Un accelerator de particule este un dispozitiv care creează un fascicul de particule atomice sau subatomice încărcate electric, care se mișcă la viteze apropiate de lumina. Lucrarea sa se bazează pe o creștere a energiei lor printr-un câmp electric și o modificare a traiectoriei - printr-unul magnetic.
Pentru ce sunt acceleratorii de particule?
Aceste dispozitive sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii ale științei și industriei. Astăzi, există peste 30 de mii de ele în toată lumea. Pentru un fizician, acceleratorii de particule servesc ca instrument pentru cercetarea fundamentală a structurii atomilor, a naturii forțelor nucleare și a proprietăților nucleelor care nu apar în natură. Acestea din urmă includ transuraniu și alte elemente instabile.
Cu ajutorul unui tub de descărcare, a devenit posibilă determinarea sarcinii specifice. Acceleratorii de particule sunt utilizați și în producerea de radioizotopi, în radiografie industrială, în radioterapie, în sterilizarea materialelor biologice și în radiocarbon.analiză. Cele mai mari instalații sunt folosite în studiul interacțiunilor fundamentale.
Durata de viață a particulelor încărcate în repaus în raport cu acceleratorul este mai mică decât cea a particulelor accelerate la viteze apropiate de viteza luminii. Acest lucru confirmă relativitatea intervalelor de timp SRT. De exemplu, la CERN, a fost atinsă o creștere de 29 de ori a duratei de viață a muonilor la o viteză de 0,9994c.
Acest articol discută cum funcționează un accelerator de particule, dezvoltarea lui, diferite tipuri și caracteristici distinctive.
Principii ale accelerației
Indiferent de acceleratorii de particule pe care îi cunoașteți, toți au elemente comune. În primul rând, toți trebuie să aibă o sursă de electroni în cazul unui cinescop de televiziune, sau electroni, protoni și antiparticulele lor în cazul instalațiilor mai mari. În plus, toți trebuie să aibă câmpuri electrice pentru a accelera particulele și câmpuri magnetice pentru a le controla traiectoria. În plus, vidul din acceleratorul de particule (10-11 mm Hg), adică cantitatea minimă de aer rezidual, este necesar pentru a asigura o durată lungă de viață a fasciculelor. Și, în sfârșit, toate instalațiile trebuie să aibă mijloacele de a înregistra, număra și măsura particulele accelerate.
Generație
Electronii și protonii, care sunt folosiți cel mai frecvent în acceleratoare, se găsesc în toate materialele, dar mai întâi trebuie să fie izolați de ei. De obicei, electronii sunt generațila fel ca într-un kinescop - într-un dispozitiv numit „pistol”. Este un catod (electrod negativ) în vid, care este încălzit până la punctul în care electronii încep să se desprindă de atomi. Particulele încărcate negativ sunt atrase de anod (electrodul pozitiv) și trec prin ieșire. Pistolul în sine este și cel mai simplu accelerator, deoarece electronii se mișcă sub influența unui câmp electric. Tensiunea dintre catod și anod este de obicei între 50-150 kV.
Pe lângă electroni, toate materialele conțin protoni, dar numai nucleele atomilor de hidrogen sunt formate din protoni unici. Prin urmare, sursa de particule pentru acceleratorii de protoni este hidrogenul gazos. În acest caz, gazul este ionizat și protonii scapă prin gaură. În acceleratoarele mari, protonii sunt adesea produși ca ioni negativi de hidrogen. Sunt atomi cu un electron în plus, care sunt produsul ionizării unui gaz biatomic. Este mai ușor să lucrezi cu ioni de hidrogen încărcați negativ în etapele inițiale. Apoi sunt trecute printr-o folie subțire care îi privează de electroni înainte de etapa finală de accelerație.
Accelerație
Cum funcționează acceleratorii de particule? Caracteristica cheie a oricăruia dintre ele este câmpul electric. Cel mai simplu exemplu este un câmp static uniform între potențialele electrice pozitive și negative, similar cu cel care există între bornele unei baterii electrice. În așacâmp, un electron care poartă o sarcină negativă este supus unei forțe care îl direcționează către un potențial pozitiv. Ea îl accelerează, iar dacă nu există nimic care să împiedice acest lucru, viteza și energia lui cresc. Electronii care se deplasează către un potențial pozitiv într-un fir sau chiar în aer se ciocnesc cu atomii și pierd energie, dar dacă se află în vid, accelerează pe măsură ce se apropie de anod.
