Partikelaccelerator (Svenska)

På grund av högspänningstaket som införs av elektrisk urladdning används tekniker som involverar dynamiska fält snarare än statiska fält för att påskynda partiklar till högre energier. Elektrodynamisk acceleration kan uppstå från endera av två mekanismer: icke-resonant magnetisk induktion eller resonanskretsar eller håligheter upphetsade av oscillerande RF-fält. Elektrodynamiska acceleratorer kan vara linjära, med partiklar som accelererar i en rak linje eller cirkulära, med hjälp av magnetfält för att böja partiklar i en ungefär cirkulär omlopp. partiklar genom induktion från ett ökande magnetfält, som om partiklarna var sekundärlindningen i en transformator. Det ökande magnetfältet skapar ett cirkulerande elektriskt fält som kan konfigureras för att accelerera partiklarna. Induktionsacceleratorer kan vara antingen linjära eller cirkulära.

Linjära induktionsacceleratorer Redigera

Linjära induktionsacceleratorer använder ferritbelastad, icke-resonant induktionshåligheter. Varje hålighet kan betraktas som två stora brickformade skivor förbundna med ett yttre cylindriskt rör. Mellan skivorna finns en ferrittoroid. En spänningspuls applicerad mellan de två skivorna orsakar ett ökande magnetfält som induktivt kopplar in kraft i den laddade partikelstrålen.

Den linjära induktionsacceleratorn uppfanns av Christofilos på 1960-talet. Linjära induktionsacceleratorer har förmåga att accelerera mycket ljusstrålar (> 1000 A) i en enda kort puls. De har använts för att generera röntgenstrålar för blixtradiografi (t.ex. DARHT vid LANL) och har ansetts vara partikelinjektorer för magnetisk inneslutning och som drivkrafter för fria elektronlasrar.

BetatronsEdit

Betatron är en cirkulär magnetisk induktionsaccelerator, uppfunnen av Donald Kerst 1940 för att accelerera elektroner. Konceptet kommer till slut från den norsk-tyska forskaren Rolf Widerøe. Dessa maskiner, som synkrotroner, använder en munkformad ringmagnet (se nedan) med ett cykliskt ökande B-fält, men accelererar partiklarna genom induktion från det ökande magnetfältet, som om de var sekundärlindningen i en transformator, på grund av ändra magnetiskt flöde genom omloppet.

Att uppnå konstant omloppsradie samtidigt som det ger rätt accelererande elektriskt fält kräver att det magnetiska flödet som förbinder banan är något oberoende av magnetfältet i banan och böjer partiklarna till en konstant radiekurva. Dessa maskiner har i praktiken begränsats av de stora strålningsförlusterna som elektronerna rör sig med nästan ljusets hastighet i en relativt liten radiebana.

Linjära acceleratorer Redigera

I en linjär partikelaccelerator (linac) accelereras partiklar i en rak linje med ett mål av intresse i ena änden. De används ofta för att ge en första lågenergispark till partiklar innan de injiceras i cirkulära acceleratorer. Den längsta linacen i världen är Stanford Linear Accelerator, SLAC, som är 3 km (1.9 mi) lång. SLAC är en elektron-positron-kollider.

Linjära högenergiacceleratorer använder en linjär uppsättning plattor (eller drivrör) som ett alternerande högenergifält appliceras på. När partiklarna närmar sig en platta accelereras de mot den med en motsatt polaritetsladdning som appliceras på plattan. När de passerar genom ett hål i plattan byts polariteten så att plattan nu stöter bort dem och de accelereras nu av den mot nästa platta. Normalt accelereras en ström av ”partiklar” av partiklar, så en noggrant kontrollerad växelspänning appliceras på varje platta för att kontinuerligt upprepa denna process för varje grupp.

När partiklarna närmar sig ljusets hastighet växlar hastigheten av de elektriska fälten blir så höga att de fungerar vid radiofrekvenser, och så används mikrovågshåligheter i maskiner med högre energi istället för enkla plattor.

