Akcelerator cząstek

Ze względu na pułap wysokiego napięcia narzucony przez wyładowania elektryczne, w celu przyspieszenia cząstek do wyższych energii, stosuje się techniki wykorzystujące pola dynamiczne, a nie pola statyczne. Przyspieszenie elektrodynamiczne może wynikać z jednego z dwóch mechanizmów: nierezonansowej indukcji magnetycznej lub obwodów rezonansowych lub wnęk wzbudzanych przez oscylujące pola RF. Akceleratory elektrodynamiczne mogą być liniowe, z cząstkami przyspieszającymi w linii prostej lub kołowymi, wykorzystując pola magnetyczne do zginania cząstek na mniej więcej kołowej orbicie.

Akceleratory indukcji magnetycznejEdytuj

Akceleratory indukcji magnetycznej przyspieszają cząstki przez indukcję ze wzrastającego pola magnetycznego, tak jakby cząstki były uzwojeniem wtórnym w transformatorze. Rosnące pole magnetyczne wytwarza krążące pole elektryczne, które można skonfigurować tak, aby przyspieszać cząstki. Akceleratory indukcyjne mogą być liniowe lub kołowe.

Liniowe akceleratory indukcyjneEdit

Liniowe akceleratory indukcyjne wykorzystują obciążone ferrytem, nierezonansowe wnęki indukcyjne. Każda wnęka może być traktowana jako dwa duże dyski w kształcie podkładki połączone zewnętrzną cylindryczną rurą. Pomiędzy dyskami znajduje się ferrytowy toroid. Impuls napięcia przyłożony między dwoma dyskami powoduje wzrost pola magnetycznego, które indukcyjnie sprzęga moc z naładowaną wiązką cząstek.

Liniowy akcelerator indukcyjny został wynaleziony przez Christofilosa w latach 60. Liniowe akceleratory indukcyjne mogą przyspieszać bardzo duże prądy wiązki (> 1000 A) w jednym krótkim impulsie. Były używane do generowania promieni rentgenowskich do radiografii błyskowej (np. DARHT w LANL) i były uważane za wtryskiwacze cząstek do fuzji magnetycznej oraz jako sterowniki dla laserów na swobodnych elektronach.

BetatronsEdit

Betatron to okrągły akcelerator indukcji magnetycznej, wynaleziony przez Donalda Kersta w 1940 roku do przyspieszania elektronów. Ostatecznie koncepcja pochodzi od norwesko-niemieckiego naukowca Rolfa Widerøe. Maszyny te, podobnie jak synchrotrony, wykorzystują magnes pierścieniowy w kształcie pierścienia (patrz poniżej) z cyklicznie rosnącym polem B, ale przyspieszają cząstki poprzez indukcję ze wzrastającego pola magnetycznego, tak jakby były uzwojeniem wtórnym w transformatorze, ze względu na zmieniający się strumień magnetyczny przez orbitę.

Uzyskanie stałego promienia orbity przy zapewnieniu odpowiedniego przyspieszającego pola elektrycznego wymaga, aby strumień magnetyczny łączący orbitę był nieco niezależny od pola magnetycznego na orbicie, zginając cząstki w stałą krzywa promienia. Maszyny te były w praktyce ograniczone przez duże straty promieniowania, jakie ponoszą elektrony poruszające się z prędkością bliską prędkości światła na orbicie o stosunkowo małym promieniu.

Akceleratory linioweEdytuj

W liniowym akceleratorze cząstek (linak) cząstki są przyspieszane w linii prostej z celem będącym przedmiotem zainteresowania na jednym końcu. Często są używane do zapewnienia początkowego, niskoenergetycznego wyrzutu cząstkom, zanim zostaną wstrzyknięte do akceleratorów kołowych. Najdłuższym akceleratorem na świecie jest akcelerator liniowy Stanford, SLAC, który ma 3 km (1,9 mil) długości. SLAC to zderzacz elektron-pozytron.

