Vanwege het hoge spanningsplafond dat wordt opgelegd door elektrische ontlading, worden technieken gebruikt met dynamische velden in plaats van statische velden om deeltjes naar hogere energieën te versnellen. Elektrodynamische versnelling kan voortkomen uit een van de twee mechanismen: niet-resonerende magnetische inductie of resonerende circuits of holtes die worden opgewekt door oscillerende RF-velden. Elektrodynamische versnellers kunnen lineair zijn, waarbij deeltjes in een rechte lijn versnellen, of cirkelvormig, waarbij magnetische velden worden gebruikt om deeltjes in een min of meer cirkelvormige baan te buigen.
Magnetische inductieversnellers Bewerken
Magnetische inductieversnellers versnellen deeltjes door inductie uit een toenemend magnetisch veld, alsof de deeltjes de secundaire wikkeling in een transformator waren. Het toenemende magnetische veld creëert een circulerend elektrisch veld dat kan worden geconfigureerd om de deeltjes te versnellen. Inductieversnellers kunnen lineair of circulair zijn.
Lineaire inductieversnellers Bewerken
Lineaire inductieversnellers gebruiken ferrietbeladen, niet-resonant inductieholtes. Elke holte kan worden gezien als twee grote schijfvormige schijven die zijn verbonden door een cilindrische buitenbuis. Tussen de schijven zit een ferriet ringkern. Een spanningspuls die tussen de twee schijven wordt aangelegd, veroorzaakt een toenemend magnetisch veld dat inductief vermogen koppelt aan de geladen deeltjesbundel.
De lineaire inductieversneller werd uitgevonden door Christofilos in de jaren zestig. Lineaire inductieversnellers zijn in staat om zeer grote bundelstromen (> 1000 A) in een enkele korte puls te versnellen. Ze zijn gebruikt om röntgenstralen te genereren voor flitsradiografie (bijv. DARHT bij LANL), en werden beschouwd als deeltjesinjectoren voor magnetische opsluitingsfusie en als stuurprogrammas voor vrije-elektronenlasers.
BetatronsEdit
De Betatron is een circulaire magnetische inductieversneller, uitgevonden door Donald Kerst in 1940 voor het versnellen van elektronen. Het concept is uiteindelijk afkomstig van de Noors-Duitse wetenschapper Rolf Widerøe. Deze machines gebruiken, net als synchrotrons, een ringvormige ringmagneet (zie hieronder) met een cyclisch toenemend B-veld, maar versnellen de deeltjes door inductie van het toenemende magnetische veld, alsof ze de secundaire wikkeling in een transformator zijn, vanwege de veranderende magnetische flux door de baan.
Om een constante orbitale straal te bereiken terwijl het juiste versnellende elektrische veld wordt geleverd, moet de magnetische flux die de baan verbindt enigszins onafhankelijk zijn van het magnetische veld op de baan, waardoor de deeltjes in een constante buigen radius curve. Deze machines zijn in de praktijk beperkt door de grote stralingsverliezen die worden geleden door de elektronen die met bijna de lichtsnelheid bewegen in een relatief kleine straalbaan.
Lineaire versnellersEdit
Moderne supergeleidende radiofrequentie, meercellige lineaire versnellercomponent.
In een lineaire deeltjesversneller (linac) worden deeltjes in een rechte lijn versneld met aan één uiteinde een doelwit van belang. Ze worden vaak gebruikt om deeltjes een eerste energiezuinige kick te geven voordat ze in cirkelvormige versnellers worden geïnjecteerd. De langste linac ter wereld is de Stanford Linear Accelerator, SLAC, die 3 km (1,9 mijl) lang is. SLAC is een elektronen-positron-collider.
Lineaire hoogenergetische versnellers gebruiken een lineaire reeks platen (of driftbuizen) waarop een wisselend hoogenergetisch veld wordt toegepast. Wanneer de deeltjes een plaat naderen, worden ze er naartoe versneld door een lading met tegengestelde polariteit die op de plaat wordt aangebracht. Terwijl ze door een gat in de plaat gaan, wordt de polariteit omgeschakeld zodat de plaat ze nu afstoot en ze nu erdoor worden versneld naar de volgende plaat. Normaal gesproken wordt een stroom van “bundels” deeltjes versneld, dus wordt een zorgvuldig gecontroleerde wisselspanning op elke plaat toegepast om dit proces continu voor elke bundel te herhalen.
Naarmate de deeltjes de lichtsnelheid naderen, verandert de schakelsnelheid van de elektrische velden wordt zo hoog dat ze op radiofrequenties werken, en daarom worden microgolfholtes gebruikt in machines met hogere energie in plaats van eenvoudige platen.