Linjära acceleratorer används också i stor utsträckning inom medicin för strålbehandling och strålkirurgi. Linacs av medicinsk kvalitet accelererar elektroner med hjälp av en klystron och ett komplext böjmagnetarrangemang som ger en stråle på 6-30 MeV-energi. Elektronerna kan användas direkt eller de kan kollideras med ett mål för att producera en stråle av röntgenstrålar. Tillförlitligheten, flexibiliteten och noggrannheten hos den producerade strålningsstrålen har till stor del ersatt den äldre användningen av kobolt-60-terapi som behandlingsverktyg.

Cirkulära eller cykliska RF-acceleratorerRedigera

I den cirkulära acceleratorn , rör sig partiklar i en cirkel tills de når tillräcklig energi.Partikelspåret böjs vanligtvis i en cirkel med hjälp av elektromagneter. Fördelen med cirkulära acceleratorer jämfört med linjära acceleratorer (linacs) är att ringtopologin möjliggör kontinuerlig acceleration, eftersom partikeln kan passera på obestämd tid. En annan fördel är att en cirkuläraccelerator är mindre än en linjäraccelerator med jämförbar effekt (dvs. en linac måste vara extremt lång för att ha motsvarande effekt av en cirkuläraccelerator).

Beroende på energin och då partiklar accelereras, har cirkulära acceleratorer en nackdel genom att partiklarna avger synkrotronstrålning. När någon laddad partikel accelererar avger den elektromagnetisk strålning och sekundära utsläpp. Eftersom en partikel som rör sig i en cirkel alltid accelererar mot centrum av cirkeln strålar den kontinuerligt mot cirkelns tangent. Denna strålning kallas synkrotronljus och beror mycket på massan av den accelererande partikeln. Av denna anledning är många högenergielektronacceleratorer linacer. Vissa acceleratorer (synkrotroner) är emellertid konstruerade speciellt för att producera synkrotronljus (röntgenstrålar).

Eftersom den speciella relativitetsteorin kräver att materien alltid rör sig långsammare än ljusets hastighet i vakuum, i hög energiacceleratorer, när energin ökar, närmar sig partikelhastigheten ljusets hastighet som en gräns, men når aldrig den. Därför tänker partikelfysiker i allmänhet inte i termer av hastighet utan snarare i termer av en partikels energi eller momentum, vanligtvis mätt i elektronvolt (eV). En viktig princip för cirkulära acceleratorer och partikelstrålar i allmänhet är att krökningen av partikelbanan är proportionell mot partikelladdningen och magnetfältet, men omvänt proportionell mot (typiskt relativistisk) momentum.

CyclotronsEdit

De tidigaste operativa cirkulära acceleratorerna var cyklotroner, uppfanns 1929 av Ernest Lawrence vid University of California, Berkeley. Cyklotroner har ett enda par ihåliga ”D” -formade plattor för att påskynda partiklarna och en enda stor dipolmagnet för att böja sin väg in i en cirkulär bana. Det är en karakteristisk egenskap hos laddade partiklar i ett enhetligt och konstant magnetfält B som de kretsar med en konstant period, vid en frekvens som kallas cyklotronfrekvensen, så länge deras hastighet är liten jämfört med ljusets hastighet c. Detta betyder att de accelererande D: erna hos en cyklotron kan drivas med en konstant frekvens av en radiofrekvent (RF) accelererande kraftkälla, då strålen spiralformigt löper utåt. Partiklarna injiceras i magnetens centrum och extraheras vid ytterkanten vid maximal energi.

