 론적 효과로 인해 입자가 효과적으로 더 무거워 져서 사이클로트론 주파수가 가속하는 RF와 동기화되지 않아 에너지 한계에 도달합니다. 따라서 단순한 사이클로트론 양성자가 구동 전기장과 위상이 맞지 않기 때문에 약 1,500 만 전자 볼트 (15 MeV, c의 약 10 % 속도에 해당)의 에너지로만 양성자를 가속 할 수 있습니다. 더 가속하면 빔이 계속됩니다. 더 큰 반경으로 바깥쪽으로 나선형으로 나선 것이지만 입자는 더 이상 가속 RF와 함께 더 큰 원을 완성하기에 충분한 속도를 얻지 못합니다. 상대 론적 효과를 수용하려면 자기장이 필요합니다. 등시성 사이클로트론 에서처럼 더 높은 반경으로 증가합니다. 등시성 사이클로트론의 예는 스위스의 PSI 링 사이클로트론으로, 광속의 약 80 %에 해당하는 590 MeV의 에너지로 양성자를 제공합니다. 이러한 사이클로트론의 장점은 현재 2.2mA 인 최대 달성 가능한 추출 된 양성자 전류입니다. 에너지와 전류는 현재 존재하는 가속기 중 가장 높은 1.3MW 빔 파워에 해당합니다.
싱크로 사이클로트론 및 등시성 사이클로트론 편집
Orsay 양성자 치료 센터의 싱크로 사이클론 자석
고전적인 사이클로트론은 에너지 한계를 높이기 위해 수정할 수 있습니다. 역사적으로 첫 번째 접근 방식은 입자를 다발로 가속화하는 싱크로 사이클로트론이었습니다.일정한 자기장 B {\ displaystyle B}를 사용하지만 입자가 바깥쪽으로 나선형으로 나선 상태를 유지하기 위해 가속 장의 주파수를 줄여 질량 의존형 사이클로트론 공명 주파수와 일치합니다.이 접근 방식은 평균 빔이 낮습니다. 고 에너지가 요구하는 더 큰 궤도에 대해 큰 반경과 일정한 장을 가진 거대한 자석이 필요하기 때문입니다.
상대 론적 입자 가속 문제에 대한 두 번째 접근법은 등시성입니다. 이러한 구조에서 가속 장의 주파수 (및 사이클로트론 공명 주파수)는 반경으로 자기장을 증가시키기 위해 자극을 형성함으로써 모든 에너지에 대해 일정하게 유지됩니다. 따라서 모든 입자는 등시성 시간 간격으로 가속됩니다. 더 높은 에너지 입자는 고전적인 사이클로트론에서보다 각 궤도에서 더 짧은 거리를 이동하므로 가속 장과 위상을 유지합니다. 등시성 사이클로트론의 장점은 더 높은 평균 강도의 연속 빔을 전달할 수 있다는 것입니다. 이는 일부 응용 분야에 유용합니다. 가장 큰 단점은 필요한 대형 자석의 크기와 비용, 그리고 구조물의 바깥 쪽 가장자리에서 요구되는 높은 자기장 값을 얻기가 어렵다는 것입니다.
SynchrotronsEdit
Fermilab에있는 Tevatron의 항공 사진으로 숫자 8과 비슷합니다. 주요 가속기는 위의 링입니다. 아래에있는 것 (외형에도 불구하고 직경의 절반 정도)은 예비 가속, 빔 냉각 및 저장 등을위한 것입니다.
상대 론적 질량에 접근하거나 입자의 나머지 질량 (양성자, 수십억 전자 볼트 또는 GeV)을 초과하는 경우 싱크로트론을 사용해야합니다. 이것은 입자가 일정한 반경의 링에서 가속되는 가속기입니다. 사이클로트론에 비해 즉각적인 이점은 자기장이 링보다 훨씬 좁은 입자 궤도의 실제 영역에만 존재하면된다는 것입니다. (미국에서 제작 된 가장 큰 사이클로트론은 184 인치 직경 (4.7m)의 자극을 가지고있는 반면, LEP 및 LHC와 같은 싱크로트론의 직경은 거의 10km입니다. LHC의 두 빔의 조리개는 LHC는 16 개의 RF 캐비티, 빔 조향 용 초전도 다이폴 자석 1232 개, 빔 포커싱 용 쿼드 러폴 24 개를 포함합니다. 이 크기에서도 LHC는 입자가 표류하지 않고 조종 할 수있는 능력에 의해 제한됩니다. 이 한계는 14TeV에서 발생하는 것으로 이론화되어 있습니다.
