Akseleratè lineyè nan patikil chaje. Ki jan akseleratè patikil chaje travay. Poukisa nou bezwen akseleratè nan patikil chaje?

Akseleratè a nan patikil chaje se yon aparèy ki te kreye yon gwo bout bwa nan elektrik chaje atomik oswa subatomic patikil, k ap deplase ak vitès tou pre-limyè. Baz la nan travay li nesesè ogmante yo enèji lè yo yon jaden elektrik ak chanje trajectoire la - mayetik.

Poukisa nou bezwen akseleratè patikil chaje?

Aparèy sa yo te jwenn aplikasyon laj nan divès domèn syans ak endistri. Pou dat, gen plis pase 30,000 nan yo atravè lemond. Pou fizik, akseleratè chaje-patikil yo sèvi kòm yon zouti pou etid fondamantal nan estrikti nan atòm, nati fòs nikleyè, ak pwopriyete yo nan nwayo ki pa rive nan lanati. Lèt la gen ladan transuranium ak lòt eleman enstab.

Avèk èd yon tib egzeyat, li te vin posib pou detèmine chaj la espesifik. Chaje accélérateurs patikil yo tou yo itilize pou pwodiksyon an nan radyoizotop, nan radyo endistriyèl, iradyasyon, pou esterilizasyon nan materyèl byolojik, ak nan analiz radyokarbon. Enstalasyon yo pi gwo yo te itilize nan syans nan entèraksyon fondamantal.

tout lavi a nan patikil yo chaje nan rès ki gen rapò ak pedal akseleratè a se pi piti pase sa yo ki an patikil akselere a vitès fèmen nan vitès la nan limyè. Sa a konfime relatif la nan entèval yo tan nan sr. Pou egzanp, nan CERN, te lavi a muon ogmante pa yon faktè de 29 nan yon pousantaj de 0.9994c.

Atik sa a kontra ak ki jan akseleratè a patikil chaje, devlopman li yo, divès kalite ak karakteristik diferan yo ranje ak opere.

Prensip akselerasyon

Kèlkeswa ki akseleratè nan patikil chaje yo konnen ou, yo tout gen eleman komen. Premyèman, yo tout dwe gen yon sous elektwon nan ka a nan yon tib foto televizyon oswa elektwon, pwoton ak antipartikul yo nan ka a nan pi gwo enstalasyon yo. Anplis de sa, yo tout dwe gen jaden elektrik akselere patikil ak jaden mayetik kontwole trajectoire yo. Anplis de sa, vakyòm nan nan pedal akseleratè a patikil chaje (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. Yon kantite minimòm de lè rezidyèl, oblije asire yon long travès tan lavi. Epi, finalman, tout enstalasyon yo ta dwe gen mwayen pou anrejistreman, konte ak mezire patikil akselere.

Jenerasyon

Elektwon ak pwoton, ki pi souvan yo itilize nan akseleratè, yo jwenn nan tout materyèl, men premye yo bezwen yo dwe izole nan men yo. Elektwon, tankou yon règ, yo pwodwi nan menm fason an tankou nan yon kinescope - nan yon aparèy ki rele yon "zam". Li se yon katod (neglode negatif) nan yon vakyòm, ki se chofe nan yon eta kote elektwon yo kòmanse kase lwen atòm yo. Patikil negatif chaje yo atire anod an (pozitif elektwòd) epi pase nan priz la. Zam nan tèt li se tou akseleratè a ki pi senp, depi elektwon yo deplase anba aksyon an nan jaden elektrik la. Vòltaj la ant katod la ak anod la, tankou yon règ, se nan 50-150 kV.

Anplis elektwon, tout materyèl gen ladan pwoton, men se sèlman yon sèl nwayo nan atòm idwojèn konpoze de pwoton sèl. Se poutèt sa, sous la nan patikil pou akseleratè pwoton se gaz idwojèn. Nan ka sa a, gaz la se iyonize ak pwoton yo sòti nan twou a. Nan akseleratè gwo, pwoton yo souvan ki te fòme nan fòm lan nan iyon idwojèn negatif. Yo se atòm ki gen yon elèktron adisyonèl, ki se pwodwi nan nanizasyon an nan yon gaz diatomik. Avèk iyon idwojèn negatif nan premye etap yo li pi fasil pou travay. Lè sa a, yo pase nan yon FOIL mens, ki prive yo nan elektwon anvan etap final la nan akselerasyon.