Cyklotroner når en energigräns på grund av relativistiska effekter, varigenom partiklarna effektivt blir mer massiva, så att deras cyklotronfrekvens faller ur synk med den accelererande RF. Därför är enkla cyklotroner kan bara accelerera protoner till en energi på cirka 15 miljoner elektronvolt (15 MeV, vilket motsvarar en hastighet på ungefär 10% av c), eftersom protonerna går ur fas med det drivande elektriska fältet. Om det accelereras ytterligare skulle strålen fortsätta att spiral utåt till en större radie men partiklarna skulle inte längre få tillräckligt med hastighet för att slutföra den större cirkeln i takt med den accelererande RF. För att tillgodose relativistiska effekter behöver magnetfältet ökas till högre radier, vilket görs i isokrona cyklotroner. Ett exempel på en isokron cyklotron är PSI-ringcyklotronen i Schweiz, som ger protoner vid en energi av 590 MeV, vilket motsvarar ungefär 80% av ljusets hastighet. Fördelen med en sådan cyklotron är den maximalt erhållna extraherade protonströmmen som för närvarande är 2,2 mA. Energin och strömmen motsvarar 1,3 MW strålkraft som är den högsta av någon accelerator som för närvarande finns.

Synchrocyclotrons and isochronous cyclotronsEdit

En klassisk cyklotron kan modifieras för att öka sin energigräns. Det historiskt första tillvägagångssättet var synkrocyclotronen, som påskyndar partiklarna i buntar.Den använder ett konstant magnetfält B {\ displaystyle B}, men minskar frekvensen för det accelererande fältet för att hålla partiklarna i steg när de spiraliserar utåt och matchar deras massberoende cyklotronresonansfrekvens. Detta tillvägagångssätt lider av låg genomsnittlig stråle intensitet på grund av hopningen, och återigen från behovet av en enorm magnet med stor radie och konstant fält över den större banan som krävs av hög energi.

Den andra metoden för problemet med att accelerera relativistiska partiklar är den isokrona I en sådan struktur hålls det accelererande fältets frekvens (och cyklotronresonansfrekvensen) konstant för alla energier genom att forma magnetpolerna för att öka magnetfältet med radie. Således accelereras alla partiklar i isokrona tidsintervall. Högre energipartiklar färdas ett kortare avstånd i varje omlopp än vad de skulle göra i en klassisk cyklotron och förblir därmed i fas med det accelererande fältet. Fördelen med den isokrona cyklotronen är att den kan leverera kontinuerliga strålar med högre medelintensitet, vilket är användbart för vissa applikationer. De största nackdelarna är storleken och kostnaden för den stora magneten som behövs, och svårigheten att uppnå de höga magnetfältvärden som krävs vid strukturens ytterkant.

Synkrocyclotroner har inte byggts sedan den isokrona cyklotronen var utvecklad.

SynchrotronsEdit

För att nå ännu högre energier, med relativistisk massa som närmar sig eller överstiger partiklarnas vilmassa (för protoner, miljarder elektronvolt eller GeV) är det nödvändigt att använda en synkrotron. Detta är en accelerator där partiklarna accelereras i en ring med konstant radie. En omedelbar fördel jämfört med cyklotroner är att magnetfältet bara behöver finnas över partikelbanornas faktiska område, vilket är mycket smalare än för ringen. (Den största cyklotronen som byggdes i USA hade en magnetstolpe på 184 tum (4,7 m), medan synkrotronernas diameter som LEP och LHC är nästan 10 km. Bländaren för de två strålarna på LHC är av en centimeter.) LHC innehåller 16 RF-håligheter, 1232 supraledande dipolmagneter för strålstyrning och 24 fyrhål för strålfokusering. Även i denna storlek är LHC begränsad av dess förmåga att styra partiklarna utan att de försvinner. Denna gräns är teoretiskt att inträffa vid 14TeV.

Eftersom partikelmomentet ökar under acceleration är det emellertid nödvändigt att skruva upp magnetfältet B i proportion för att upprätthålla en konstant krökning av banan. Som en följd av detta kan synkrotroner inte accelerera partiklar kontinuerligt, eftersom cyklotroner kan, men måste fungera cykliskt, och leverera partiklar i buntar, som levereras till ett mål eller en extern stråle i strål ”spill” vanligtvis varannan sekund.

