PCM accelerators ti gba agbara awon patikulu. Bi patiku accelerators iṣẹ. Idi ti patiku accelerators?

Awọn ohun imuyara ti gba agbara awon patikulu - ẹrọ kan ninu eyiti a tan ina ti electrically gba agbara atomiki tabi subatomic patikulu rin ni fere ni iyara. Ni igba ti iṣẹ rẹ ni pataki ilosoke wọn agbara nipa ohun ina oko ki o si yi awọn afokansi - se.

Ohun ti o wa patiku accelerators?

Awọn wọnyi ni awọn ẹrọ ti wa o gbajumo ni lilo ni orisirisi aaye ti sayensi ati ise. Lati ọjọ, ni agbaye nibẹ ni o wa siwaju sii ju 30 ẹgbẹrun. Fun awọn fisiksi ti gba agbara patiku accelerators sin bi a ọpa ti ipilẹ iwadi lori awọn be ti awọn ọta, awọn iseda ti iparun ologun ati iparun-ini, eyi ti ko ba waye nipa ti. Awọn igbehin ni transuranic ati awọn miiran riru eroja.

Pẹlu awọn isun tube ti di ti ṣee ṣe lati mọ awọn pato idiyele. Agbara patiku accelerators wa ni tun lo fun isejade ti radioisotopes, ni ise radiography, radiotherapy, fun sterilization ti ti ibi ohun elo, ati ni radiocarbon onínọmbà. Awọn ti sipo wa ni lo ninu awọn iwadi ti Pataki ibasepo.

S'aiye awọn agbara patikulu ni isimi pẹlu ọwọ si awọn ohun imuyara jẹ kere ju ti o ti patikulu onikiakia to iyara sunmo si iyara ti ina. Eleyi confirms awọn jo kekere iye ti akoko ibudo. Fun apẹẹrẹ, ni CERN ti a ti waye ohun ilosoke ninu awọn s'aiye ti awọn muon 0,9994c iyara 29 igba.

Yi article wulẹ ni ohun ti n inu ati ki o ṣiṣẹ patiku ohun imuyara, awọn oniwe-idagbasoke, yatọ si orisi ati ki o yatọ ẹya ara ẹrọ.

isare agbekale

Laiwo ti ohun ti Iru agbara patiku accelerators o mọ, gbogbo wọn ni wọpọ eroja. First, won gbodo ni orisun kan ti elekitironi ninu awọn idi ti a tẹlifisiọnu aworan tube tabi elekitironi, protons ati awọn won antiparticles ninu ọran ti o tobi fifi sori ẹrọ. Siwaju si, won gbodo gbogbo ni ina aaye lati mu yara patikulu ati ki o se aaye lati sakoso wọn afokansi. Ni afikun, awọn igbale ni agbara patiku ohun imuyara (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. A o kere opoiye ti péye air, ni ti a beere lati rii daju a gun aye akoko opo ile. Níkẹyìn, gbogbo awọn fifi sori ẹrọ gbọdọ ni ìforúkọsílẹ ọna, awọn kika ati wiwọn ti awọn onikiakia patikulu.

iran

Electrons ati protons, eyi ti wa julọ commonly lo ninu accelerators, ti wa ni ri ni gbogbo awọn ohun elo, sugbon akọkọ ti won gbodo yan lati wọn. Electrons ojo melo wa ni ti ipilẹṣẹ ni ni ọna kanna bi ninu awọn aworan tube - ni a ẹrọ ti o ni a npe ni a "ibon". O ti wa ni a cathode (negative elekiturodu) ni awọn igbale, ti o jẹ kikan si ipinle kan ibi ti elekitironi bẹrẹ lati wa ni pipa awọn ọta. Odi agbara patikulu ti wa ni ifojusi si awọn anode (rere elekiturodu) ki o si ṣe nipasẹ awọn iṣan. Awọn ibon ara ni alinisoro bi awọn ohun imuyara nitori awọn elekitironi ti wa ni gbigbe labẹ awọn ipa ti ẹya ina oko. Awọn foliteji laarin awọn cathode ati anode, ojo melo ni ibiti o 50-150 kV.

