Partikkelakselerator

På grunn av høyspenningsloftet som pålegges av elektrisk utladning, brukes teknikker som involverer dynamiske felt i stedet for statiske felt for å akselerere partikler til høyere energi. Elektrodynamisk akselerasjon kan oppstå fra en av to mekanismer: ikke-resonant magnetisk induksjon, eller resonanskretser eller hulrom som er opphisset av oscillerende RF-felt. Elektrodynamiske akseleratorer kan være lineære, med partikler som akselererer i en rett linje eller sirkulære, ved hjelp av magnetfelt for å bøye partikler i en omtrent sirkulær bane.

Magnetiske induksjonsakseleratorer Rediger

Magnetiske induksjonsakseleratorer akselererer partikler ved induksjon fra et økende magnetfelt, som om partiklene var sekundærviklingen i en transformator. Det økende magnetfeltet skaper et sirkulerende elektrisk felt som kan konfigureres for å akselerere partiklene. Induksjonsakseleratorer kan være enten lineære eller sirkulære.

Lineære induksjonsakseleratorerRediger

Lineære induksjonsakseleratorer bruker ferritbelastet, ikke-resonant induksjonshulrom. Hvert hulrom kan betraktes som to store skiveformede skiver forbundet med et ytre sylindrisk rør. Mellom skivene er det en ferrittoroid. En spenningspuls påført mellom de to diskene forårsaker et økende magnetfelt som induktivt kobler strøm til den ladede partikkelstrålen.

Den lineære induksjonsakseleratoren ble oppfunnet av Christofilos på 1960-tallet. Lineære induksjonsakseleratorer er i stand til å akselerere veldig fjernlysstrømmer (> 1000 A) i en enkelt kort puls. De har blitt brukt til å generere røntgen for flash-radiografi (f.eks. DARHT på LANL), og har blitt ansett som partikkelinjektorer for magnetisk inneslutning og som drivere for gratis elektronlasere.

BetatronsEdit

Betatron er en sirkulær magnetisk induksjonsakselerator, oppfunnet av Donald Kerst i 1940 for akselerasjon av elektroner. Konseptet stammer til slutt fra den norsk-tyske forskeren Rolf Widerøe. Disse maskinene, som synkrotroner, bruker en doughnutformet ringmagnet (se nedenfor) med et syklisk økende B-felt, men akselererer partiklene ved induksjon fra det økende magnetfeltet, som om de var sekundærviklingen i en transformator, på grunn av endre magnetisk flux gjennom banen.

Å oppnå konstant orbitalradius mens du forsyner riktig akselererende elektrisk felt krever at magnetstrømmen som forbinder banen er noe uavhengig av magnetfeltet på banen, og bøyer partiklene til en konstant radiuskurve. Disse maskinene har i praksis vært begrenset av de store strålingstapene som elektronene beveger seg med nesten lyshastigheten i en relativt liten radiusbane.

Lineære akseleratorer Rediger

I en lineær partikkelakselerator (linac) akselereres partikler i en rett linje med et mål av interesse i den ene enden. De blir ofte brukt for å gi et innledende lavenergi spark til partikler før de injiseres i sirkulære akseleratorer. Den lengste linacen i verden er Stanford Linear Accelerator, SLAC, som er 3 km lang. SLAC er en elektron-positron kollider.

Lineære høyenergi akseleratorer bruker et lineært utvalg av plater (eller drivrør) som et alternerende høynergifelt påføres. Når partiklene nærmer seg en plate, akselereres de mot den av en motsatt polaritetsladning som påføres platen. Når de passerer gjennom et hull i platen, byttes polariteten slik at platen nå frastøter dem, og de akselereres nå av den mot neste plate. Normalt akselereres en strøm med «bunter» av partikler, så en nøye kontrollert vekselstrøm påføres hver plate for kontinuerlig å gjenta denne prosessen for hver gjeng.