그러나 가속 중에 입자 운동량이 증가하기 때문에 궤도의 일정한 곡률을 유지하려면 자기장 B를 비례 적으로 높여야합니다. 결과적으로, 싱크로트론은 사이클로트론이 할 수있는 것처럼 입자를 지속적으로 가속 할 수 없지만 주기적으로 작동해야합니다. 입자를 뭉치로 공급하여 일반적으로 몇 초마다 빔 “유출”로 대상 또는 외부 빔에 전달합니다.
고 에너지 싱크로트론은 이미 거의 빛의 속도로 이동하는 입자에 대해 대부분의 작업을 수행하기 때문에 가속을 구동하는 데 사용되는 RF 공동 공진기의 주파수와 마찬가지로 링의 한 궤도를 완료하는 데 걸리는 시간은 거의 일정합니다. .
최신 싱크로트론에서는 빔 조리개가 작고 자기장은 사이클로트론처럼 입자 궤도의 전체 영역을 덮지 않으므로 몇 가지 필요한 기능을 분리 할 수 있습니다. 하나의 거대한 자석 대신 진공 연결 파이프를 둘러싸는 (또는 둘러싸는) 수백 개의 벤딩 자석 라인이 있습니다. 싱크로트론의 디자인은 1950 년대 초 강력한 초점 개념의 발견과 함께 혁명을 일으켰습니다. 빔의 초점은 특수 사중 극자 자석에 의해 독립적으로 처리되는 반면, 가속 자체는 짧은 선형 가속기와 유사하게 별도의 RF 섹션에서 수행됩니다. 또한 순환 기계가 원형 일 필요는 없지만 빔 파이프는 빔이 충돌하거나 냉각 될 수있는 자석 사이에 직선 섹션을 가질 수 있습니다. 이것은 “빔 물리학”또는 “빔”이라는 전체 개별 주제로 발전했습니다. 광학 “.
Tevatron, LEP 및 LHC와 같은 더 복잡한 최신 싱크로트론은 입자 다발을 일정한 자기장을 가진 자석의 저장 고리로 전달하여 실험을 위해 장기간 계속 궤도를 돌 수 있습니다. 또는 추가 가속.Tevatron 및 LHC와 같은 최고 에너지 기계는 실제로 가속기 복합체이며, 초기 빔 생성을위한 선형 가속기, 중간 에너지에 도달하기위한 하나 이상의 저에너지 싱크로트론, 빔이 될 수있는 저장 링을 포함하여 직렬로 연결된 특수 요소의 캐스케이드가 있습니다. 누적 또는 “냉각”(필요한 자석 조리개 감소 및 더 세밀한 초점 허용, 빔 냉각 참조) 및 최종 가속 및 실험을위한 마지막 큰 링.
DESY에서 전자 싱크로트론의 세그먼트
전자 싱크로트론 편집
원형 전자 가속기는 SLAC의 선형 입자 가속기가 만들어 졌을 무렵 입자 물리학에서 선호되지 않았습니다. 그 이유는 싱크로트론 손실이 경제적으로 금지 된 것으로 간주되고 빔 강도가 펄스가없는 선형 기계보다 낮기 때문입니다. . 옥수수 1970 년대 후반 저비용으로 제작 된 ell Electron Synchrotron은 기본 입자 물리학을 위해 제작 된 일련의 고 에너지 원형 전자 가속기 중 첫 번째로, 마지막으로 CERN에서 제작 된 LEP로 1989 년부터 2000 년까지 사용되었습니다. / p>
자외선과 X 선을 방출하는 싱크로트론 광원의 일부로 지난 20 년 동안 많은 수의 전자 싱크로트론이 만들어졌습니다. 아래를 참조하십시오.
저장 링 편집
일부 응용 분야의 경우 고 에너지 입자 빔을 일정 시간 동안 저장하는 것이 유용합니다. 최신 고진공 기술, 최대 수 시간) 추가 가속없이. 이는 충돌 빔 가속기에서 특히 그렇습니다. 반대 방향으로 움직이는 두 개의 빔이 서로 충돌하도록 만들어져 효과적인 충돌 에너지가 크게 증가합니다. 두 빔의 교차점을 통과 할 때마다 상대적으로 충돌이 거의 발생하지 않기 때문에 먼저 빔을 원하는 에너지로 가속 한 다음 본질적으로 중요한 RF없이 자석의 싱크로트론 링인 저장 링에 저장하는 것이 일반적입니다. 가속을위한 힘.