Yato si lati elekitironi ni gbogbo ohun elo ti o wa ninu protons, sugbon nikan kan nikan pirotonu arin kq ti hydrogen awọn ọta. Nitorina, awọn patiku orisun fun pirotonu accelerators ni hydrogen gaasi. Ni idi eyi, awọn gaasi ti wa ni ionized ati awọn protons wa ni be nipasẹ iho. Ni o tobi accelerators protons ti wa ni igba akoso ninu awọn fọọmu ti odi hydrogen ions. Wọn ti soju fun ohun afikun ohun itanna lati awọn ọta eyi ti o wa ni ọja ti a diatomic gaasi ionization. Niwon awọn odi agbara hydrogen ions ni ibẹrẹ ni asiko ti ise rọrun. Nigbana ni nwọn ṣe nipasẹ kan tinrin bankanje, eyi ti deprives wọn ti elekitironi ṣaaju ki ik ipele ti isare.

isare

Bi patiku accelerators iṣẹ? A bọtini ẹya-ara ti gbogbo awọn ti wọn ni awọn ina aaye. Awọn alinisoro apẹẹrẹ - awọn aṣọ aimi oko laarin awọn rere ati odi ina lagbara, iru si eyi ti wa laarin awọn TTY ti awọn ina batiri. Yi itanna aaye rù a odi idiyele ti wa ni fara si a agbara ti o ntọ o si kan rere pọju. O accelerates o, ati ti o ba ti wa nibẹ jẹ ohunkohun ti o yoo duro li ọna rẹ, iyara ati agbara ilosoke. Electrons gbigbe si awọn rere ti o pọju lori waya tabi ni awọn air, ki o si collide pẹlu awọn ọta padanu agbara, ṣugbọn ti o ba ti won ti wa ni be ni vacuo, ki o si onikiakia bi nwọn ba sunmọ anode.

Ẹdọfu laarin awọn ibere ati opin si ipo ti awọn itanna awọn asọye ra wọn agbara. Nigbati gbigbe nipasẹ kan ti o pọju iyato ti 1 V jẹ dogba si 1 itanna-folti (eV). Eleyi jẹ deede to 1,6 x 10 ^-19 joule. Awọn agbara ti a fò efon aimọye igba diẹ. Ni kinescope elekitironi ti wa ni onikiakia foliteji tobi ju 10 kV. Ọpọlọpọ awọn accelerators de ọdọ Elo ti o ga okunagbara won Mega, giga ati Tera-itanna-volts.

eya

Diẹ ninu awọn ti earliest orisi ti patiku accelerators, bi awọn foliteji multiplier ati awọn monomono Van de Graaff monomono, lilo kan ibakan ina oko ti ipilẹṣẹ nipasẹ awọn lagbara ti soke to a million volts. Pẹlu iru awọn ga voltages ṣiṣẹ rorun. A siwaju sii to wulo ni yiyan ni awọn tun iṣẹ ti lagbara itanna aaye yi ni kekere lagbara. Yi opo ti lo ni awọn meji orisi ti igbalode accelerators - PCM ati salayipo (o kun cyclotrons ati synchrotrons). PCM patiku accelerators, ni kukuru, koja wọn ni kete ti nipasẹ awọn ọkọọkan ti iyarasare oko, nigba ti cyclically opolopo igba ti won gbe ni a ipin ona nipasẹ awọn jo mo kekere ina oko. Ni igba mejeeji, ik agbara ti awọn patikulu da lori lapapọ aaye ti igbese, ki ọpọlọpọ awọn kekere "bumps" ti wa ni afikun papo lati fi fun awọn Apapo ipa ti a nikan ti o tobi.

Awọn ti atunwi be ti a PCM ohun imuyara lati se ina ina oko ni a adayeba ona ni lati lo AC, ko DC. Awọn daadaa agbara patikulu ti wa ni onikiakia si awọn odi pọju ati ki o gba titun kan iwuri, ti o ba ṣe rere. Ni asa, awọn foliteji gbọdọ wa ni yipada gan yarayara. Fun apẹẹrẹ, ni ohun agbara ti 1 MeV pirotonu e ni gidigidi ga iyara jẹ awọn iyara ti ina ti 0,46, ran 1.4 m of 0.01 ms. Eleyi tumo si wipe ni þr be ti kan diẹ mita gun, ni ina oko gbọdọ yi itọsọna ni a igbohunsafẹfẹ ti o kere 100 MHz. PCM ati salayipo accelerators patikulu maa fọn wọn pẹlu awọn alternating ina oko igbohunsafẹfẹ lati 100 MHz to 3000, t. E. Ni awọn ibiti o ti igbi redio to microwaves.