Liniowe akceleratory o wysokiej energii wykorzystują liniowy układ płytek (lub rur dryfujących), do których przykładane jest przemienne pole o wysokiej energii. Gdy cząsteczki zbliżają się do płytki, są przyspieszane w jej kierunku przez ładunek o przeciwnej biegunowości przyłożony do płytki. Gdy przechodzą przez otwór w płycie, polaryzacja jest zmieniana tak, że płyta teraz je odpycha i są teraz przez nią przyspieszane w kierunku następnej płyty. Zwykle strumień „wiązek” cząstek jest przyspieszany, więc do każdej płytki przykładane jest starannie kontrolowane napięcie przemienne, aby w sposób ciągły powtarzać ten proces dla każdej wiązki.

Gdy cząstki zbliżają się do prędkości światła, szybkość przełączania pola elektrycznego stają się tak duże, że działają na częstotliwościach radiowych, dlatego w urządzeniach o wyższej energii używa się wnęk mikrofalowych zamiast prostych płytek.

Akceleratory liniowe są również szeroko stosowane w medycynie, do radioterapii i radiochirurgii. Linaki klasy medycznej przyspieszają elektrony za pomocą klistronu i złożonego układu magnesów zginających, które wytwarzają wiązkę o energii 6–30 MeV. Elektrony można wykorzystać bezpośrednio lub zderzyć się z celem, aby wytworzyć wiązkę promieniowania rentgenowskiego. Niezawodność, elastyczność i dokładność wytwarzanej wiązki promieniowania w dużej mierze wyparła starsze stosowanie terapii kobaltem-60 jako narzędzia terapeutycznego.

Okrągłe lub cykliczne akceleratory RFEdytuj

W akceleratorze kołowym cząsteczki poruszają się po okręgu, aż osiągną wystarczającą energię.Ścieżka cząstek jest zwykle wyginana w okrąg za pomocą elektromagnesów. Przewaga akceleratorów kołowych nad akceleratorami liniowymi (akceleratorami liniowymi) polega na tym, że topologia pierścienia umożliwia ciągłe przyspieszanie, ponieważ cząstka może przemieszczać się w nieskończoność. Kolejną zaletą jest to, że akcelerator kołowy jest mniejszy niż akcelerator liniowy o porównywalnej mocy (tj. Akcelerator liniowy musiałby być bardzo długi, aby mieć taką samą moc jak akcelerator kołowy).

W zależności od energii i przy przyspieszaniu cząstek, akceleratory kołowe mają tę wadę, że cząstki emitują promieniowanie synchrotronowe. Kiedy jakakolwiek naładowana cząstka jest przyspieszana, emituje promieniowanie elektromagnetyczne i emisje wtórne. Ponieważ cząstka poruszająca się po okręgu zawsze przyspiesza w kierunku środka koła, nieustannie promieniuje w kierunku stycznej koła. To promieniowanie nazywane jest światłem synchrotronowym i zależy w dużym stopniu od masy przyspieszającej cząstki. Z tego powodu wiele akceleratorów elektronów o wysokiej energii to akceleratory liniowe. Niektóre akceleratory (synchrotrony) są jednak zbudowane specjalnie do wytwarzania światła synchrotronowego (promieni rentgenowskich).

Ponieważ specjalna teoria względności wymaga, aby materia zawsze poruszała się wolniej niż prędkość światła w próżni, w wysokich akceleratory energii, ponieważ energia zwiększa prędkość cząstek, zbliża się do prędkości światła jako granicę, ale nigdy jej nie osiąga. Dlatego fizycy cząstek nie myślą ogólnie w kategoriach prędkości, ale raczej w kategoriach energii lub pędu cząstki, zwykle mierzonej w elektronowoltach (eV). Ważną zasadą dotyczącą akceleratorów kołowych i ogólnie wiązek cząstek jest to, że krzywizna trajektorii cząstek jest proporcjonalna do ładunku cząstek i pola magnetycznego, ale odwrotnie proporcjonalna do (zazwyczaj relatywistycznego) pędu.