Lineaire versnellers worden ook veel gebruikt in de geneeskunde, voor radiotherapie en radiochirurgie. Linacs van medische kwaliteit versnellen elektronen met behulp van een klystron en een complexe buigende magneetopstelling die een straal van 6-30 MeV-energie produceert. De elektronen kunnen direct worden gebruikt of ze kunnen in botsing komen met een doel om een bundel röntgenstralen te produceren. De betrouwbaarheid, flexibiliteit en nauwkeurigheid van de geproduceerde stralingsbundel hebben het oudere gebruik van kobalt-60-therapie als behandelingsinstrument grotendeels verdrongen.
Circulaire of cyclische RF-versnellers Bewerken
In de circulaire versneller , deeltjes bewegen in een cirkel totdat ze voldoende energie bereiken.Het deeltjesspoor wordt meestal met behulp van elektromagneten in een cirkel gebogen. Het voordeel van cirkelvormige versnellers ten opzichte van lineaire versnellers (linacs) is dat de ringtopologie een continue versnelling mogelijk maakt, aangezien het deeltje voor onbepaalde tijd kan passeren. Een ander voordeel is dat een circulaire versneller kleiner is dan een lineaire versneller met vergelijkbaar vermogen (een linac zou dus extreem lang moeten zijn om het equivalent vermogen van een circulaire versneller te hebben).
Afhankelijk van de energie en de wanneer deeltjes worden versneld, hebben cirkelvormige versnellers het nadeel dat de deeltjes synchrotronstraling uitzenden. Wanneer een geladen deeltje wordt versneld, zendt het elektromagnetische straling en secundaire emissies uit. Omdat een deeltje dat in een cirkel reist, altijd versnelt naar het midden van de cirkel, straalt het continu uit naar de tangens van de cirkel. Deze straling wordt synchrotronlicht genoemd en is sterk afhankelijk van de massa van het versnellende deeltje. Om deze reden zijn veel elektronenversnellers met hoge energie linacs. Bepaalde versnellers (synchrotrons) zijn echter speciaal gebouwd om synchrotronlicht (röntgenstralen) te produceren.
Aangezien de speciale relativiteitstheorie vereist dat materie altijd langzamer reist dan de snelheid van het licht in een vacuüm, in hoge energieversnellers, naarmate de energie toeneemt, nadert de deeltjessnelheid de snelheid van het licht als een limiet, maar bereikt deze nooit. Daarom denken deeltjesfysici over het algemeen niet in termen van snelheid, maar eerder in termen van de energie of het momentum van een deeltje, meestal gemeten in elektronvolt (eV). Een belangrijk principe voor cirkelvormige versnellers, en deeltjesbundels in het algemeen, is dat de kromming van het deeltjestraject is evenredig met de deeltjeslading en met het magnetische veld, maar omgekeerd evenredig met het (typisch relativistische) momentum.
CyclotronsEdit
Lawrences 60 inch cyclotron, met magneetpalen van 60 inch (5 voet, 1,5 meter) in diameter, aan het Lawrence Radiation Laboratory van de University of California, Berkeley, in Augustus 1939, destijds de krachtigste versneller ter wereld. Glenn T. Seaborg en Edwin McMillan (rechts) gebruikten het om plutonium, neptunium en vele andere transurane elementen en isotopen te ontdekken, waarvoor ze de Nobelprijs voor scheikunde in 1951 ontvingen.
De vroegste operationele circulaire versnellers waren cyclotrons, uitgevonden in 1929 door Ernest Lawrence van de University of California, Berkeley. Cyclotrons hebben een enkel paar holle “D” -vormige platen om de deeltjes te versnellen en een enkele grote dipoolmagneet om hun pad in een cirkelvormige baan te buigen. Het is een karakteristieke eigenschap van geladen deeltjes in een uniform en constant magnetisch veld B dat ze met een constante periode in een baan om de aarde draaien, met een frequentie die de cyclotronfrequentie wordt genoemd, zolang hun snelheid klein is in vergelijking met de lichtsnelheid c. Dit betekent dat de versnellende Ds van een cyclotron met een constante frequentie kunnen worden aangedreven door een radiofrequentie (RF) versnellende krachtbron, aangezien de straal continu naar buiten spiraalt. De deeltjes worden in het midden van de magneet geïnjecteerd en worden afgezogen op de buitenrand op hun maximale energie.