Tensiunea dintre poziția inițială și cea finală a unui electron determină energia dobândită de acesta. Când treceți printr-o diferență de potențial de 1 V, aceasta este egală cu 1 electron volt (eV). Aceasta este echivalentă cu 1,6 × 10-19 jouli. Energia unui țânțar zburător este de un trilion de ori mai mare. Într-un kinescop, electronii sunt accelerați de o tensiune de peste 10 kV. Multe acceleratoare ating energii mult mai mari, măsurate în mega-, giga- și teraelectronvolți.
Soiuri
Unele dintre cele mai vechi tipuri de acceleratoare de particule, cum ar fi multiplicatorul de tensiune și generatorul Van de Graaff, foloseau câmpuri electrice constante generate de potențiale de până la un milion de volți. Nu este ușor să lucrezi cu tensiuni atât de în alte. O alternativă mai practică este acțiunea repetitivă a câmpurilor electrice slabe generate de potențiale scăzute. Acest principiu este utilizat în două tipuri de acceleratoare moderne - liniare și ciclice (în principal în ciclotroni și sincrotroni). Pe scurt, acceleratorii liniari de particule le trec o dată printr-o secvențăcâmpuri acceleratoare, în timp ce în cel ciclic se deplasează în mod repetat pe o cale circulară prin câmpuri electrice relativ mici. În ambele cazuri, energia finală a particulelor depinde de efectul combinat al câmpurilor, astfel încât multe „șocuri” mici se adună pentru a da efectul combinat al unuia mare.
Structura care se repetă a unui accelerator liniar pentru a crea câmpuri electrice implică în mod natural utilizarea tensiunii AC și nu DC. Particulele încărcate pozitiv sunt accelerate spre potențialul negativ și primesc un nou impuls dacă trec pe lângă cel pozitiv. În practică, tensiunea ar trebui să se schimbe foarte repede. De exemplu, la o energie de 1 MeV, un proton se deplasează cu viteze foarte mari de 0,46 viteza luminii, călătorind 1,4 m în 0,01 ms. Aceasta înseamnă că într-un model care se repetă lung de câțiva metri, câmpurile electrice trebuie să își schimbe direcția la o frecvență de cel puțin 100 MHz. Acceleratoarele liniare și ciclice ale particulelor încărcate, de regulă, le accelerează folosind câmpuri electrice alternative cu o frecvență de la 100 la 3000 MHz, adică de la unde radio la microunde.
O undă electromagnetică este o combinație de câmpuri electrice și magnetice alternative care oscilează perpendicular unul pe celăl alt. Punctul cheie al acceleratorului este reglarea undei astfel încât atunci când particula ajunge, câmpul electric să fie direcționat în conformitate cu vectorul de accelerație. Acest lucru se poate face cu o undă staționară - o combinație de valuri care călătoresc în direcții opuse într-o buclă închisă.spațiu, ca undele sonore într-o țeavă de orgă. O alternativă pentru electronii cu mișcare foarte rapidă care se apropie de viteza luminii este unda care călătorește.
Autophasing
Un efect important la accelerarea într-un câmp electric alternativ este „autofazarea”. Într-un ciclu de oscilație, câmpul alternativ trece de la zero printr-o valoare maximă din nou la zero, scade la minim și crește la zero. Deci trece prin valoarea necesară pentru a accelera de două ori. Dacă particula care accelerează ajunge prea devreme, atunci ea nu va fi afectată de un câmp de putere suficientă, iar împingerea va fi slabă. Când ajunge la următoarea secțiune, va întârzia și va experimenta un impact mai puternic. Ca urmare, va avea loc autofazare, particulele vor fi în fază cu câmpul în fiecare regiune de accelerare. Un alt efect ar fi să le grupați în timp în aglomerări, mai degrabă decât într-un flux continuu.
