Datorită plafonului de înaltă tensiune impus de descărcarea electrică, pentru a accelera particulele la energii superioare, se folosesc tehnici care implică câmpuri dinamice, mai degrabă decât câmpuri statice. Accelerarea electrodinamică poate apărea din oricare dintre cele două mecanisme: inducție magnetică ne-rezonantă sau circuite rezonante sau cavități excitate de câmpuri RF oscilante. Acceleratoarele electrodinamice pot fi liniare, cu particule care accelerează în linie dreaptă sau circulare, folosind câmpuri magnetice pentru a îndoi particulele pe o orbită aproximativ circulară.
Acceleratori cu inducție magnetică Editați
Acceleratorii cu inducție magnetică accelerează particule prin inducție dintr-un câmp magnetic în creștere, ca și cum particulele ar fi înfășurarea secundară într-un transformator. Câmpul magnetic în creștere creează un câmp electric în circulație care poate fi configurat pentru a accelera particulele. Acceleratoarele de inducție pot fi fie liniare, fie circulare.
Acceleratoare de inducție liniareEdit
Acceleratorii de inducție liniară utilizează încărcare cu ferită, care nu este rezonantă cavități de inducție. Fiecare cavitate poate fi considerată a fi două discuri mari în formă de șaibă conectate printr-un tub cilindric exterior. Între discuri se află un toroid de ferită. Un impuls de tensiune aplicat între cele două discuri provoacă un câmp magnetic în creștere care cuplează inductiv puterea în fasciculul de particule încărcate.
Acceleratorul de inducție liniar a fost inventat de Christofilos în anii 1960. Acceleratoarele liniare de inducție sunt capabile să accelereze curenți de fascicul foarte mari (> 1000 A) într-un singur impuls scurt. Acestea au fost folosite pentru a genera raze X pentru radiografie flash (de exemplu, DARHT la LANL) și au fost considerate ca injectoare de particule pentru fuziunea de confinare magnetică și ca motoare pentru lasere electronice libere.
BetatronsEdit
Betatronul este un accelerator circular de inducție magnetică, inventat de Donald Kerst în 1940 pentru accelerarea electronilor. Conceptul provine în cele din urmă de la omul de știință norvegian-german Rolf Widerøe. Aceste mașini, cum ar fi sincrotronii, utilizează un magnet inelar în formă de gogoașă (vezi mai jos) cu un câmp B în creștere ciclic, dar accelerează particulele prin inducție din câmpul magnetic în creștere, ca și cum ar fi înfășurarea secundară într-un transformator, datorită schimbarea fluxului magnetic prin orbită.
Atingerea unei raze orbitale constante în timp ce furnizează câmpul electric accelerat corect necesită ca fluxul magnetic care leagă orbita să fie oarecum independent de câmpul magnetic de pe orbită, îndoind particulele într-o constantă curba razei. Aceste mașini au fost, în practică, limitate de pierderile radiative mari suferite de electronii care se mișcă cu aproape viteza luminii pe o orbită cu rază relativ mică.
Acceleratori lineariEdit
Frecvența radio superconductoare moderne, componentă a acceleratorului liniar multicelulară.
Într-un accelerator liniar de particule (linac), particulele sunt accelerate în linie dreaptă cu o țintă de interes la un capăt. Ele sunt adesea folosite pentru a oferi o lovitură inițială de energie scăzută particulelor înainte de a fi injectate în acceleratoare circulare. Cel mai lung linac din lume este Stanford Linear Accelerator, SLAC, care are o lungime de 3 km (1,9 mi). SLAC este un colizor electroni-pozitroni.
Acceleratoarele liniare de mare energie utilizează o serie liniară de plăci (sau tuburi de derivare) la care se aplică un câmp alternativ de mare energie. Pe măsură ce particulele se apropie de o placă, acestea sunt accelerate spre aceasta de o sarcină de polaritate opusă aplicată plăcii. Pe măsură ce trec printr-o gaură din placă, polaritatea este schimbată astfel încât placa să le respingă și acum să fie accelerate de aceasta către următoarea placă. În mod normal, un flux de „ciorchini” de particule este accelerat, astfel încât o tensiune alternativă controlată cu atenție este aplicată fiecărei plăci pentru a repeta continuu acest proces pentru fiecare grămadă.