CyclotronsEdit

Najwcześniejszymi działającymi akceleratorami kołowymi były cyklotrony, wynalezione w 1929 roku przez Ernesta Lawrencea na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Cyklotrony mają pojedynczą parę pustych w środku płyt w kształcie litery „D”, które przyspieszają cząstki, oraz pojedynczy duży magnes dipolowy, który zakrzywia ich drogę na orbitę kołową. Cechą charakterystyczną cząstek naładowanych w jednolitym i stałym polu magnetycznym B jest to, że krążą one w stałym okresie, z częstotliwością zwaną częstotliwością cyklotronu, o ile ich prędkość jest niewielka w porównaniu z prędkością światła c. Oznacza to, że przyspieszające D „cyklotronu mogą być napędzane ze stałą częstotliwością przez źródło energii przyspieszające o częstotliwości radiowej (RF), gdy wiązka wiruje w sposób ciągły na zewnątrz. Cząstki są wtryskiwane w środek magnesu i są usuwane przy zewnętrzna krawędź przy maksymalnej energii.

Cyklotrony osiągają limit energii z powodu efektów relatywistycznych, w wyniku których cząstki stają się efektywnie masywniejsze, tak że częstotliwość ich cyklotronów traci synchronizację z przyspieszającym RF. Dlatego proste cyklotrony może przyspieszyć protony tylko do energii około 15 milionów elektronowoltów (15 MeV, co odpowiada prędkości około 10% c), ponieważ protony wydostają się z fazy z napędzającym polem elektrycznym. W przypadku dalszego przyspieszania wiązka będzie kontynuowana do spirali na zewnątrz do większego promienia, ale cząstki nie będą już nabierać prędkości wystarczającej do zakończenia większego koła w kroku z przyspieszającym RF. Aby uwzględnić efekty relatywistyczne, pole magnetyczne potrzebuje należy zwiększyć do wyższych promieni, jak to ma miejsce w cyklotronach izochronicznych. Przykładem izochronicznego cyklotronu jest cyklotron PSI Ring w Szwajcarii, który dostarcza protony o energii 590 MeV, co odpowiada w przybliżeniu 80% prędkości światła. Zaletą takiego cyklotronu jest maksymalny osiągalny prąd wyekstrahowanego protonu, który obecnie wynosi 2,2 mA. Energia i prąd odpowiadają mocy wiązki o mocy 1,3 MW, która jest najwyższa ze wszystkich obecnie istniejących akceleratorów.

Synchrocyklotrony i izochroniczne cyklotronyEdit

Klasyczny cyklotron można zmodyfikować, aby zwiększyć jego limit energii. Historycznie pierwszym podejściem był synchrocyklotron, który przyspiesza cząstki w pęczki.Używa stałego pola magnetycznego B {\ Displaystyle B}, ale zmniejsza częstotliwość pola przyspieszającego tak, aby utrzymać cząstki w kroku, jak spiralnie na zewnątrz, dopasowując ich zależną od masy częstotliwość rezonansu cyklotronu. To podejście cierpi z powodu niskiej średniej wiązki intensywność ze względu na zbrylanie się i ponownie z potrzeby ogromnego magnesu o dużym promieniu i stałym polu na większej orbicie wymaganej przez dużą energię.