Direcția fasciculului
Câmpurile magnetice joacă, de asemenea, un rol important în modul în care funcționează un accelerator de particule încărcate, deoarece își pot schimba direcția mișcării. Aceasta înseamnă că pot fi folosite pentru a „îndoi” grinzile de-a lungul unei căi circulare, astfel încât să treacă prin aceeași secțiune de accelerare de mai multe ori. În cel mai simplu caz, o particulă încărcată care se mișcă în unghi drept față de direcția unui câmp magnetic uniform este supusă unei forțeperpendiculara atat pe vectorul deplasarii acestuia cat si pe camp. Acest lucru face ca fasciculul să se miște pe o traiectorie circulară perpendiculară pe câmp până când își părăsește zona de acțiune sau o altă forță începe să acționeze asupra ei. Acest efect este utilizat în acceleratoarele ciclice, cum ar fi ciclotronul și sincrotronul. Într-un ciclotron, un câmp constant este generat de un magnet mare. Particulele, pe măsură ce energia lor crește, spiralează spre exterior, accelerând cu fiecare revoluție. Într-un sincrotron, ciorchinii se mișcă în jurul unui inel cu rază constantă, iar câmpul creat de electromagneții în jurul inelului crește pe măsură ce particulele accelerează. Magneții „îndoitori” sunt dipoli cu polii nord și sud îndoiți în formă de potcoavă, astfel încât fasciculul să poată trece între ei.
A doua funcție importantă a electromagneților este de a concentra fasciculele astfel încât acestea să fie cât mai înguste și intense. Cea mai simplă formă a unui magnet de focalizare este cu patru poli (doi la nord și doi la sud) unul față de celăl alt. Ele împing particulele spre centru într-o direcție, dar le permit să se propagă în direcția perpendiculară. Magneții cu patru poli focalizează fasciculul pe orizontală, permițându-i să iasă din focalizare pe verticală. Pentru a face acest lucru, acestea trebuie folosite în perechi. Magneți mai complecși cu mai mulți poli (6 și 8) sunt utilizați și pentru o focalizare mai precisă.
Pe măsură ce energia particulelor crește, crește puterea câmpului magnetic care le ghidează. Acest lucru menține fasciculul pe aceeași cale. Cheagul este introdus în inel și accelerat până laenergia necesară înainte de a putea fi retrasă și utilizată în experimente. Retragerea este realizată de electromagneți care se pornesc pentru a împinge particulele din inelul sincrotronului.
Coliziune
Acceleratorii de particule utilizați în medicină și industrie produc în principal un fascicul pentru un anumit scop, cum ar fi radioterapia sau implantarea ionică. Aceasta înseamnă că particulele sunt folosite o singură dată. Timp de mulți ani, același lucru a fost valabil și pentru acceleratoarele utilizate în cercetarea de bază. Dar în anii 1970 au fost dezvoltate inele în care cele două fascicule circulă în direcții opuse și se ciocnesc de-a lungul întregului circuit. Principalul avantaj al unor astfel de instalații este că, în cazul unei coliziuni frontale, energia particulelor intră direct în energia de interacțiune dintre ele. Acest lucru contrastează cu ceea ce se întâmplă atunci când fasciculul se ciocnește cu materialul în repaus: în acest caz, cea mai mare parte a energiei este cheltuită pentru a pune în mișcare materialul țintă, în conformitate cu principiul conservării impulsului.
Unele mașini cu fascicule de ciocnire sunt construite cu două inele care se intersectează în două sau mai multe locuri, în care particulele de același tip circulă în direcții opuse. Colizerii cu particule și antiparticule sunt mai frecvente. O antiparticulă are sarcina opusă particulei asociate. De exemplu, un pozitron este încărcat pozitiv, în timp ce un electron este încărcat negativ. Aceasta înseamnă că câmpul care accelerează electronul încetinește pozitronul,deplasându-se în aceeași direcție. Dar dacă acesta din urmă se mișcă în direcția opusă, se va accelera. În mod similar, un electron care se deplasează printr-un câmp magnetic se va îndoi spre stânga, iar un pozitron se va îndoi spre dreapta. Dar dacă pozitronul se mișcă spre el, atunci calea lui se va abate în continuare spre dreapta, dar de-a lungul aceleiași curbe ca și electronul. Împreună, aceasta înseamnă că aceste particule se pot deplasa de-a lungul inelului sincrotron datorită acelorași magneți și pot fi accelerate de aceleași câmpuri electrice în direcții opuse. Multe dintre cele mai puternice ciocnitoare pe fasciculele care se ciocnesc au fost create conform acestui principiu, deoarece este necesar un singur inel de accelerație.