Når partiklene nærmer seg lysets hastighet, bytter hastigheten av de elektriske feltene blir så høye at de opererer ved radiofrekvenser, og så blir mikrobølgeovner brukt i maskiner med høyere energi i stedet for enkle plater.

Lineære akseleratorer brukes også mye i medisin, til strålebehandling og strålekirurgi. Linacs av medisinsk kvalitet akselererer elektroner ved hjelp av en klystron og et komplekst bøyemagnetarrangement som gir en stråle på 6-30 MeV energi. Elektronene kan brukes direkte, eller de kan kollideres med et mål for å produsere en stråle av røntgenstråler. Påliteligheten, fleksibiliteten og nøyaktigheten til den produserte strålingsstrålen har i stor grad fortrengt den eldre bruken av kobolt-60-terapi som behandlingsverktøy.

Sirkulære eller sykliske RF-akseleratorerRediger

I den sirkulære akseleratoren , beveger partikler seg i en sirkel til de når tilstrekkelig energi.Partikkelsporet er vanligvis bøyd i en sirkel ved hjelp av elektromagneter. Fordelen med sirkulære akseleratorer fremfor lineære akseleratorer (linacs) er at ringtopologien tillater kontinuerlig akselerasjon, da partikkelen kan passere på ubestemt tid. En annen fordel er at en sirkulær akselerator er mindre enn en lineær akselerator med sammenlignbar kraft (dvs. en linac må være ekstremt lang for å ha den tilsvarende effekten til en sirkulær akselerator).

Avhengig av energien og idet partikkel akselereres, har sirkulære akseleratorer en ulempe ved at partiklene avgir synkrotronstråling. Når en ladet partikkel akselereres, avgir den elektromagnetisk stråling og sekundære utslipp. Ettersom en partikkel som beveger seg i en sirkel alltid akselererer mot sentrum av sirkelen, stråler den kontinuerlig mot sirkelens tangens. Denne strålingen kalles synkrotronlys og avhenger sterkt av massen til den akselererende partikkelen. Av denne grunn er mange høyenergi-elektronakseleratorer linacer. Visse akseleratorer (synkrotroner) er imidlertid bygget spesielt for å produsere synkrotronlys (røntgenstråler).

Siden den spesielle relativitetsteorien krever at materie alltid beveger seg langsommere enn lysets hastighet i vakuum, i høy energiakseleratorer, når energien øker, nærmer partikkelhastigheten lysets hastighet som en grense, men når aldri den. Derfor tenker ikke partikkelfysikere generelt med tanke på hastighet, men snarere når det gjelder en partikkels energi eller momentum, vanligvis målt i elektronvolt (eV). Et viktig prinsipp for sirkulære akseleratorer, og partikkelstråler generelt, er at krumningen til partikkelbanen er proporsjonal med partikkelladningen og magnetfeltet, men omvendt proporsjonal med (typisk relativistisk) momentum.

CyclotronsEdit

De tidligste operasjonelle sirkulære akseleratorene var syklotroner, oppfunnet i 1929 av Ernest Lawrence ved University of California, Berkeley. Syklotroner har et enkelt par hule «D» -formede plater for å akselerere partiklene og en enkelt stor dipolmagnet for å bøye banen i en sirkulær bane. Det er en karakteristisk egenskap for ladede partikler i et jevnt og konstant magnetfelt B at de kretser med en konstant periode, med en frekvens som kalles cyklotronfrekvensen, så lenge hastigheten er liten sammenlignet med lyshastigheten c. Dette betyr at den akselererende D «s av en cyklotron kan drives med en konstant frekvens av en radiofrekvens (RF) akselererende kraftkilde, når strålen spiraler kontinuerlig utover. Partiklene injiseres i midten av magneten og ekstraheres ved ytterkanten ved maksimal energi.