Awọn itanna igbi ni a apapo ti oscillating ina ati ki o se aaye oscillating ni ọtun awọn agbekale si kọọkan miiran. Awọn bọtini ojuami ni lati satunṣe awọn ohun imuyara igbi ki ni awọn dide ti awọn patikulu ni ina oko ti wa ni directed ni ibamu pẹlu awọn isare fekito. Eleyi le ṣee ṣe nipa lilo a duro igbi - awọn apapo ti igbi rin ni idakeji itọnisọna ni kan titi kun, awọn ohun igbi ni pipe eto ara eniyan. Ohun yiyan irisi fun nyara gbigbe elekitironi ti awọn iwọn ere sisa approaching awọn iyara ti imọlẹ, a rin igbi.

autophasing

Ohun pataki ipa ti isare ni ohun alternating ina oko ni a "alakoso iduroṣinṣin". Ni ọkan oscillation ọmọ alternating oko gba koja odo lati awọn ti o pọju iye pada si odo, o dinku lati kan kere ati ki o ga soke si odo. Bayi, o koja lemeji nipasẹ awọn iye ti beere fun isare. Ti o ba ti a patiku ti ere sisa posi, ba ju tete, o yoo ko sise a aaye ti to agbara, ati awọn titari yoo jẹ lagbara. Nigbati o Gigun nigbamii ti agbegbe, awọn igbeyewo pẹ ati siwaju sii ikolu. Bi awọn kan abajade, ara-phasing waye, awọn awon patikulu yoo wa ni alakoso pẹlu kọọkan oko ni iyarasare ekun. Miran ti ipa ni awọn kikojọ wọn ni akoko lati fẹlẹfẹlẹ kan ti dipọ dipo ju a lemọlemọfún san.

Awọn itọsọna ti awọn tan ina

Ohun pataki ipa ni bi awọn iṣẹ ati awọn patiku ohun imuyara, mu ati ki o se oko, bi nwọn ti le yi awọn itọsọna ti wọn ronu. Eleyi tumo si wipe won le wa ni a lo fun "atunse" ti awọn tan ina ni a ipin ona, ki nwọn leralera là kanna iyarasare apakan. Ni alinisoro nla, on a gba agbara patiku gbigbe ni igun ọtun to awọn itọsọna ti awọn isokan se aaye, a agbara fekito papẹndikula si mejeji ti awọn oniwe-ronu, ati si awọn aaye. Eleyi fa awọn tan ina lati gbe ni kan ipin ona papẹndikula si oko, titi ti o ba jade ti awọn oniwe-aaye ti igbese tabi awọn miiran agbara bẹrẹ lati sise lori o. Yi ipa ti lo ni salayipo accelerators bi a synchrotron ati cyclotron. Ni a cyclotron, awọn ibakan oko ti wa ni yi kan ti o tobi oofa. Patikulu pẹlu jijẹ ti won agbara gbigbe spirally lẹsẹ onikiakia pẹlu kọọkan Iyika. Awọn synchrotron didi gbe ni ayika pẹlu oruka kan ibakan rediosi, ati awọn aaye ti ipilẹṣẹ nipasẹ awọn electromagnets ni ayika oruka posi bi awọn patikulu ti wa ni onikiakia. Awọn oofa pese "atunse", soju dipoles pẹlu ariwa ati gusu ọpá rẹ, ro ni a horseshoe apẹrẹ ki awọn tan ina le ṣe therebetween.

Awọn keji pataki iṣẹ ti awọn electromagnets ni si idojukọ awọn opo ki nwọn ki o wa ni ki dín ati intense bi o ti ṣee. Awọn alinisoro fọọmu ti a fojusi oofa - pẹlu mẹrin ọpá (meji ariwa ati meji gusu) be idakeji kọọkan miiran. Nwọn si tì awọn patikulu si aarin ninu ọkan itọsọna, sugbon gba wọn lati wa ni pin ninu awọn ìgùn. Quadrupole oofa idojukọ tan nâa, gbigba u lati lọ jade ti idojukọ ni inaro. Lati ṣe eyi, won gbodo wa ni lo ni orisii. Fun kan diẹ deede fojusi wa ni tun lo diẹ fafa oofa pẹlu kan ti o tobi nọmba ti ọpá (6 ati 8).