Fasciculul din sincrotron nu se mișcă continuu, ci este combinat în „aglomerări”. Ele pot avea câțiva centimetri lungime și o zecime de milimetru în diametru și pot conține aproximativ 1012 particule. Aceasta este o densitate mică, deoarece o substanță de această dimensiune conține aproximativ 1023 atomi. Prin urmare, atunci când fasciculele se intersectează cu fasciculele care se apropie, există doar o mică șansă ca particulele să interacționeze între ele. În practică, ciorchinii continuă să se deplaseze de-a lungul inelului și se reîntâlnesc. Vidul profund din acceleratorul de particule (10-11 mmHg) este necesar pentru ca particulele să poată circula timp de multe ore fără a se ciocni cu moleculele de aer. Prin urmare, inelele sunt numite și acumulative, deoarece pachetele sunt de fapt stocate în ele timp de câteva ore.
Înregistrare
Acceleratoarele de particule pot înregistra în cea mai mare parte ce se întâmplă cândatunci când particulele lovesc o țintă sau un alt fascicul care se mișcă în direcția opusă. Într-un cinescop de televiziune, electronii dintr-un pistol lovesc un fosfor pe suprafața interioară a ecranului și emit lumină, care recreează astfel imaginea transmisă. În acceleratoare, astfel de detectoare specializate răspund la particulele împrăștiate, dar de obicei sunt proiectate pentru a genera semnale electrice care pot fi convertite în date computerizate și analizate folosind programe de calculator. Numai elementele încărcate creează semnale electrice prin trecerea printr-un material, de exemplu prin excitarea sau ionizarea atomilor, și pot fi detectate direct. Particulele neutre, cum ar fi neutronii sau fotonii, pot fi detectate indirect prin comportamentul particulelor încărcate pe care le pun în mișcare.
Există multe detectoare specializate. Unele dintre ele, cum ar fi contorul Geiger, numără pur și simplu particulele, în timp ce altele sunt folosite, de exemplu, pentru a înregistra piste, a măsura viteza sau a măsura cantitatea de energie. Detectoarele moderne variază ca dimensiune și tehnologie, de la dispozitive mici cuplate la încărcare până la camere mari umplute cu sârmă, umplute cu gaz, care detectează urmele ionizate create de particulele încărcate.
Istorie
Acceleratoarele de particule au fost dezvoltate în principal pentru a studia proprietățile nucleelor atomice și ale particulelor elementare. De la descoperirea reacției dintre nucleul de azot și particula alfa de către fizicianul britanic Ernest Rutherford în 1919, toate cercetările în fizica nucleară până la1932 a fost petrecut cu nuclee de heliu eliberate din degradarea elementelor radioactive naturale. Particulele alfa naturale au o energie cinetică de 8 MeV, dar Rutherford credea că, pentru a observa degradarea nucleelor grele, acestea trebuie accelerate artificial la valori și mai mari. Pe vremea aceea părea dificil. Cu toate acestea, un calcul făcut în 1928 de Georgy Gamow (la Universitatea din Göttingen, Germania) a arătat că pot fi folosiți ioni cu energii mult mai mici, iar acest lucru a stimulat încercările de a construi o instalație care să ofere un fascicul suficient pentru cercetarea nucleară..