싱크로트론 방사원 편집
일부 원형 가속기는 의도적으로 방사 (싱크로트론 조명이라고 함)를 생성하도록 제작되었습니다. X-ray는 싱크로트론 복사라고도합니다. 예를 들어 영국 Rutherford Appleton Laboratory에 구축 된 Diamond Light Source 나 미국 일리노이 주 Argonne National Laboratory에있는 Advanced Photon Source가 있습니다. 예를 들어 고 에너지 X 선은 단백질의 X 선 분광법이나 XAFS (X 선 흡수 미세 구조)에 유용합니다.
싱크로트론 방사선은 더 가벼운 입자에 의해 더 강력하게 방출되므로 이러한 가속기는 다음과 같습니다. 변함없이 전자 가속기. 싱크로트론 방사는 SLAC의 SPEAR에서 연구 및 개발 된 것처럼 더 나은 이미징을 가능하게합니다.
고 정장 교번 기울기 가속기 편집
FFA (Fixed-Field Alternating Gradient accelerators)는 자기장이 시간에 고정되어 있지만 강한 초점을 얻기 위해 방사형 변화가있는 자기장이 높은 반복률로 빔을 가속 할 수 있도록합니다. 사이클로트론의 경우보다 방사형 확산. 등시성 사이클로트론과 같은 등시성 FFA는 연속적인 빔 작동을 달성하지만 궤도의 전체 반경을 덮는 거대한 쌍극자 굽힘 자석이 필요하지 않습니다. FFA의 몇 가지 새로운 개발에 대해 설명합니다.
HistoryEdit
Ernest Lawrence의 첫 번째 사이클로트론은 직경이 4 인치 (100mm)에 불과했습니다. 그 후 1939 년에 그는 60 인치 직경의 극면을 가진 기계를 만들고 1942 년에 184 인치 직경의 기계를 계획했지만 우라늄 동위 원소 분리와 관련된 제 2 차 세계 대전 관련 작업을 대신했습니다. 전쟁 후에도 수년에 걸쳐 연구와 의학을 위해 계속 사용되었습니다.
최초의 대형 양성자 싱크로트론은 Brookhaven National Laboratory의 Cosmotron으로 양성자를 약 3 GeV (1953–1968)로 가속화했습니다. 1954 년에 완성 된 Berkeley의 Bevatron은 양성자를 충분한 에너지로 가속하여 반양성자를 생성하고 자연의 입자-반입자 대칭을 확인한 다음 이론화되도록 특별히 설계되었습니다. Brookhaven (1960–)의 AGS (Alternating Gradient Synchrotron)는 교대로 구배, “강한 초점”자석을 사용하는 최초의 대형 싱크로트론으로 빔의 필요한 구경과 그에 따라 구부러진 자석의 크기와 비용을 크게 줄였습니다. CERN (1959–)에서 제작 된 Proton Synchrotron은 유럽 최초의 주요 입자 가속기였으며 일반적으로 AGS와 유사합니다.
Stanford Linear Accelerator, SLAC는 1966 년에 가동되어 3km 길이의 도파관에서 전자를 30GeV로 가속하고 터널에 묻혀 수백 개의 큰 klystron에 의해 구동됩니다. 여전히 현존하는 가장 큰 선형 가속기이며 저장 링과 전자-양전자 충돌기 시설을 추가하여 업그레이드되었습니다. 또한 X 선 및 UV 싱크로트론 광자 소스이기도합니다.
Fermilab Tevatron에는 빔 경로가 6.4km (4 마일) 인 링이 있습니다. 여러 번의 업그레이드를 받았으며 2011 년 9 월 30 일 예산 삭감으로 인해 폐쇄 될 때까지 양성자-반양성자 충돌기로 기능했습니다. 지금까지 만들어진 가장 큰 원형 가속기는 CERN의 LEP 싱크로트론으로 둘레 26.6km였습니다. 전자 / 양전자 충돌기. 2000 년 해체되기 전에 209 GeV의 에너지를 달성하여 터널이 LHC (Large Hadron Collider)에 사용될 수 있도록했습니다. LHC는 양성자 충돌기이며 현재 세계에서 가장 크고 에너지가 가장 높은 가속기로서 빔당 6.5 TeV 에너지 (총 13 TeV)를 달성합니다.
텍사스에서 중단 된 초전도 슈퍼 충돌기 (SSC) 둘레가 87km 였을 것입니다. 공사는 1991 년에 시작되었지만 1993 년에 폐기되었습니다. 매우 큰 원형 가속기는 수 미터 폭의 터널에 항상 건설되어 이러한 구조물을 표면에 짓는 데 드는 비용과 중단을 최소화합니다. 발생하는 강렬한 2 차 방사선에 대한 차폐를 제공합니다. 이는 높은 에너지에서 극도로 침투합니다.