Eftersom synkrotroner med hög energi gör det mesta av sitt arbete med partiklar som redan färdas med nästan ljusets hastighet c, är tiden för att slutföra en krets i ringen nästan konstant, liksom frekvensen hos RF-kavitetsresonatorer som används för att driva accelerationen .

I moderna synkrotroner är strålöppningen liten och magnetfältet täcker inte hela partikelbanans område som för en cyklotron, så flera nödvändiga funktioner kan separeras. Istället för en enorm magnet har man en rad med hundratals böjmagneter, som omsluter (eller omsluts av) vakuumanslutningsrör. Utformningen av synkrotroner revolutionerades i början av 1950-talet med upptäckten av det starka fokuseringskonceptet. Fokuseringen av strålen hanteras oberoende av specialiserade kvadrupolmagneter, medan accelerationen i sig uppnås i separata RF-sektioner, snarare liknar korta linjära acceleratorer. Det är inte heller nödvändigt att cykliska maskiner är cirkulära, utan snarare kan strålröret ha raka sektioner mellan magneter där strålar kan kollidera, kylas etc. Detta har utvecklats till ett helt separat ämne, kallat ”strålfysik” eller ”stråle optik ”.

Mer komplexa moderna synkrotroner som Tevatron, LEP och LHC kan leverera partiklarna i lagringsringar av magneter med ett konstant magnetfält, där de kan fortsätta att kretsa under långa perioder för experiment. eller ytterligare acceleration.De högsta energimaskinerna som Tevatron och LHC är faktiskt acceleratorkomplex, med en kaskad av specialiserade element i serie, inklusive linjära acceleratorer för initial strålskapande, en eller flera synkrotroner med låg energi för att nå mellanliggande energi, lagringsringar där strålar kan vara ackumulerad eller ”kyld” (minskning av magnetbländaren som krävs och möjliggör stramare fokusering, se strålkylning) och en sista stora ring för slutlig acceleration och experiment.

Elektron-synkrotroner Redigera

Cirkulära elektronacceleratorer föll något ur favör för partikelfysik runt den tid då SLAC: s linjära partikelaccelerator konstruerades, eftersom deras synkrotronförluster ansågs ekonomiskt oöverkomliga och eftersom deras strålintensitet var lägre än för de icke-pulserade linjära maskinerna . Majsen ell Electron Synchrotron, byggd till låg kostnad i slutet av 1970-talet, var den första i en serie högenergiska cirkulära elektronacceleratorer byggda för grundläggande partikelfysik, den sista var LEP, byggd vid CERN, som användes från 1989 till 2000.

Ett stort antal elektron-synkrotroner har byggts under de senaste två decennierna, som en del av synkrotronljuskällor som avger ultraviolett ljus och röntgenstrålar; se nedan.

LagringsringarRedigera

För vissa applikationer är det användbart att lagra strålar av högenergipartiklar under en tid (med modern högvakuumteknik, upp till många timmar) utan ytterligare acceleration. Detta gäller speciellt för kolliderande balkacceleratorer, där två balkar som rör sig i motsatta riktningar görs för att kollidera med varandra, med en stor förstärkning av effektiv kollisionsenergi. Eftersom relativt få kollisioner inträffar vid varje passering genom skärningspunkten för de två strålarna, är det vanligt att först påskynda strålarna till önskad energi och sedan lagra dem i lagringsringar, som i huvudsak är synkrotronringar av magneter, utan någon signifikant RF kraft för acceleration.