Syklotroner når en energigrense på grunn av relativistiske effekter der partiklene effektivt blir mer massive, slik at deres cyklotronfrekvens faller ut av synkronisering med den akselererende RF. Derfor, enkle cyklotroner kan akselerere protoner bare til en energi på rundt 15 millioner elektronvolt (15 MeV, tilsvarende en hastighet på omtrent 10% av c), fordi protonene kommer ut av fasen med det drivende elektriske feltet. Hvis akselerert ytterligere, ville strålen fortsette å spiral utover til en større radius, men partiklene ville ikke lenger få nok fart til å fullføre den større sirkelen i takt med den akselererende RF. For å imøtekomme relativistiske effekter trenger magnetfeltet økes til høyere radier slik det gjøres i isokrone syklotroner. Et eksempel på en isokron syklotron er PSI Ring-syklotronen i Sveits, som gir protoner ved energien 590 MeV, som tilsvarer omtrent 80% av lysets hastighet. Fordelen med en slik syklotron er den maksimalt oppnåelige ekstraherte protonstrømmen som for tiden er 2,2 mA. Energien og strømmen tilsvarer 1,3 MW stråleeffekt som er den høyeste av noen akselerator som for øyeblikket eksisterer. div>

En klassisk syklotron kan endres for å øke energigrensen. Den historisk første tilnærmingen var synkrocyclotronen, som akselererer partiklene i bunter.Den bruker et konstant magnetfelt B {\ displaystyle B}, men reduserer frekvensen av akselerasjonsfeltet slik at partiklene holdes i takt når de spiralerer utover og samsvarer med deres masseavhengige syklotronresonansfrekvens. Denne tilnærmingen lider av lav gjennomsnittsstråle intensitet på grunn av sammenkobling, og igjen fra behovet for en enorm magnet med stor radius og konstant felt over den større bane som kreves av høy energi.

Den andre tilnærmingen til problemet med å akselerere relativistiske partikler er den isokrone I en slik struktur holdes akselerasjonsfeltets frekvens (og syklotronresonansfrekvensen) konstant for alle energier ved å forme magnetpolene for å øke magnetfeltet med radius. Dermed blir alle partikler akselerert i isokrone tidsintervaller. Høyere energipartikler kjører en kortere avstand i hver bane enn de ville gjort i en klassisk syklotron, og forblir dermed i fase med akselerasjonsfeltet. Fordelen med den isokrone syklotronen er at den kan levere kontinuerlige bjelker med høyere gjennomsnittsintensitet, noe som er nyttig for noen applikasjoner. De viktigste ulempene er størrelsen og kostnaden for den store magneten som trengs, og vanskeligheten med å oppnå de høye magnetiske feltverdiene som kreves ved ytterkanten av strukturen.

Synkrocyclotrons har ikke blitt bygget siden den isokrone syklotronen ble utviklet.

SynchrotronsEdit

Å nå enda høyere energier, med relativistisk masse som nærmer seg eller overstiger restmassen til partiklene (for protoner, milliarder elektronvolter eller GeV), er det nødvendig å bruke en synkrotron. Dette er en akselerator der partiklene akselereres i en ring med konstant radius. En umiddelbar fordel i forhold til syklotroner er at magnetfeltet bare trenger å være tilstede over den faktiske regionen av partikkelbanene, noe som er mye smalere enn for ringen. (Den største syklotronen som ble bygget i USA hadde en magnetpol med en diameter på 4,7 m, mens diameteren på synkrotroner som LEP og LHC er nesten 10 km. Blenderåpningen til de to bjelkene i LHC er av orden på en centimeter.) LHC inneholder 16 RF-hulrom, 1232 superledende dipolmagneter for strålestyring og 24 firestol for strålefokusering. Selv i denne størrelsen er LHC begrenset av dens evne til å styre partiklene uten at de går i drift. Denne grensen er teoretisert til å forekomme ved 14TeV.

Imidlertid, siden partikkelmomentet øker under akselerasjon, er det nødvendig å skru opp magnetfeltet B i forhold til å opprettholde konstant krumning av banen. Som en konsekvens kan synkrotroner ikke akselerere partikler kontinuerlig, slik cyklotroner kan, men må operere syklisk, og tilfører partikler i bunter, som leveres til et mål eller en ekstern stråle i stråle «søl» vanligvis hvert par sekunder.