Pe măsură ce particulele se apropie de viteza luminii, rata de comutare a câmpurilor electrice devine atât de mare încât funcționează la frecvențe radio și astfel cavitățile cu microunde sunt utilizate în mașini cu energie mai mare în loc de plăci simple.
Acceleratoarele liniare sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în medicină, pentru radioterapie și radiochirurgie. Linacurile de calitate medicală accelerează electronii folosind un clistron și un aranjament complex de magnet de îndoire care produce un fascicul de energie de 6-30 MeV. Electronii pot fi folosiți direct sau pot fi ciocniți cu o țintă pentru a produce un fascicul de raze X. Fiabilitatea, flexibilitatea și acuratețea fasciculului de radiații produse au înlocuit în mare măsură utilizarea mai veche a terapiei cu cobalt-60 ca instrument de tratament.
Acceleratoare circulare sau ciclice RFEdit
În acceleratorul circular , particulele se mișcă într-un cerc până când ajung la suficientă energie.Pista de particule este în mod obișnuit îndoită într-un cerc folosind electro-magneți. Avantajul acceleratoarelor circulare față de acceleratoarele liniare (linacs) este că topologia inelului permite accelerarea continuă, deoarece particula poate tranzita la nesfârșit. Un alt avantaj este că un accelerator circular este mai mic decât un accelerator liniar de putere comparabilă (adică un linac ar trebui să fie extrem de lung pentru a avea puterea echivalentă cu un accelerator circular).
În funcție de energie și de particulele fiind accelerate, acceleratoarele circulare suferă un dezavantaj prin faptul că particulele emit radiații sincrotrone. Atunci când orice particulă încărcată este accelerată, aceasta emite radiații electromagnetice și emisii secundare. Deoarece o particulă care călătorește într-un cerc accelerează întotdeauna spre centrul cercului, ea radiază continuu către tangenta cercului. Această radiație se numește lumină sincrotronă și depinde în mare măsură de masa particulelor care accelerează. Din acest motiv, mulți acceleratori de electroni de mare energie sunt linac. Anumiți acceleratori (sincrotroni) sunt construiți special pentru producerea luminii sincrotrone (raze X).
Deoarece teoria relativității speciale impune ca materia să călătorească întotdeauna mai lent decât viteza luminii în vid, în acceleratorii de energie, pe măsură ce energia crește, viteza particulelor se apropie de viteza luminii ca limită, dar nu o atinge niciodată. Prin urmare, fizicienii particulelor nu gândesc, în general, în termeni de viteză, ci mai degrabă în termeni de energie sau impuls a unei particule, măsurată de obicei în volți de electroni (eV). curbura traiectoriei particulelor este proporțională cu sarcina particulelor și cu câmpul magnetic, dar invers proporțională cu impulsul (tipic relativist).
CyclotronsEdit
Lawrence”, cu poli magnetici de 60 inci (5 picioare, 1,5 metri) în diametru, la Laboratorul de radiații Lawrence al Universității din California, Berkeley, în August 1939, cel mai puternic accelerator din lume la acea vreme. Glenn T. Seaborg și Edwin McMillan (dreapta) l-au folosit pentru a descoperi plutoniul, neptuniul și multe alte elemente și izotopi transuranici, pentru care au primit Premiul Nobel pentru chimie din 1951.
Primele acceleratoare circulare operaționale au fost ciclotroni, inventate în 1929 de Ernest Lawrence la Universitatea din California, Berkeley. Ciclotronii au o singură pereche de plăci goale în formă de „D” pentru a accelera particulele și un singur magnet dipol mare pentru a-și îndoi traseul pe o orbită circulară. Este o proprietate caracteristică a particulelor încărcate într-un câmp magnetic uniform și constant B pe care orbitează cu o perioadă constantă, la o frecvență numită frecvență ciclotronă, atâta timp cât viteza lor este mică în comparație cu viteza luminii c. Acest lucru înseamnă că D „accelerarea unui ciclotron poate fi acționată la o frecvență constantă de o sursă de energie de accelerare a frecvenței radio (RF), deoarece fasciculul spiralează continuu spre exterior. Particulele sunt injectate în centrul magnetului și sunt extrase la marginea exterioară la energia maximă.