Cyclotrons bereiken een energielimiet vanwege relativistische effecten waarbij de deeltjes effectief massiever worden, zodat hun cyclotronfrequentie niet synchroon loopt met de versnellende RF. Daarom kunnen eenvoudige cyclotrons kan protonen alleen versnellen tot een energie van ongeveer 15 miljoen elektronenvolt (15 MeV, wat overeenkomt met een snelheid van ongeveer 10% van c), omdat de protonen uit fase raken met het aandrijvende elektrische veld. Als er verder wordt versneld, gaat de straal door naar buiten spiraalvormig naar een grotere straal, maar de deeltjes zouden niet langer genoeg snelheid krijgen om de grotere cirkel te voltooien in stap met de versnellende RF. Om relativistische effecten op te vangen heeft het magnetische veld nodig worden verhoogd tot hogere stralen zoals wordt gedaan in isochrone cyclotrons. Een voorbeeld van een isochroon cyclotron is de PSI Ring-cyclotron in Zwitserland, die protonen levert met een energie van 590 MeV, wat overeenkomt met ongeveer 80% van de lichtsnelheid. Het voordeel van zon cyclotron is de maximaal haalbare onttrokken protonenstroom die momenteel 2,2 mA bedraagt. De energie en stroom komen overeen met 1,3 MW bundelvermogen, het hoogste van alle versnellers die momenteel bestaan.
Synchrocyclotrons en isochrone cyclotrons Bewerken
Een magneet in de synchrocyclotron in het Orsay protontherapiecentrum
Een klassieke cyclotron kan worden aangepast om zijn energielimiet te verhogen. De historisch eerste benadering was de synchrocyclotron, die de deeltjes in bundels versnelt.Het maakt gebruik van een constant magnetisch veld B {\ displaystyle B}, maar vermindert de frequentie van het versnellingsveld om de deeltjes in de pas te houden terwijl ze naar buiten spiralen, passend bij hun massa-afhankelijke cyclotronresonantiefrequentie. Deze benadering lijdt aan een lage gemiddelde bundel intensiteit vanwege de opeenhoping, en opnieuw vanwege de behoefte aan een enorme magneet met een grote straal en een constant veld over de grotere baan die wordt vereist door hoge energie.
De tweede benadering van het probleem van versnellende relativistische deeltjes is de isochrone cyclotron In een dergelijke structuur wordt de frequentie van het versnellende veld (en de resonantiefrequentie van de cyclotron) constant gehouden voor alle energieën door de magneetpolen zo te vormen dat het magnetische veld met de straal toeneemt. Alle deeltjes worden dus versneld in isochrone tijdsintervallen. Deeltjes met hogere energie leggen in elke baan een kortere afstand af dan in een klassieke cyclotron, en blijven dus in fase met het versnellende veld. Het voordeel van de isochrone cyclotron is dat het continue bundels met een hogere gemiddelde intensiteit kan leveren, wat handig is voor sommige toepassingen. De belangrijkste nadelen zijn de grootte en de kosten van de benodigde grote magneet, en de moeilijkheid om de hoge magnetische veldwaarden te bereiken die vereist zijn aan de buitenrand van de constructie.
Synchrocyclotrons zijn niet meer gebouwd sinds de isochrone cyclotron ontwikkeld.
SynchrotronsEdit
Luchtfoto van de Tevatron bij Fermilab, die lijkt op een acht. De belangrijkste versneller is de ring erboven; de onderstaande (ongeveer de helft van de diameter, ondanks het uiterlijk) is voor voorlopige versnelling, bundelkoeling en opslag, enz.
Om nog hogere energieën te bereiken, met naderende relativistische massa of als de restmassa van de deeltjes wordt overschreden (voor protonen, miljarden elektronvolt of GeV), is het noodzakelijk om een synchrotron te gebruiken. Dit is een versneller waarin de deeltjes worden versneld in een ring met een constante straal. Een direct voordeel ten opzichte van cyclotrons is dat het magnetische veld alleen aanwezig hoeft te zijn over het werkelijke gebied van de deeltjesbanen, dat veel smaller is dan dat van de ring. (De grootste cyclotron die in de VS werd gebouwd, had een magneetpool met een diameter van 4,7 m (184 inch), terwijl de diameter van synchrotrons zoals de LEP en LHC bijna 10 km is. De opening van de twee stralen van de LHC is van de grootte van een centimeter.) De LHC bevat 16 RF-holtes, 1232 supergeleidende dipoolmagneten voor straalsturing en 24 quadrupolen voor straalfocussering. Zelfs bij deze grootte wordt de LHC beperkt door zijn vermogen om de deeltjes te sturen zonder dat ze op drift raken. Deze limiet wordt verondersteld plaats te vinden bij 14TeV.