Drugim podejściem do problemu przyspieszania cząstek relatywistycznych jest izochroniczna cyklotron W takiej konstrukcji częstotliwość pola przyspieszającego (i częstotliwość rezonansowa cyklotronu) jest utrzymywana na stałym poziomie dla wszystkich energii poprzez takie ukształtowanie biegunów magnesu, aby zwiększyć pole magnetyczne o promieniu. W ten sposób wszystkie cząstki są przyspieszane w izochronicznych odstępach czasu. Cząstki o wyższej energii pokonują krótszą odległość na każdej orbicie niż w klasycznym cyklotronie, pozostając w ten sposób w fazie z przyspieszającym polem. Zaletą izochronicznego cyklotronu jest to, że może on dostarczać ciągłe wiązki o większej średniej intensywności, co jest przydatne w niektórych zastosowaniach. Głównymi wadami są rozmiar i koszt potrzebnego dużego magnesu oraz trudność w osiągnięciu wysokich wartości pola magnetycznego wymaganych na zewnętrznej krawędzi konstrukcji.

Synchrocyklotrony nie zostały zbudowane od czasu powstania izochronicznego cyklotronu. opracowany.

SynchrotronsEdit

Aby osiągnąć jeszcze wyższe energie, z relatywistyczną masą zbliżającą się lub przekraczając masę spoczynkową cząstek (dla protonów miliardy elektronowoltów lub GeV), konieczne jest zastosowanie synchrotronu. Jest to akcelerator, w którym cząstki są przyspieszane w pierścieniu o stałym promieniu. Bezpośrednią przewagą nad cyklotronami jest to, że pole magnetyczne musi występować tylko nad rzeczywistym obszarem orbit cząstek, który jest znacznie węższy niż obszar pierścienia. (Największy cyklotron zbudowany w USA miał biegun magnetyczny o średnicy 184 cali (4,7 m), podczas gdy średnica synchrotronów, takich jak LEP i LHC, wynosi prawie 10 km. Otwór dwóch wiązek LHC jest równy rzędu centymetra). LHC zawiera 16 wnęk RF, 1232 dipolowe magnesy nadprzewodzące do sterowania wiązką i 24 kwadrupole do ogniskowania wiązki. Nawet przy tej wielkości LHC jest ograniczony przez zdolność sterowania cząstkami bez ich dryfowania. Teoretycznie granica ta występuje przy 14TeV.

Jednak ponieważ pęd cząstki zwiększa się podczas przyspieszania, konieczne jest proporcjonalne zwiększenie pola magnetycznego B, aby utrzymać stałą krzywiznę orbity. W konsekwencji synchrotrony nie mogą przyspieszać cząstek w sposób ciągły, tak jak cyklotrony, ale muszą działać cyklicznie, dostarczając cząstki w pęczkach, które są dostarczane do celu lub wiązki zewnętrznej w „rozsypywanej” wiązce zwykle co kilka sekund.

Ponieważ synchrotrony wysokoenergetyczne wykonują większość swojej pracy na cząstkach, które już poruszają się z prędkością bliską prędkości światła c, czas potrzebny do ukończenia jednej orbity pierścienia jest prawie stały, podobnie jak częstotliwość rezonatorów wnękowych RF używanych do napędzania przyspieszenia .

We współczesnych synchrotronach apertura wiązki jest mała, a pole magnetyczne nie obejmuje całego obszaru orbity cząstki, jak ma to miejsce w przypadku cyklotronu, więc można rozdzielić kilka niezbędnych funkcji. Zamiast jednego ogromnego magnesu mamy linię setek zginanych magnesów, otaczających (lub zamykanych) próżniowymi rurami łączącymi. Konstrukcja synchrotronów została zrewolucjonizowana we wczesnych latach pięćdziesiątych XX wieku wraz z odkryciem koncepcji silnego ogniskowania. Ogniskowanie wiązki jest obsługiwane niezależnie przez wyspecjalizowane magnesy kwadrupolowe, podczas gdy samo przyspieszenie odbywa się w oddzielnych sekcjach RF, podobnie jak w krótkich akceleratorach liniowych. Nie ma również konieczności, aby maszyny cykliczne były okrągłe, ale raczej rura wiązki może mieć proste odcinki między magnesami, w których wiązki mogą się zderzać, być chłodzone itp. To rozwinęło się w odrębny temat, zwany „fizyką wiązki” lub „wiązką” optyka ”.