Overklokin

Ki jan akseleratè patikil chaje travay? Yon karakteristik kle nan nenpòt nan sa yo se jaden elektrik la. Egzanp ki pi senp la se yon inifòm estatik ant potansyèl potansyèl pozitif ak negatif, menm jan ak yon sèl ki egziste ant tèminal yo nan yon batri elektrik. Nan yon tèl yon jaden, yon eleman ki pote yon chaj negatif sijè a aksyon yon fòs ki dirije li nan yon potansyèl pozitif. Li akselere li, epi si pa gen anyen yo anpeche li, vitès li yo ak ogmantasyon enèji. Elektwon deplase nan direksyon yon potansyèl pozitif ansanm yon fil oswa menm nan lè kolizyon ak atòm ak pèdi enèji, men si yo nan yon vakyòm, yo akselere jan yo apwòch anod an.

Vòlè a ant pozisyon inisyal ak final nan elèktron la detèmine enèji li te genyen. Lè k ap deplase nan yon diferans potansyèl de 1 V, li se 1 electron-volt (eV). Sa a se ekivalan a 1,6 × 10 ^-19 Joule. Enèji a nan yon moustik vole se yon billions fwa pi gwo. Nan kineskope a, elektwon yo akselere pa yon vòltaj ki gen plis pase 10 kV. Akseleratè Anpil rive nan enèji pi wo, mezire pa mega, giga, ak teraelectron vòlt.

Varyete

Gen kèk nan kalite yo pi bonè nan accélérateurs patikil, tankou miltiplikatè a vòltaj ak dèlko Van de Graaff dèlko a, lè l sèvi avèk yon jaden konstan elektrik ki te pwodwi pa potentiels yo ki rive jiska yon milyon vòlt. Avèk tansyon sa yo segondè, li pa fasil pou travay. Yon altènativ pratik ki pi pratik se aksyon repete nan fèb elektrik ki kreye pa potansyèl ki ba. Prensip sa a yo itilize nan de kalite akseleratè modèn - lineyè ak siklik (sitou nan siklotron ak synchrotrons). Akseleratè lineyè nan patikil chaje, yon ti tan, sote yo yon fwa nan yon sekans nan akselere jaden, pandan ke yo nan siklik yo repete deplase ansanm yon trajectoire sikilè nan jaden relativman ti elektrik. Nan de ka yo, enèji final la nan patikil yo depann sou aksyon an total nan jaden yo, se konsa ke anpil ti "jerks" yo te ajoute ansanm bay efè a kimilatif nan yon sèl gwo.

Estrikti repete yon akseleratè lineyè pou kreyasyon an nan jaden elektrik natirèlman implique itilize nan vòltaj altène, pa vòltaj konstan. Posiblite chaje patikil yo akselere nan yon potansyèl negatif epi pou yo jwenn yon nouvo pouse si yo pase pa yon sèl la pozitif. Nan pratik, vòltaj la ta dwe chanje trè vit. Pou egzanp, nan yon enèji nan 1 MeV, pwoton an deplase nan vitès trè wo, ki fè moute 0.46 fwa vitès la nan limyè, pase 1.4 m nan 0.01 ms. Sa vle di ke nan yon estrikti repete nan plizyè mèt nan longè, jaden yo elektrik dwe chanje direksyon ak yon frekans nan omwen 100 Megaèrts. Akseleratè lineyè ak siklik nan patikil chaje, tankou yon règ, dispèse yo avèk èd nan altène jaden elektrik ak frekans nan 100 a 3000 Megaèrts, se konsa, sòti nan vag radyo mikwo-onn.

Elektwomayetik onn se yon konbinezon de altène elektrik ak jaden mayetik, osile pèpendikilè youn ak lòt. Pwen kle nan akseleratè a se akor vag la pou ke lè patikil la rive jaden elektrik la dirije nan akò ak vektè akselerasyon an. Sa a ka fè avèk èd nan yon vag kanpe - yon konbinezon de vag k ap deplase nan direksyon opoze nan yon espas fèmen, tankou vag son nan tib la ògàn. Yon opsyon altènatif pou elektwonyon trè rapid k ap deplase, ki gen vitès ap apwoche vitès la nan limyè, se yon vag vwayaje.

Autophasing

Yon efè enpòtan nan akselerasyon nan yon jaden elektrik altène se "autophasing". Nan yon sik osilasyon, jaden an altène pase soti nan zewo nan valè maksimòm lan ankò nan zewo, gout nan yon minimòm, ak leve a zewo. Se konsa, li pase de fwa nan valè ki nesesè pou akselerasyon. Si yon patikil ki gen vitès ogmante, rive twò bonè, Lè sa a, li pa pral gen yon jaden ki gen fòs ase, ak pouse a ap fèb. Lè li rive nan seksyon kap vini an, li pral an reta epi yo pral fè eksperyans yon enpak pi fò. Kòm yon rezilta, autophasing ap fèt, patikil yo pral nan faz ak jaden an nan chak rejyon akselere. Yon lòt efè yo pral gwoupman yo nan tan ak fòmasyon nan boul, olye ke yon koule kontinyèl.