Ciclotronii ating o limită de energie din cauza efectelor relativiste prin care particulele devin efectiv mai masive, astfel încât frecvența ciclotronului lor scade din sincronizare cu RF accelerată. Prin urmare, ciclotronii simpli poate accelera protoni doar la o energie de aproximativ 15 milioane de electroni volți (15 MeV, care corespunde unei viteze de aproximativ 10% din c), deoarece protonii ies din fază cu câmpul electric de acționare. Dacă ar fi accelerați mai departe, fasciculul ar continua pentru a spirala spre o rază mai mare, dar particulele nu ar mai câștiga suficientă viteză pentru a completa cercul mai mare în pas cu accelerarea RF. Pentru a acomoda efectele relativiste, câmpul magnetic are nevoie să fie mărită la raze mai mari așa cum se face în ciclotroni izocroni. Un exemplu de ciclotron izocron este ciclotronul PSI Ring din Elveția, care furnizează protoni la energia de 590 MeV care corespunde cu aproximativ 80% din viteza luminii. Avantajul unui astfel de ciclotron este curentul maxim de proton extras realizabil, care este în prezent de 2,2 mA. Energia și curentul corespund puterii fasciculului de 1,3 MW, care este cea mai mare dintre toate acceleratoarele existente în prezent. div>
Un magnet în sincrociclotron la centrul de terapie cu protoni Orsay
Un ciclotron clasic poate fi modificat pentru a-și crește limita de energie. Prima abordare istorică a fost sincrociclotronul, care accelerează particulele din ciorchini.Folosește un câmp magnetic constant B {\ displaystyle B}, dar reduce frecvența câmpului de accelerare astfel încât să păstreze particulele în pas în timp ce spiralează spre exterior, potrivindu-se cu frecvența lor de rezonanță ciclotronică dependentă de masă. Această abordare suferă de un fascicul mediu scăzut intensitate datorată adunării și, din nou, din necesitatea unui magnet imens cu rază mare și câmp constant pe orbita mai mare cerută de energia ridicată.
A doua abordare a problemei accelerării particulelor relativiste este izocrona într-o astfel de structură, frecvența câmpului de accelerare (și frecvența de rezonanță a ciclotronului) este menținută constantă pentru toate energiile prin modelarea polilor magnetici astfel încât să crească câmpul magnetic cu raza. Astfel, toate particulele se accelerează în intervale de timp izocrone. Particulele cu energie mai mare parcurg o distanță mai mică pe fiecare orbită decât ar fi într-un ciclotron clasic, rămânând astfel în fază cu câmpul accelerat. Avantajul ciclotronului izocron este că poate furniza fascicule continue de intensitate medie mai mare, ceea ce este util pentru unele aplicații. Principalele dezavantaje sunt dimensiunea și costul magnetului mare necesar și dificultatea de a atinge valorile ridicate ale câmpului magnetic necesare la marginea exterioară a structurii.
Sincrociclotroni nu au fost construiți de când ciclotronul izocron a fost dezvoltat.
SynchrotronsEdit
Fotografie aeriană a Tevatronului la Fermilab, care seamănă cu cifra opt. Acceleratorul principal este inelul de deasupra; cel de mai jos (aproximativ jumătate din diametru, în ciuda aparențelor) este pentru accelerare preliminară, răcire și stocare a fasciculului etc.
Pentru a atinge energii și mai mari, cu o masă relativistă care se apropie sau depășind masa de repaus a particulelor (pentru protoni, miliarde de electroni volți sau GeV), este necesar să se utilizeze un sincrotron. Acesta este un accelerator în care particulele sunt accelerate într-un inel cu rază constantă. Un avantaj imediat față de ciclotroni este că câmpul magnetic trebuie să fie prezent doar peste regiunea reală a orbitelor particulelor, care este mult mai îngustă decât cea a inelului. (Cel mai mare ciclotron construit în SUA avea un pol magnetic cu diametrul de 184 inci (4,7 m), în timp ce diametrul sincrotronilor precum LEP și LHC este de aproape 10 km. Diafragma celor două fascicule ale LHC este de LHC conține 16 cavități RF, 1232 magneți dipoli supraconductori pentru direcția fasciculului și 24 cvadrupoli pentru focalizarea fasciculului. Chiar și la această dimensiune, LHC este limitat de capacitatea sa de a dirija particulele fără ca acestea să se îndrepte. Această teorie este teoretică să apară la 14TeV.
Cu toate acestea, deoarece impulsul particulelor crește în timpul accelerației, este necesar să ridicați câmpul magnetic B proporțional pentru a menține curbura constantă a orbitei. În consecință, sincrotronii nu pot accelera particulele continuu, așa cum pot face ciclotronii, dar trebuie să funcționeze ciclic, furnizând particule în ciorchini, care sunt livrate către o țintă sau un fascicul extern în fasciculul „se varsă” de obicei la fiecare câteva secunde.