Bardziej złożone nowoczesne synchrotrony, takie jak Tevatron, LEP i LHC, mogą dostarczać wiązki cząstek do pierścieni magazynujących magnesów o stałym polu magnetycznym, gdzie mogą nadal krążyć na orbicie przez długie okresy w celu eksperymentowania lub dalsze przyspieszenie.Maszyny o najwyższej energii, takie jak Tevatron i LHC, są w rzeczywistości kompleksami akceleratorów, z kaskadą wyspecjalizowanych elementów połączonych szeregowo, w tym akceleratorami liniowymi do tworzenia wiązki początkowej, jednym lub większą liczbą synchrotronów niskoenergetycznych do osiągnięcia energii pośredniej, pierścieniami magazynującymi, w których mogą być wiązki skumulowane lub „schłodzone” (zmniejszenie wymaganej apertury magnesu i umożliwienie ściślejszego ogniskowania; patrz chłodzenie wiązki) oraz ostatni duży pierścień do końcowego przyspieszenia i eksperymentów.

Synchrotrony elektronoweEdit

Kołowe akceleratory elektronów wypadły nieco z łask fizyki cząstek elementarnych mniej więcej w czasie, gdy skonstruowano liniowy akcelerator cząstek SLAC, ponieważ ich straty synchrotronowe uznano za ekonomicznie zaporowe i ponieważ ich intensywność wiązki była niższa niż w przypadku maszyn liniowych bez impulsów . Kukurydza ell Electron Synchrotron, zbudowany tanim kosztem pod koniec lat 70. XX wieku, był pierwszym z serii wysokoenergetycznych kołowych akceleratorów elektronów zbudowanych na potrzeby fizyki cząstek elementarnych. Ostatnim był LEP, zbudowany w CERN, który był używany od 1989 do 2000 roku.

W ciągu ostatnich dwudziestu lat zbudowano dużą liczbę synchrotronów elektronowych jako część synchrotronowych źródeł światła, które emitują światło ultrafioletowe i promienie X; patrz poniżej.

Pierścienie magazynująceEdytuj

W przypadku niektórych zastosowań przydatne jest przechowywanie wiązek cząstek o wysokiej energii przez pewien czas (z nowoczesna technologia wysokiej próżni, do wielu godzin) bez dalszego przyspieszania. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku akceleratorów wiązek zderzających się, w których dwie wiązki poruszające się w przeciwnych kierunkach zderzają się ze sobą, z dużym zyskiem efektywnej energii zderzenia. Ponieważ przy każdym przejściu przez punkt przecięcia dwóch wiązek występuje stosunkowo niewiele zderzeń, zwykle najpierw przyspiesza się wiązki do pożądanej energii, a następnie przechowuje je w pierścieniach magazynujących, które są zasadniczo pierścieniami synchrotronowymi magnesów, bez znaczącej częstotliwości radiowej. moc przyspieszenia.

Źródła promieniowania synchrotronowegoEdit

Niektóre akceleratory kołowe zostały zbudowane w celu celowego generowania promieniowania (zwanego światłem synchrotronowym) jako Promienie rentgenowskie zwane również promieniowaniem synchrotronowym, na przykład Diamentowe Źródło Światła, które zostało zbudowane w Rutherford Appleton Laboratory w Anglii lub Zaawansowane Źródło Fotonów w Argonne National Laboratory w Illinois, USA. Wysokoenergetyczne promieniowanie rentgenowskie jest przydatne na przykład do spektroskopii rentgenowskiej białek lub cienkiej struktury absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAFS).

Promieniowanie synchrotronowe jest silniej emitowane przez lżejsze cząstki, więc te akceleratory są niezmiennie akceleratory elektronów. Promieniowanie synchrotronowe pozwala na lepsze obrazowanie, zgodnie z badaniami i rozwojem w SPEAR SLAC.