Niwon awọn agbara ti awọn patiku posi, awọn agbara ti awọn se aaye, darí wọn posi. Eleyi ntọju awọn tan ina lori kanna afokansi. Awọn Curd ti wa ni a ṣe sinu iwọn ati ki o ti wa ni onikiakia to a fẹ agbara ṣaaju ki o le ti wa ni yorawonkuro ati ki o lo ninu adanwo. Retraction ti wa ni waye nipa electromagnets eyi ti wa ni mu ṣiṣẹ lati ti awọn patikulu lati synchrotron oruka.

ijamba

Agbara patiku accelerators lo ninu oogun ati ile ise, o kun gbe awọn kan tan ina fun kan pato idi, e.g., itanna tabi dẹlẹ gbigbin. Eleyi tumo si wipe awon patikulu ti lo lẹẹkan. Awọn kanna je otito ti accelerators lo ni ipilẹ iwadi fun opolopo odun. Ṣugbọn awọn oruka won ni idagbasoke ni 1970, ninu eyi ti meji nibiti kaa kiri ninu idakeji itọnisọna ati collide ni ayika Circuit. Awọn ifilelẹ ti awọn anfani ti iru awọn ọna šiše ni wipe ni a abala ijamba agbara ti patikulu lọ taara si awọn ibaraenisepo agbara laarin wọn. Eleyi contrasts pẹlu ohun ti o ṣẹlẹ nigbati awọn tan ina collides pẹlu kan adaduro awọn aworan, ninu eyi ti irú julọ ti awọn agbara lọ si idinku ti awọn afojusun awọn ohun elo ti ni išipopada, ni ibamu pẹlu awọn opo ti itoju ti ipa.

Diẹ ninu awọn ero pẹlu colliding nibiti wa ni ti won fi oruka meji, intersecting ni meji tabi diẹ ẹ sii ibi, ninu eyi ti şe ni idakeji itọnisọna, awọn awon patikulu ti kanna iru. Diẹ wọpọ collider patiku-antiparticle. Antiparticle ni o ni idakeji idiyele ti awọn nkan patikulu. Fun apẹẹrẹ, awọn positron, ti wa ni daadaa agbara, ati awọn elekitironi - odi. Eleyi tumo si wipe a aaye ti o accelerates awọn itanna, awọn positron pìpesè isalẹ, gbigbe ni kanna itọsọna. Ṣugbọn ti o ba igbehin e ni idakeji, o yoo mu yara. Lọnà kan náà, ohun itanna gbigbe nipasẹ kan se aaye ife ti tẹ si osi, ati awọn positron - ọtun. Ṣugbọn ti o ba ti positron ti wa ni gbigbe siwaju, ki o si rẹ ona yoo tesiwaju lati fi nyapa ilana si ọtun, sugbon lori kanna ti tẹ bi ti o ti itanna. Sibẹsibẹ, yi tumo si wipe awọn patikulu le gbe nipasẹ awọn iwọn ti awọn synchrotron kanna oofa ati onikiakia nipa kanna ina oko ni idakeji itọnisọna. Lori yi opo da ọpọlọpọ awọn alagbara colliders colliding opo ile, t. To. Awọn nikan nilo ọkan oruka ohun imuyara.