Wout direksyon

Yon wòl enpòtan nan ki jan akseleratè a nan patikil chaje ranje ak opere se jwe pa jaden mayetik, depi yo ka chanje direksyon nan mouvman yo. Sa vle di ke yo ka itilize nan "pliye" travès yo ansanm yon chemen sikilè pou yo vwayaje plizyè fwa nan seksyon an menm akselerasyon. Nan ka a ki pi senp, yon fòs ki aji pèpandikilè a tou de vektè a deplasman ak jaden an aji sou yon patikil chaje k ap deplase nan ang dwat nan direksyon yon jaden inifòm mayetik. Sa a lakòz gwo bout bwa a pou avanse pou pi sou yon perpendicular chemen sikilè nan jaden an, jouk li kite zòn nan nan aksyon li yo, oswa yon lòt fòs kòmanse aji sou li. Sa a se efè yo itilize nan akseleratè siklik, tankou siklotron ak synchrotron. Nan yon siklotron, yon jaden konstan mayetik kreye yon konstan jaden mayetik. Partikul jan yo grandi enèji yo deplase espirèlman deyò, akselere ak chak vire. Nan sinchrotron a, grap yo deplase nan bag la ak yon reyon konstan, ak jaden an ki te kreye pa elektwomayetik yo ozalantou bag la ogmante kòm patikil yo akselere. Leman ki bay yon "pliye" se dipoles ak nò ak sid poto yo ki bese nan fòm lan nan yon Horseshoe nan yon fason ke gwo bout bwa a ka pase ant yo.

Dezyèm fonksyon enpòtan nan elektwomayetik se konsantrasyon an nan travès, pou yo ke yo tankou etwat ak entans ke posib. Fòm ki pi senp nan yon leman konsantre se avèk kat poto (de nò ak de sid) ki opoze youn ak lòt. Yo pouse patikil yo nan direksyon sant lan nan yon direksyon, men pèmèt yo difize nan yon direksyon pèpandikilè. Leman Quadrupole konsantre gwo bout bwa a orizontal, ki pèmèt li sòti nan konsantre nan vètikal. Pou sa yo dwe itilize nan pè. Pou pi konsantre egzak, leman ki pi konplèks ak yon gwo kantite poto (6 ak 8) yo tou itilize.

Kòm enèji a nan patikil yo ogmante, fòs nan jaden an mayetik ki gide yo ogmante. Sa a kenbe gwo bout bwa a sou chemen an menm. Se pakèt la prezante nan bag la ak akselere nan enèji ki nesesè yo anvan li retire ak itilize nan eksperyans yo. Se retrè a reyalize pa elektwomayetik, ki yo chanje sou ranvwaye patikil yo soti nan bag la synchrotron.

Kolizyon

Patikil akseleratè yo itilize nan medikaman ak endistri jeneralman pwodui yon gwo bout bwa pou yon bi an patikilye, pou egzanp, pou terapi radyasyon oswa ion implantation. Sa vle di ke patikil yo yo te itilize yon fwa. Pou anpil ane, menm bagay la tou te vre pou akseleratè yo itilize nan rechèch de baz yo. Men, nan lane 1970 yo, bag yo te devlope nan ki de travès sikile nan direksyon opoze ak kolizyon sou tout kontou an. Avantaj nan prensipal nan enstalasyon sa yo se ke, nan yon tèt-sou kolizyon, enèji nan matyè yo pase dirèkteman nan enèji a nan entèraksyon ant yo. Sa a diferansye ak sa k ap pase lè yon gwo bout bwa fè kolizyon ak yon materyèl nan rès: nan ka sa a, pi fò nan enèji a ale nan pote materyèl la sib an mouvman, an akò ak prensip la nan konsèvasyon nan momantòm.