Echter, aangezien het deeltjesmomentum toeneemt tijdens versnelling, is het noodzakelijk om het magnetische veld B evenredig op te voeren om een constante kromming van de baan te behouden. Dientengevolge kunnen synchrotrons deeltjes niet continu versnellen, zoals cyclotrons dat wel kunnen, maar cyclisch moeten werken, waarbij ze deeltjes in bundels aanleveren, die worden afgeleverd aan een doelwit of een externe straal in straal “lozingen”, typisch om de paar seconden.
Aangezien synchrotrons met hoge energie het grootste deel van hun werk doen op deeltjes die al bijna met de lichtsnelheid c reizen, is de tijd die nodig is om een baan van de ring te voltooien vrijwel constant, evenals de frequentie van de RF-holteresonatoren die worden gebruikt om de versnelling aan te drijven. .
In moderne synchrotrons is de straalopening klein en bedekt het magnetische veld niet het hele gebied van de deeltjesbaan zoals bij een cyclotron, dus verschillende noodzakelijke functies kunnen worden gescheiden. In plaats van één enorme magneet heeft men een rij van honderden buigmagneten die vacuümverbindingsbuizen omsluiten (of omsloten). Het ontwerp van synchrotrons werd begin jaren vijftig gerevolutioneerd met de ontdekking van het sterke focusconcept. De focussering van de bundel wordt onafhankelijk afgehandeld door gespecialiseerde quadrupoolmagneten, terwijl de versnelling zelf wordt bewerkstelligd in afzonderlijke HF-secties, vergelijkbaar met korte lineaire versnellers. Ook is het niet nodig dat cyclische machines cirkelvormig zijn, maar de bundelpijp kan rechte secties hebben tussen magneten waar balken kunnen botsen, worden gekoeld, enz. Dit heeft zich ontwikkeld tot een heel apart onderwerp, genaamd bundelfysica of bundel optica “.
Complexere moderne synchrotrons zoals de Tevatron, LEP en LHC kunnen de deeltjesbundels afleveren in opslagringen van magneten met een constant magnetisch veld, waar ze gedurende lange perioden in een baan rond kunnen blijven om te experimenteren of verdere versnelling.De machines met de hoogste energie, zoals de Tevatron en LHC zijn eigenlijk versnellercomplexen, met een cascade van gespecialiseerde elementen in serie, waaronder lineaire versnellers voor initiële bundelcreatie, een of meer energiezuinige synchrotrons om tussenliggende energie te bereiken, opslagringen waar bundels kunnen worden geaccumuleerd of gekoeld (waardoor de vereiste magneetopening wordt verkleind en een strakkere scherpstelling mogelijk is; zie straalkoeling), en een laatste grote ring voor de laatste versnelling en experimenten.
Segment van een elektronensynchrotron bij DESY
Elektronensynchrotrons Bewerken
Circulaire elektronenversnellers vielen enigszins uit de gratie voor de deeltjesfysica rond de tijd dat de lineaire deeltjesversneller van SLAC werd gebouwd, omdat hun synchrotronverliezen als economisch onbetaalbaar werden beschouwd en omdat hun bundelintensiteit lager was dan bij de ongepulste lineaire machines . De maïs ell Electron Synchrotron, gebouwd tegen lage kosten eind jaren 70, was de eerste in een reeks hoogenergetische circulaire elektronenversnellers gebouwd voor fundamentele deeltjesfysica, de laatste was LEP, gebouwd op CERN, dat werd gebruikt van 1989 tot 2000.
In de afgelopen twee decennia is een groot aantal elektronensynchrotrons gebouwd als onderdeel van synchrotronlichtbronnen die ultraviolet licht en röntgenstraling uitzenden; zie hieronder.
Opslagringen Bewerken
Voor sommige toepassingen is het handig om bundels van hoogenergetische deeltjes enige tijd (met moderne hoogvacuümtechnologie, tot vele uren) zonder verdere versnelling. Dit geldt in het bijzonder voor botsende bundelversnellers, waarbij twee bundels die in tegengestelde richting bewegen met elkaar in botsing worden gebracht, met een grote winst in effectieve botsingsenergie. Omdat er relatief weinig botsingen plaatsvinden bij elke passage door het snijpunt van de twee bundels, is het gebruikelijk om de bundels eerst te versnellen tot de gewenste energie en ze vervolgens op te slaan in opslagringen, die in wezen synchrotronringen van magneten zijn, zonder significante RF vermogen voor versnelling.