Siden synkrotroner med høy energi gjør det meste av sitt arbeid på partikler som allerede beveger seg nesten med lysets hastighet c, er tiden for å fullføre en bane i ringen nesten konstant, og det samme er frekvensen til RF-hulromresonatorene som brukes til å drive akselerasjonen .

I moderne synkrotroner er stråleåpningen liten og magnetfeltet dekker ikke hele området av partikkelbanen slik det gjør for en cyklotron, så flere nødvendige funksjoner kan skilles fra hverandre. I stedet for en stor magnet, har man en linje med hundrevis av bøyemagneter som omslutter (eller omsluttes av) vakuumkoblingsrør. Utformingen av synkrotroner ble revolusjonert på begynnelsen av 1950-tallet med oppdagelsen av det sterke fokuseringskonseptet. Fokuseringen av strålen håndteres uavhengig av spesialiserte firemannsmagneter, mens selve akselerasjonen oppnås i separate RF-seksjoner, ganske lik korte lineære akseleratorer. Det er heller ikke nødvendig at sykliske maskiner er sirkulære, men strålerøret kan ha rette seksjoner mellom magneter der bjelker kan kollidere, bli avkjølt, etc. Dette har utviklet seg til et helt eget emne, kalt «bjelkefysikk» eller «bjelke optikk «.

Mer komplekse moderne synkrotroner som Tevatron, LEP og LHC kan levere partikkelbunter i lagringsringer av magneter med et konstant magnetfelt, der de kan fortsette å bane i lange perioder for eksperimentering eller ytterligere akselerasjon.De høyeste energimaskinene som Tevatron og LHC er faktisk akselerasjonskomplekser, med en kaskade av spesialiserte elementer i serie, inkludert lineære akseleratorer for innledende stråledannelse, en eller flere synkrotroner med lav energi for å nå mellomliggende energi, lagringsringer der bjelker kan være akkumulert eller «avkjølt» (reduserer den nødvendige magnetåpningen og tillater strengere fokusering, se strålekjøling), og en siste store ring for endelig akselerasjon og eksperimentering.

Electron synchrotronsEdit

Sirkulære elektronakseleratorer falt noe i favør for partikkelfysikk rundt den tiden SLACs lineære partikkelakselerator ble konstruert, fordi deres synkrotrontap ble ansett som økonomisk uoverkommelig og fordi deres stråleintensitet var lavere enn for de ikke-pulserte lineære maskinene Maisen ell Electron Synchrotron, bygget til lave kostnader på slutten av 1970-tallet, var den første i en serie med høyenergiske sirkulære elektronakseleratorer bygget for grunnleggende partikkelfysikk, den siste var LEP, bygget på CERN, som ble brukt fra 1989 til 2000.

Et stort antall elektronsynkrotroner er blitt bygget de siste to tiårene, som en del av synkrotronlyskilder som avgir ultrafiolett lys og røntgenstråler; se nedenfor.

LagringsringerEdit

For noen applikasjoner er det nyttig å lagre bjelker med høyenergipartikler i noen tid (med moderne høyvakuumteknologi, opptil mange timer) uten ytterligere akselerasjon. Dette gjelder spesielt for kolliderende bjelkeakseleratorer, der to bjelker som beveger seg i motsatte retninger er laget for å kollidere med hverandre, med stor gevinst i effektiv kollisjonsenergi. Fordi relativt få kollisjoner oppstår ved hver passering gjennom krysspunktet til de to bjelkene, er det vanlig å først akselerere bjelkene til ønsket energi, og deretter lagre dem i lagringsringer, som i det vesentlige er synkrotronringer av magneter, uten signifikant RF kraft for akselerasjon.