Deoarece sincrotronii cu energie ridicată își desfășoară cea mai mare parte a muncii pe particule care călătoresc deja cu aproape viteza luminii c, timpul pentru a finaliza o orbită a inelului este aproape constant, la fel ca și frecvența rezonatoarelor cavității RF utilizate pentru a accelera .
În sincrotronii moderni, deschiderea fasciculului este mică și câmpul magnetic nu acoperă întreaga zonă a orbitei particulelor, așa cum se întâmplă pentru un ciclotron, astfel încât mai multe funcții necesare pot fi separate. În loc de un magnet imens, unul are o linie de sute de magneți de îndoire, care înglobează (sau sunt închise de) țevi de conectare la vid. Designul sincrotronilor a fost revoluționat la începutul anilor 1950 cu descoperirea conceptului de focalizare puternică. Focalizarea fasciculului este gestionată independent de magneți specializați în quadrupol, în timp ce accelerația în sine este realizată în secțiuni RF separate, destul de asemănătoare cu acceleratoarele liniare scurte. De asemenea, nu este necesar ca mașinile ciclice să fie circulare, ci mai degrabă conducta fasciculului poate avea secțiuni drepte între magneți, unde fasciculele se pot ciocni, pot fi răcite etc. Aceasta s-a dezvoltat într-un întreg subiect separat, numit „fizica fasciculului” sau „fasciculul fasciculului”. optică „.
Sincrotroni moderni mai complecși precum Tevatron, LEP și LHC pot livra ciorchinii de particule în inele de stocare ale magneților cu câmp magnetic constant, unde pot continua să orbiteze perioade lungi de timp pentru experimentare sau accelerarea ulterioară.Mașinile cu cea mai mare energie, cum ar fi Tevatron și LHC, sunt de fapt complexe de acceleratoare, cu o cascadă de elemente specializate în serie, inclusiv acceleratoare liniare pentru crearea inițială a fasciculului, unul sau mai mulți sincrotroni cu energie redusă pentru a ajunge la energie intermediară, inele de stocare unde pot fi acumulat sau „răcit” (reducând deschiderea magnetică necesară și permițând o focalizare mai strânsă; vezi răcirea fasciculului) și un ultim inel mare pentru accelerarea finală și experimentare.
Segmentul unui sincrotron de electroni la DESY
Sincrotroni de electroni Editați
Acceleratoarele circulare de electroni au căzut într-o oarecare măsură în defavoarea fizicii particulelor în perioada în care a fost construit acceleratorul liniar de particule SLAC, deoarece pierderile lor de sincrotron erau considerate prohibitive din punct de vedere economic și deoarece intensitatea fasciculului lor era mai mică decât pentru mașinile liniare fără impulsuri . Porumbul Sincrotronul electronic de electroni, construit la un cost redus la sfârșitul anilor 1970, a fost primul dintr-o serie de acceleratoare de electroni circulari cu energie ridicată construite pentru fizica fundamentală a particulelor, ultimul fiind LEP, construit la CERN, care a fost utilizat din 1989 până în 2000.
Un număr mare de sincrotroni de electroni au fost construiți în ultimele două decenii, ca parte a surselor de lumină sincrotrone care emit lumină ultravioletă și raze X; vezi mai jos.
Inele de stocare Editați
Pentru unele aplicații, este util să stocați fascicule de particule cu energie ridicată pentru o perioadă de timp (cu tehnologie modernă cu vid ridicat, până la multe ore) fără accelerare suplimentară. Acest lucru este valabil mai ales pentru acceleratoarele de fascicule care se ciocnesc, în care două grinzi care se mișcă în direcții opuse sunt făcute să se ciocnească între ele, cu un câștig mare în energie efectivă de coliziune. Deoarece relativ puține coliziuni apar la fiecare trecere prin punctul de intersecție al celor două fascicule, este obișnuit să accelerați mai întâi fasciculele până la energia dorită și apoi să le stocați în inele de stocare, care sunt în esență inele sincrotrone ale magneților, fără RF semnificativă. putere pentru accelerație.