Synchrotron-stralingsbronnen Bewerken
Sommige cirkelvormige versnellers zijn gebouwd om opzettelijk straling te genereren (synchrotronlicht genoemd) als Röntgenstralen, ook wel synchrotronstraling genoemd, bijvoorbeeld de Diamond Light Source die is gebouwd in het Rutherford Appleton Laboratory in Engeland of de Advanced Photon Source in het Argonne National Laboratory in Illinois, VS. Hoogenergetische röntgenstralen zijn bijvoorbeeld nuttig voor röntgenspectroscopie van eiwitten of röntgenabsorptie fijne structuur (XAFS).
Synchrotronstraling wordt krachtiger uitgezonden door lichtere deeltjes, dus deze versnellers zijn steevast elektronenversnellers. Synchrotronstraling zorgt voor een betere beeldvorming zoals onderzocht en ontwikkeld bij SPEAR van SLAC.
Fixed-field alternerende gradiëntversnellers Bewerken
Fixed-Field Alternating Gradient accelerators (FFA) s, waarin een magnetisch veld dat in de tijd is gefixeerd, maar met een radiale variatie om een sterke focussering te bereiken, het mogelijk maakt om de bundel te versnellen met een hoge herhalingssnelheid, maar in een veel kleinere radiale spreiding dan in het geval van cyclotron. Isochrone FFAs bereiken, net als isochrone cyclotrons, een continue bundelwerking, maar zonder de noodzaak van een enorme dipoolbuigmagneet die de volledige straal van de banen bestrijkt. Enkele nieuwe ontwikkelingen in FFAs komen aan bod.
HistoryEdit
De eerste cyclotron van Ernest Lawrence had een diameter van slechts 4 inch (100 mm). Later, in 1939, bouwde hij een machine met een paalvlak van 60 inch diameter, en plande een machine met een diameter van 184 inch in 1942, die echter werd overgenomen voor WO II-gerelateerd werk in verband met de scheiding van uraniumisotopen; na de oorlog bleef het gedurende vele jaren in dienst voor onderzoek en geneeskunde.
De eerste grote protonsynchrotron was de Cosmotron van het Brookhaven National Laboratory, die protonen versnelde tot ongeveer 3 GeV (1953-1968). De Bevatron in Berkeley, voltooid in 1954, was specifiek ontworpen om protonen te versnellen tot voldoende energie om antiprotonen te creëren, en om de deeltjes-antideeltjes symmetrie van de natuur te verifiëren, toen alleen getheoretiseerd. De Alternating Gradient Synchrotron (AGS) in Brookhaven (1960-) was de eerste grote synchrotron met alternerende gradiënt, “sterk focusserende” magneten, die de vereiste opening van de bundel aanzienlijk verminderden, en dienovereenkomstig de grootte en kosten van de buigende magneten. De Proton Synchrotron, gebouwd bij CERN (1959–), was de eerste grote Europese deeltjesversneller en in het algemeen vergelijkbaar met de AGS.
De Stanford Linear Accelerator, SLAC, werd in 1966 operationeel en versnelde elektronen tot 30 GeV in een 3 km lange golfgeleider, begraven in een tunnel en aangedreven door honderden grote klystrons. Het is nog steeds de grootste lineaire versneller die er bestaat, en is geüpgraded met de toevoeging van opslagringen en een elektronen-positron-collider. Het is ook een röntgen- en UV-synchrotron-fotonbron.
De Fermilab Tevatron heeft een ring met een straalpad van 4 mijl (6,4 km). Het heeft verschillende upgrades gekregen en heeft gefunctioneerd als een proton-antiproton-botser totdat het werd stilgelegd vanwege bezuinigingen op 30 september 2011. De grootste circulaire versneller ooit gebouwd was de LEP-synchrotron op CERN met een omtrek van 26,6 kilometer. een elektron / positron-collider. Het behaalde een energie van 209 GeV voordat het in 2000 werd ontmanteld, zodat de tunnel kon worden gebruikt voor de Large Hadron Collider (LHC). De LHC is een protonenversneller en momenteel s werelds grootste versneller met de hoogste energie en bereikt 6,5 TeV-energie per straal (13 TeV in totaal).
De afgebroken Superconducting Super Collider (SSC) in Texas zou een omtrek van 87 km hebben gehad. De bouw werd gestart in 1991, maar werd stopgezet in 1993. Zeer grote cirkelvormige versnellers worden steevast gebouwd in tunnels van een paar meter breed om de verstoring en kosten van het bouwen van een dergelijke structuur aan de oppervlakte te minimaliseren, en om bescherming bieden tegen intense secundaire stralingen die optreden, die extreem doordringend zijn bij hoge energieën.