Synchrotron strålingskilderRediger

Noen sirkulære akseleratorer er bygget for å bevisst generere stråling (kalt synchrotron light) som Røntgenstråler også kalt synkrotronstråling, for eksempel Diamond Light Source som er bygget på Rutherford Appleton Laboratory i England eller Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory i Illinois, USA. Røntgenstråler med høy energi er for eksempel nyttige for røntgenspektroskopi av proteiner eller røntgenabsorpsjon fin struktur (XAFS).

Synkrotronstråling sendes kraftigere ut av lettere partikler, så disse akseleratorene blir alltid elektronakseleratorer. Synkrotronstråling muliggjør bedre bildebehandling som forsket og utviklet ved SLACs SPEAR.

Fixed-Field Alternating Gradient AcceleratorsEdit

Fixed-Field Alternating Gradient accelerators (FFA) s, der et magnetfelt som er fast i tid, men med en radial variasjon for å oppnå sterk fokusering, gjør at strålen kan akselereres med høy repetisjonshastighet, men i en mye mindre radial spredning enn i syklotron-tilfellet. Isokrone FFA, som isokrone syklotroner, oppnår kontinuerlig stråledrift, men uten behov for en enorm dipolbøyemagnet som dekker hele radien av banene. Noen nye utviklingstrekk i FFA er dekket av.

HistoryEdit

Ernest Lawrences første cyklotron var bare 100 mm i diameter. Senere, i 1939, bygde han en maskin med en 60-tommers stavflate og planla en med en 184-tommers diameter i 1942, som imidlertid ble overtatt for andre verdenskrig-relatert arbeid knyttet til uranisotopseparasjon; etter krigen fortsatte den i tjeneste for forskning og medisin i mange år.

Den første store protonsynkrotronen var Cosmotron ved Brookhaven National Laboratory, som akselererte protoner til ca 3 GeV (1953–1968). Bevatronen i Berkeley, fullført i 1954, ble spesielt designet for å akselerere protoner til tilstrekkelig energi til å skape antiprotoner, og verifisere partikkel-antipartikkel-symmetrien av naturen, da bare teoretisert. The Alternating Gradient Synchrotron (AGS) ved Brookhaven (1960–) var den første store synkrotronen med alternerende gradient, «sterkt fokuserende» magneter, som i stor grad reduserte den nødvendige blenderåpningen på strålen, og tilsvarende størrelsen og kostnaden for de bøyende magneter. Proton Synchrotron, bygget på CERN (1959–), var den første store europeiske partikkelakseleratoren og lignet generelt på AGS.

Stanford Linear Accelerator, SLAC, ble operativ i 1966, og akselererte elektroner til 30 GeV i en 3 km lang bølgeleder, begravet i en tunnel og drevet av hundrevis av store klystroner. Det er fortsatt den største lineære akseleratoren som eksisterer, og har blitt oppgradert med tillegg av lagringsringer og et elektron-positron kollideringsanlegg. Det er også en røntgen- og UV-synkrotronfotonkilde.

Fermilab Tevatron har en ring med en strålebane på 6,4 km. Den har fått flere oppgraderinger, og har fungert som en proton-antiproton kolliderer til den ble stengt på grunn av kutt i budsjettet 30. september 2011. Den største sirkulære akseleratoren som noen gang er bygget var LEP synchrotron på CERN med en omkrets 26,6 kilometer, som var en elektron / positron kollider. Den oppnådde en energi på 209 GeV før den ble demontert i 2000 slik at tunnelen kunne brukes til Large Hadron Collider (LHC). LHC er en protonkollider, og for tiden verdens største og høyeste energi-akselerator, og oppnår 6,5 TeV-energi per stråle (totalt 13 TeV).

Den avbrutte Superconducting Super Collider (SSC) i Texas ville ha hatt en omkrets på 87 km. Byggingen ble startet i 1991, men forlatt i 1993. Svært store sirkulære akseleratorer er alltid bygget i tunneler noen få meter brede for å minimere forstyrrelser og kostnadene ved å bygge en slik struktur på overflaten, og gi skjerming mot intense sekundære stråler som oppstår, som er ekstremt gjennomtrengende ved høye energier.