Tan ni synchrotron ti ko ba gbigbe continuously ati ese sinu "clumps." Won le je orisirisi centimeters ni ipari ki o idamẹwa kan ti a ti millimeter ni opin, ki o si ni ninu nipa 10 ¹² patikulu. Yi kekere iwuwo, nitori awọn iwọn ti iru awọn ohun elo ni awọn nipa ^{23 October} awọn ọta. Nitorina, nigbati a colliding nibiti intersect, nibẹ ni nikan kan kekere iṣeeṣe ti awọn patikulu yoo fesi pẹlu kọọkan miiran. Ni asa didi tesiwaju lati gbe ni ayika iwọn ati ki o pade lẹẹkansi. Ga igbale ni ohun imuyara ti gba agbara awon patikulu (10 ^-11 mm Hg. V.) Ti wa ni ti beere fun ni ibere wipe awon patikulu le circulate fun ọpọlọpọ awọn wakati lai collisions pẹlu air ohun ti. Nitorina, awọn iwọn ni tun npe ni akojo, nitori nibiti kosi ti o ti fipamọ ninu rẹ fun orisirisi awọn wakati.

registration

Agbara patiku accelerators ni opolopo le forukọsilẹ waye nigbati awọn patikulu lu awọn afojusun tabi awọn miiran tan, gbigbe ni idakeji. Ni a tẹlifisiọnu aworan tube, elekitironi lati ibon lati lu awọn phosphor iboju lori ni akojọpọ dada ati emit imọlẹ, eyi ti nitorina recreates awọn zqwq image. Ni accelerators iru specialized aṣawari fesi si tú patikulu, sugbon ti won ti wa ni maa ṣe lati ṣẹda itanna awọn ifihan agbara ti o le wa ni iyipada sinu kọmputa data ki o si atupale lilo kọmputa eto. Nikan gba agbara eroja gbe itanna ifihan agbara ran nipasẹ awọn ohun elo ti, fun apẹẹrẹ nipa ionization tabi inudidun ti awọn ọta, ati ki o le ṣee wa-ri taara. Didoju patikulu bi neutroni tabi awọn photons le ṣee wa-ri ekoro nipasẹ awọn ihuwasi ti gba agbara awon patikulu ti nwọn ba wa ni išipopada.

Nibẹ ni o wa ọpọlọpọ awọn specialized aṣawari. Diẹ ninu awọn ti wọn, gẹgẹ bi awọn a Geiger counter, a patiku ka, ati awọn miiran ipawo, e.g., fun gbigbasilẹ awọn orin tabi ere sisa wiwọn ti agbara. Modern aṣawari ni iwọn ati ki ọna ẹrọ, le yato lati kekere idiyele pelu awọn ẹrọ to tobi gaasi-kún iyẹwu pẹlu onirin ti ri ionized orin yi ni agbara patikulu.

itan

Agbara patiku accelerators o kun idagbasoke fun-ẹrọ ti awọn-ini ti atomiki iwo ati ìṣòro patikulu. Niwon awọn šiši ti awọn British physicist Ernest Rutherford ni 1919, awọn lenu ti awọn nitrogen arin ati awọn ẹya Alpha patiku, gbogbo awọn iwadi ni awọn aaye ti iparun fisiksi to 1932 ni won ti gbe jade pẹlu ategun iliomu iwo, tu nipa awọn ibajẹ ti adayeba ipanilara eroja. Natural Alpha-patikulu ni a kainetik agbara ti 8 MeV, ṣugbọn Rutherford gbà ki nwọn ki o gbọdọ jẹ toju onikiakia lati paapa ti o ga iye fun mimojuto awọn ibajẹ ti eru iwo. Ni akoko ti o dabi enipe soro. Sibẹsibẹ, awọn isiro ṣe ni 1928 nipa Georgiem Gamovym (ni University of Göttingen, Germany), fihan wipe ions le ṣee lo ni Elo kekere okunagbara, ati yi ti ji igbiyanju lati kọ kan apo ti o pese a tan ina to fun Nuclear Research.

Miiran iṣẹlẹ ti asiko yi se afihan awọn agbekale nipa eyi ti gba agbara patiku accelerators ti wa ni itumọ lati oni yi. Ni igba akọkọ ti aseyori adanwo pẹlu artificially onikiakia ions won waye Cockroft ati Walton ni 1932 ni Kamibiriji University. Nipa lilo a foliteji multiplier, protons ti wa ni onikiakia to 710 akitiyan, o si fihan wipe awọn igbehin fesi pẹlu litiumu lati dagba meji Alpha patikulu. Nipa 1931, ni Princeton University ni New Jersey, Robert Van de Graaff electrostatic igbanu kọ akọkọ ga-o pọju monomono. Foliteji multiplier Cockcroft-Walton Generators ati Van de Graaff monomono ti wa ni ṣi lo bi agbara orisun fun accelerators.