Akceleratory zmiennego gradientu w stałym poluEdit

Akceleratory zmiennego gradientu ze stałym polem (FFA), w których pole magnetyczne, które jest stałe w czasie, ale z odchyleniem promieniowym w celu uzyskania silnego ogniskowania, umożliwia przyspieszenie wiązki z dużą częstotliwością powtarzania, ale w znacznie mniejszym rozproszenie promieniowe niż w przypadku cyklotronu. Izochroniczne FFA, podobnie jak izochroniczne cyklotrony, osiągają ciągłą pracę wiązki, ale bez konieczności stosowania ogromnego magnesu zginającego dipol pokrywającego cały promień orbit. Niektóre nowe osiągnięcia w FFA są omówione w.

HistoryEdit

Pierwszy cyklotron Ernesta Lawrencea miał zaledwie 4 cale (100 mm) średnicy. Później, w 1939 r., Zbudował maszynę o czole bieguna o średnicy 60 cali, aw 1942 r. Zaplanował maszynę o średnicy 184 cali, którą jednak przejęto do prac związanych z II wojną światową związanych z separacją izotopów uranu; po wojnie przez wiele lat służył w badaniach i medycynie.

Pierwszym dużym synchrotronem protonowym był Cosmotron w Brookhaven National Laboratory, który przyspieszał protony do około 3 GeV (1953–1968). Bevatron w Berkeley, ukończony w 1954 roku, został specjalnie zaprojektowany, aby przyspieszyć protony do energii wystarczającej do wytworzenia antyprotonów i zweryfikować symetrię cząstka-antycząstka w naturze, a następnie tylko teoretyzować. Synchrotron z naprzemiennym gradientem (AGS) w Brookhaven (1960–) był pierwszym dużym synchrotronem z naprzemiennym gradientem, „silnie skupiającym” magnesem, który znacznie zmniejszył wymaganą aperturę wiązki i odpowiednio rozmiar i koszt magnesów zginających. Synchrotron protonowy, zbudowany w CERN (1959–), był pierwszym dużym europejskim akceleratorem cząstek i ogólnie podobnym do AGS.

Akcelerator liniowy Stanford, SLAC, zaczął działać w 1966 roku, przyspieszając elektrony do 30 GeV w falowodzie o długości 3 km, zakopanym w tunelu i zasilanym przez setki dużych klistronów. Jest to nadal największy istniejący akcelerator liniowy, który został ulepszony poprzez dodanie pierścieni akumulacyjnych i obiektu zderzacza elektron-pozytron. Jest również źródłem fotonów synchrotronowych promieniowania rentgenowskiego i UV.

Fermilab Tevatron ma pierścień o drodze wiązki 4 mil (6,4 km). Otrzymał kilka ulepszeń i działał jako zderzacz protonów z antyprotonami, dopóki nie został zamknięty z powodu cięć budżetowych 30 września 2011 r. Największym akceleratorem kołowym, jaki kiedykolwiek zbudowano, był synchrotron LEP o obwodzie 26,6 km zderzacz elektronów / pozytonów. Osiągnął energię 209 GeV, zanim został rozebrany w 2000 r., Aby tunel można było wykorzystać pod Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). LHC to zderzacz protonów, a obecnie największy na świecie akcelerator o najwyższej energii, osiągający energię 6,5 TeV na wiązkę (w sumie 13 TeV).

Przerwany nadprzewodnikowy super zderzacz (SSC) w Teksasie miałby obwód 87 km. Budowę rozpoczęto w 1991 r., ale porzucono w 1993 r. Bardzo duże okrągłe akceleratory są niezmiennie budowane w tunelach o szerokości kilku metrów, aby zminimalizować zakłócenia i koszty budowy takiej konstrukcji na powierzchni oraz zapewniają ochronę przed intensywnymi wtórnymi promieniami, które występują, które są niezwykle przenikliwe przy wysokich energiach.