Sursele de radiație sincrotron Editați
Unele acceleratoare circulare au fost construite pentru a genera în mod deliberat radiații (numite lumină sincrotronă) ca Razele X numite și radiații sincrotrone, de exemplu Sursa de lumină diamantată care a fost construită la Laboratorul Rutherford Appleton din Anglia sau Sursa avansată de fotoni la Laboratorul Național Argonne din Illinois, SUA. Razele X cu energie ridicată sunt utile pentru spectroscopia cu raze X a proteinelor sau a structurii fine de absorbție a razelor X (XAFS), de exemplu.
Radiația sincrotronului este emisă mai puternic de particulele mai ușoare, astfel încât acești acceleratori sunt invariabil acceleratori de electroni. Radiația sincrotronă permite o imagine mai bună, așa cum a fost cercetată și dezvoltată la SLAC „s SPEAR.
Acceleratori de gradient alternativ cu câmp fix fix
Articolul principal: Accelerator cu gradient alternativ cu câmp fix
Acceleratoare cu gradient alternativ cu câmp fix (FFA) s, în care un câmp magnetic fixat în timp, dar cu o variație radială pentru a obține focalizarea puternică, permite accelerarea fasciculului cu o rată de repetare ridicată, dar într-un mediu mult mai mic răspândire radială decât în cazul ciclotronului. FFA-urile izocronice, ca și ciclotronii izocroni, realizează o funcționare continuă a fasciculului, dar fără a fi nevoie de un imens magnet de îndoire dipol care să acopere întreaga rază a orbitelor. Unele noi dezvoltări ale FFA-urilor sunt acoperite.
HistoryEdit
Primul ciclotron al lui Ernest Lawrence avea un diametru de doar 4 inci (100 mm). Mai târziu, în 1939, a construit o mașină cu fața polului cu diametrul de 60 inci și a planificat una cu un diametru de 184 inci în 1942, care a fost însă preluată pentru lucrările legate de al doilea război mondial legate de separarea izotopului de uraniu; după război, a continuat să funcționeze pentru cercetare și medicină de-a lungul mai multor ani.
Primul sincrotron mare de protoni a fost Cosmotronul de la Laboratorul Național Brookhaven, care a accelerat protoni la aproximativ 3 GeV (1953–1968). Bevatronul de la Berkeley, finalizat în 1954, a fost conceput special pentru a accelera protonii la suficientă energie pentru a crea antiprotoni și pentru a verifica simetria particule-antiparticule a naturii, apoi doar teoretizată. Sincrotronul cu gradient alternativ (AGS) de la Brookhaven (1960–) a fost primul sincrotron mare cu magneți cu gradient alternativ, „focalizare puternică”, care au redus foarte mult diafragma necesară a fasciculului și, în consecință, dimensiunea și costul magneților de îndoire. Sincrotronul de protoni, construit la CERN (1959–), a fost primul accelerator european de particule important și, în general, similar cu AGS.
Acceleratorul liniar Stanford, SLAC, a devenit operațional în 1966, accelerând electronii la 30 GeV într-un ghid de undă lung de 3 km, îngropat într-un tunel și alimentat de sute de klistroni mari. Este în continuare cel mai mare accelerator liniar existent și a fost modernizat cu adăugarea inelelor de stocare și a unei facilități de coliziune electron-pozitroni. Este, de asemenea, o sursă de fotoni cu raze X și sincrotron UV.
Fermilab Tevatron are un inel cu o traiectorie a fasciculului de 6,4 km (4 mile). A primit câteva actualizări și a funcționat ca un colizor proton-antiproton până când a fost oprit din cauza reducerilor bugetare la 30 septembrie 2011. Cel mai mare accelerator circular construit vreodată a fost sincronul LEP la CERN cu o circumferință de 26,6 kilometri, care a fost un colizor electron / pozitroni. Acesta a atins o energie de 209 GeV înainte de a fi demontat în 2000, astfel încât tunelul să poată fi folosit pentru Large Hadron Collider (LHC). LHC este un colizor de protoni și, în prezent, cel mai mare și cel mai mare accelerator de energie din lume, realizând 6,5 TeV de energie pe fascicul (13 TeV în total). ar fi avut o circumferință de 87 km. Construcția a fost începută în 1991, dar abandonată în 1993. Acceleratoare circulare foarte mari sunt construite invariabil în tuneluri de câțiva metri lățime pentru a minimiza perturbarea și costul construirii unei astfel de structuri la suprafață și pentru a asigură protecție împotriva radiațiilor secundare intense care apar, care sunt extrem de penetrante la energii mari.