Gen kèk machin ki gen kolizyon travès ki konstwi ak de bag ki kwaze nan de oswa plis kote nan patikil nan menm kalite a sikile nan direksyon opoze. Colliders ak patikil ak antipartikil yo pi komen. Antipartikul la gen chaj opoze a nan patikil la mare li. Pou egzanp, positron a pozitivman chaje, ak elèktron a se negatif. Sa vle di ke jaden an ki akselere elèktron la ralanti posidron la k ap deplase nan menm direksyon an. Men, si lèt la deplase nan direksyon opoze a, li pral akselere. Menm jan tou, yon elèktron k ap deplase nan yon jaden mayetik ap bese sou bò gòch la, ak pozronron la sou bò dwat la. Men, si positron a deplase al kontre, chemen li yo ap kontinye patikilye a dwat, men sou menm koub la kòm elèktron la. Ansanm, sa vle di ke patikil sa yo ka deplase ansanm bag la sinchrotron akòz leman yo menm yo epi yo dwe akselere pa menm jaden yo elektrik nan direksyon opoze. Pa prensip sa a, anpil kolektè pwisan yo kreye sou fè fas a travès, depi se sèlman yon sèl akseleratè bag ki nesesè.

Beam nan nan synchrotron a pa deplase kontinyèlman, men se konbine nan "boul". Yo ka plizyè santimèt nan longè ak yon dizyèm nan yon milimèt nan dyamèt, ak genyen sou ¹² patikil ^{mwa oktòb} la. Sa a dansite ki ba, paske gwosè a nan materyèl sa yo gen sou ^{23 October} atòm. Se poutèt sa, lè travès yo entèsekte ak kolizyon travès, gen sèlman yon ti pwobabilite ki patikil yo pral kominike youn ak lòt. Nan pratik, boul yo kontinye deplase ansanm bag la epi rankontre ankò. Segondè vakyòm nan pedal akseleratè a patikil ki gen chaj (10 ^-11 mm Hg. V.) Èske mande yo nan lòd ke patikil yo ka sikile pou anpil èdtan san yo pa kolizyon ak molekil lè. Se poutèt sa, bag yo yo rele tou bag kimilatif, depi travès yo aktyèlman ki estoke nan yo pandan plizyè èdtan.

Enskripsyon fòm

Akseleratè nan patikil chaje nan majorite a kapab enskri yon evènman nan frape nan patikil nan sib la oswa nan lòt pake k ap deplase nan yon direksyon opoze. Nan tib la foto televizyon, elektwon ki soti nan zam la yo frape nan fosfò a sou sifas enteryè a nan ekran an ak emèt limyè, ki konsa rkree imaj la transmèt. Nan akseleratè, detektè espesyalize sa yo reyaji nan patikil dispèse, men yo anjeneral fèt pou jenere siyal elektrik ki ka konvèti nan done konpitè epi analize lè l sèvi avèk pwogram òdinatè. Se sèlman eleman chaje kreye siyal elektrik pase nan materyèl la, pou egzanp, pa atòm enteresan oswa ionize, epi yo ka detekte dirèkteman. Patikil netral, tankou neutron oswa foton, yo ka detekte endirèkteman nan konpòtman patikil chaje ki kondwi pa yo.

Gen anpil detektè espesyalize. Kèk nan yo, tankou counter a Geiger, senpleman konte patikil yo, pandan ke lòt moun yo te itilize, pou egzanp, nan dosye tren, vitès mezire oswa kantite enèji. Detektè gwosè modèn ak teknoloji varye soti nan aparèy ti chaje-makonnen ak gwo kamera gaz-plen ak fil ki detekte tras iyonize ki te kreye pa patikil chaje.

Istwa

Akseleratè nan patikil chaje yo te sitou devlope pou etid sou pwopriyete yo nan atomik nwayo ak patikil elemantè. Depi ouvèti a nan fizisyen britanik la Ernest Rutherford nan 1919, reyaksyon an nan nwayo a nitwojèn ak yon patikil alfa, tout rechèch la nan jaden an nan fizik nikleyè yo 1932 yo te pote soti ak nwayo elyòm, pibliye pa pouri anba tè a nan eleman natirèl radyo-aktif. Natirèl Alpha patikil gen yon enèji sinetik nan 8 MeV, men Rutherford kwè ke yo obsève pouri anba tè a nan nwayo lou li nesesè atifisyèlman akselere yo nan menm pi gwo valè. Lè sa a, li te sanble difisil. Sepandan, kalkil la te fè nan 1928 pa Georgiem Gamovym (nan University of Göttingen, Almay), te montre ke iyon yo ka itilize nan pi ba anpil enèji, ak sa ki te ankouraje eseye bati yon etablisman ki bay yon gwo bout bwa ase pou Nikleyè Rechèch.