Alte evenimente din această perioadă au demonstrat principiile după care sunt construite acceleratoarele de particule până în prezent. Primele experimente de succes cu ioni accelerați artificial au fost efectuate de Cockcroft și W alton în 1932 la Universitatea din Cambridge. Folosind un multiplicator de tensiune, au accelerat protonii la 710 keV și au arătat că aceștia din urmă reacționează cu nucleul de litiu pentru a forma două particule alfa. Până în 1931, la Universitatea Princeton din New Jersey, Robert van de Graaff construise primul generator electrostatic cu centură cu potențial ridicat. Multiplicatorii de tensiune Cockcroft-W alton și generatoarele Van de Graaff sunt încă folosite ca surse de energie pentru acceleratoare.
Principiul unui accelerator rezonant liniar a fost demonstrat de Rolf Wideröe în 1928. La Universitatea de Tehnologie Rhine-Westphalian din Aachen, Germania, a folosit o tensiune alternativă mare pentru a accelera ionii de sodiu și potasiu la energii de două oridepășind cele raportate de aceștia. În 1931, în Statele Unite, Ernest Lawrence și asistentul său David Sloan de la Universitatea din California, Berkeley au folosit câmpuri de în altă frecvență pentru a accelera ionii de mercur la energii de peste 1,2 MeV. Această lucrare a completat acceleratorul de particule grele Wideröe, dar fasciculele de ioni nu au fost utile în cercetarea nucleară.
Acceleratorul rezonant magnetic, sau ciclotronul, a fost conceput de Lawrence ca o modificare a instalației Wideröe. Studentul lui Lawrence Livingston a demonstrat principiul ciclotronului în 1931 prin producerea de ioni de 80 keV. În 1932, Lawrence și Livingston au anunțat accelerarea protonilor la peste 1 MeV. Mai târziu, în anii 1930, energia ciclotronilor a ajuns la aproximativ 25 MeV, iar cea a generatoarelor Van de Graaff a ajuns la aproximativ 4 MeV. În 1940, Donald Kerst, aplicând rezultatele calculelor orbitale atente la proiectarea magneților, a construit primul betatron, un accelerator de electroni cu inducție magnetică, la Universitatea din Illinois.
Fizica modernă: acceleratori de particule
După al Doilea Război Mondial, știința accelerării particulelor la energii mari a făcut progrese rapide. A fost început de Edwin Macmillan la Berkeley și Vladimir Veksler la Moscova. În 1945, ambii au descris independent principiul stabilității fazei. Acest concept oferă un mijloc de menținere a orbitelor stabile ale particulelor într-un accelerator ciclic, care a eliminat limitarea energiei protonilor și a făcut posibilă crearea acceleratoarelor de rezonanță magnetică (sincrotroni) pentru electroni. Autofazarea, implementarea principiului stabilității fazei, a fost confirmată după construcțieun mic sincrociclotron la Universitatea din California și un sincrotron în Anglia. La scurt timp după aceea, a fost creat primul accelerator rezonant liniar de protoni. Acest principiu a fost folosit în toate sincrotronii cu protoni mari construite de atunci.
În 1947, William Hansen, de la Universitatea Stanford din California, a construit primul accelerator liniar de electroni care se deplasează folosind tehnologia cu microunde, care a fost dezvoltat pentru radar în timpul celui de-al Doilea Război Mondial.
Progresul în cercetare a fost posibil prin creșterea energiei protonilor, ceea ce a dus la construirea unor acceleratoare din ce în ce mai mari. Această tendință a fost oprită de costul ridicat al fabricării de magneți inelari uriași. Cel mai mare cântărește aproximativ 40.000 de tone. Modalități de creștere a energiei fără a crește dimensiunea mașinilor au fost demonstrate în 1952 de Livingston, Courant și Snyder în tehnica focalizării alternante (uneori numită focalizare puternică). Sincrotronele bazate pe acest principiu folosesc magneți de 100 de ori mai mici decât înainte. O astfel de focalizare este folosită în toate sincrotronele moderne.
În 1956, Kerst și-a dat seama că dacă două seturi de particule ar fi menținute pe orbite care se intersectează, ar putea fi observate ciocnind. Aplicarea acestei idei a necesitat acumularea de fascicule accelerate în cicluri numite stocare. Această tehnologie a făcut posibilă obținerea energiei maxime de interacțiune a particulelor.