Synchrotron strålningskällor Redigera

Vissa cirkulära acceleratorer har byggts för att avsiktligt generera strålning (kallas synchrotron light) som Röntgenstrålar kallas också synkrotronstrålning, till exempel Diamond Light Source som har byggts vid Rutherford Appleton Laboratory i England eller Advanced Photon Source vid Argonne National Laboratory i Illinois, USA. Röntgen med hög energi är till exempel användbar för röntgenspektroskopi av proteiner eller röntgenabsorptionsfin struktur (XAFS).

Synkrotronstrålning avges kraftigare av lättare partiklar, så dessa acceleratorer är alltid elektronacceleratorer. Synkrotronstrålning möjliggör bättre avbildning som forskat och utvecklat på SLAC SPEAR.

Fixed-field alternating Gradient AcceleratorsEdit

Fixerade fält alternerande gradientacceleratorer (FFA), där ett magnetfält som är fixerat i tid, men med en radiell variation för att uppnå stark fokusering, gör att strålen kan accelereras med en hög repetitionsfrekvens men i en mycket mindre radiell spridning än i cyklotronfallet. Isokrona FFA, som isokrona cyklotroner, uppnår kontinuerlig stråldrift, men utan behov av en enorm dipolböjmagnet som täcker hela banans radie. Några nya utvecklingar i FFA omfattas av.

HistoryEdit

Ernest Lawrence första cyklotron var bara 100 mm i diameter. Senare, 1939, byggde han en maskin med en 60-tums diameter yta och planerade en med en 184-tums diameter 1942, som emellertid togs över för andra världskrigets arbete i samband med uranisotopseparation; efter kriget fortsatte den att tjäna forskning och medicin under många år.

Den första stora protonsynkrotronen var Cosmotron vid Brookhaven National Laboratory, som accelererade protoner till cirka 3 GeV (1953–1968). Bevatronen i Berkeley, avslutad 1954, var speciellt utformad för att påskynda protoner till tillräcklig energi för att skapa antiprotoner och verifiera naturens partikel-antipartikelsymmetri, då bara teoretiserad. Alternating Gradient Synchrotron (AGS) vid Brookhaven (1960–) var den första stora synkrotronen med alternerande gradient, ”starkt fokuserande” magneter, vilket kraftigt minskade strålens bländare och motsvarande storleken och kostnaden för de böjande magneterna. Protonsynkrotronen, byggd vid CERN (1959–), var den första stora europeiska partikelaccelerator och liknade i allmänhet AGS.

Stanford Linear Accelerator, SLAC, togs i drift 1966 och accelererade elektroner till 30 GeV i en 3 km lång vågledare, begravd i en tunnel och drivs av hundratals stora klystroner. Det är fortfarande den största linjära acceleratorn som finns, och har uppgraderats med tillägg av lagringsringar och en elektron-positron kollideringsanläggning. Det är också en röntgen- och UV-synkrotronfotonkälla.

Fermilab Tevatron har en ring med en strålbana på 6 km (6,4 km). Den har fått flera uppgraderingar och har fungerat som en proton-antiproton-kollider tills den stängdes på grund av budgetnedskärningar den 30 september 2011. Den största cirkulära acceleratorn som någonsin byggts var LEP-synkrotronen vid CERN med en omkrets på 26,6 kilometer, vilket var en elektron / positron kolliderare. Den uppnådde en energi på 209 GeV innan den demonterades 2000 så att tunneln kunde användas för Large Hadron Collider (LHC). LHC är en protonkolliderare och för närvarande världens största och högsta energiaccelerator och uppnår 6,5 TeV-energi per stråle (totalt 13 TeV).

Den avbrutna Superledande Super Collider (SSC) i Texas skulle ha haft en omkrets på 87 km. Byggandet startade 1991 men övergavs 1993. Mycket stora cirkulära gaspedaler är alltid byggda i tunnlar några meter breda för att minimera störningar och kostnader för att bygga en sådan struktur på ytan och ge avskärmning mot intensiva sekundära strålningar som uppträder, som är extremt genomträngande vid höga energier.