Lòt evènman nan peryòd sa a demontre prensip yo pa ki akseleratè nan patikil chaje yo bati nan jou sa a. Premye eksperyans siksè ak iyon atifisyèlman akselere yo te fèt pa Cockcroft ak Walton nan 1932 nan Cambridge University. Lè l sèvi avèk yon miltiplikatè vòltaj, yo te akselere pwoton yo nan 710 keV ak te montre ke dènye a reyaji avèk nwayo a ityium yo fòme de patikil alfa. Pa 1931, nan Inivèsite nan Princeton nan New Jersey, Robert Van de Graaf te bati premye senti elektrik dèlko ki gen gwo potansyèl. Ciproft-Walton multiplikatè vòltaj ak Van de graaf dèlko yo toujou itilize kòm sous enèji pou akseleratè.

Te prensip la nan yon akseleratè sonorite lineyè te demontre pa Rolf Wideröe nan 1928. Nan Rhine-Westphalian teknik Inivèsite a nan Aachen, Almay, li te itilize yon vòltaj segondè altène akselere sodyòm ak iyon potasyòm enèji de fwa ki rapòte yo. Nan lane 1931, nan Etazini, Ernest Lawrence ak asistan David Sloan nan Inivèsite Kalifòni, Berkeley, te itilize jaden ki gen anpil frekans pou akselere iyon mèki a enèji ki depase 1.2 MeV. Travay sa a te complétée pa akseleratè a nan Wideröe lou patikil chaje, men travès ion yo pa te itil nan rechèch nikleyè.

Yon akseleratè sonorite mayetik, oswa siklotron, te vin ansent pa Lawrence kòm yon modifikasyon nan enstalasyon an Wideröe. Yon elèv nan Lawrence Livingston te demontre prensip la siklotron an 1931, ki te pwodwi iyon ak yon enèji nan 80 keV. An 1932, Lawrence ak Livingston te anonse akselerasyon pwoton yo nan plis pase 1 MeV. Pita nan ane 1930 yo, enèji nan siklotron rive nan apeprè 25 MeV, ak Van de graaf dèlko yo sou 4 MeV. Nan lane 1940 Donald Kerst, lè l sèvi avèk rezilta yo nan kalkil atantif nan òbit la nan desen an nan leman, bati betatron nan premye nan University of Illinois, yon endikatè elektwonik endiksyon elektwonik.

Fizik modèn: akseleratè nan patikil chaje

Apre Dezyèm Gè Mondyal la, syans la nan akselere patikil nan enèji segondè te fè pwogrè rapid. Li te kòmanse Edwin Macmillan nan Berkeley ak Vladimir Veksler nan Moskou. Nan 1945, yo te idantifye poukont li prensip la nan estabilite faz. Konsèp sa a ofri mwayen pou kenbe òbit ki estab nan patikil nan yon akseleratè siklik, ki retire restriksyon an sou enèji nan pwoton ak pèmèt kreyasyon an akseleratè sonorite mayetik (synchrotrons) pou elektwon. Autophasing, aplikasyon an nan prensip la nan estabilite faz, te konfime apre konstriksyon an nan yon ti synchrocyclotron nan Inivèsite Kalifòni ak synchrotron nan Angletè. Byento apre sa, pwonon an premye pwonon lineyè akseleratè te kreye. Prensip sa a yo itilize nan tout gwo pwoton synchrotrons ki te bati depi lè sa a.

An 1947, William Hansen, nan Inivèsite Stanford nan California, te konstwi premye akseleratè lineyè lineyè a sou yon vag vwayaje, lè l sèvi avèk teknoloji mikwo ond, ki te devlope pou rada pandan Dezyèm Gè Mondyal la.

Te pwogrè nan rechèch te fè posib lè yo ogmante enèji nan pwoton, ki te mennen nan konstriksyon an nan tout tan akseleratè pi gwo. Tandans sa a te sispann nan gwo pwi de fè leman gwo bag. Pi gwo peze apeprè 40,000 tòn. Metòd pou ogmante enèji san yo pa ogmante dimansyon yo nan machin yo te demontre an 1952 pa Livingston, Courant ak Snyder nan teknik la nan altène konsantre (pafwa yo rele fò konsantre). Synchrotrons k ap travay sou prensip sa a leman itilize 100 fwa pi piti pase anvan. Se konsantre sa yo ki itilize nan tout synchrotrons modèn.

Nan 1956, Kerst te reyalize ke si de kouche nan patikil yo ap fèt nan entèseksyon òbit, yon moun ka obsève kolizyon yo. Aplikasyon an nan lide sa a egzije akimilasyon nan travès akselere nan sik ki rele travès kimilatif. Teknoloji sa a te fè li posib reyalize enèji a entèraksyon maksimòm patikil yo.