Awọn opo ti PCM resonant ohun imuyara ti a afihan Rolf Widerøe ni 1928. The Rhine-Westphalian Technical University ni Aachen, Germany, o ti lo a ga AC foliteji lati mu yara awọn soda ati potasiomu ions to okunagbara ni excess ti meji ni igba lati so fun wọn. Ni 1931 ni United States Ernest Lourens ati awọn re Iranlọwọ David Sloan ti awọn University of California, Berkeley, lo ga-igbohunsafẹfẹ aaye lati mu yara Makiuri ions to okunagbara tobi ju 1.2 MeV. Ise yi ni gbelese ohun imuyara ti eru agbara patikulu Wideröe, ṣugbọn awọn dẹlẹ nibiti o wa ko wulo ni iparun iwadi.

Se àbájade ohun imuyara tabi cyclotron, ti a loyun bi a iyipada ti Lawrence Wideröe fifi sori. Akeko Lawrence Livingston afihan awọn opo ti awọn cyclotron ni 1931, ṣiṣe awọn ions pẹlu ohun agbara ti 80 akitiyan. Ni 1932, Lawrence ati Livingston kede awọn isare ti protons soke si siwaju sii ju 1 MeV. Igbamiiran ni awọn 1930s, agbara cyclotrons ami nipa 25 MeV, ati awọn Van de Graaff - nipa 4 MeV. Ni 1940, Donald Kerst, a to awọn esi ti ṣọra se isiro ti awọn yipo si oofa be, itumọ ti ni University of Illinois, akọkọ betatron, O se fifa irọbi itanna ohun imuyara.

Modern fisiksi: patiku accelerators

Lẹhin ti World War II nibẹ wà dekun itesiwaju ninu sayensi ti iyarasare patikulu to ga okunagbara. O bẹrẹ Edwin McMillan ni Berkeley ati Vladimir Veksler ni Moscow. Ni 1945, won ni o wa mejeeji ominira lati kọọkan miiran ti se apejuwe awọn opo ti alakoso iduroṣinṣin. Yi Erongba nfun a ọna lati bojuto awọn idurosinsin orbits ti awọn patikulu ni a ipin ohun imuyara ti kuro ihamọ lori awọn pirotonu agbara ati iranwo ṣẹda a se àbájade accelerators (synchrotrons) fun elekitironi. Autophasing, awọn imuse ti awọn opo ti alakoso iduroṣinṣin, a timo lẹhin ti awọn ikole ti a kekere synchrocyclotron ni University of California ati awọn synchrotron ni England. Kó naa, akọkọ pirotonu PCM resonant ohun imuyara ti a da. Yi opo ti lo ni gbogbo awọn pataki pirotonu synchrotrons itumọ ti niwon lẹhinna.

Ni 1947, William Hansen, ni Stanford University ni California, itumọ ti akọkọ itanna PCM ohun imuyara ni rin igbi, eyi ti o ti lo makirowefu ọna ẹrọ eyi ti o ti a ti ni idagbasoke fun Reda nigba ti keji Ogun Agbaye.

Progress ninu iwadi ti a ṣe ṣee ṣe nipa jijẹ pirotonu agbara, eyi ti o yori si awọn ikole ti lailai o tobi accelerators. Yi aṣa jẹ ti awọn ga ẹrọ iye owo tobi oofa oruka ti a ti duro. Awọn ti wọn ni ayika 40,000 toonu. Awọn ọna fun jijẹ agbara lai ẹrọ iwọn idagbasoke won se ayewo ni nipa 1952 godu Livingstone, Courant ati Snyder a ilana ti alternating fojusi (ma npe ni lagbara fojusi). Synchrotrons ṣiṣẹ lori yi opo, lo oofa 100 ni igba kere ju ki o to. Iru fojusi ti lo ni gbogbo awọn igbalode synchrotrons.

Ni 1956 Kerst mọ pé o ba ti ni meji tosaaju ti patikulu ti wa ni idaduro lori intersecting orbits, o le wo awọn awọn wọn collide. Awọn ohun elo ti yi agutan ti a beere awọn ikojọpọ onikiakia opo ni waye, ti a npe ni akojo. Yi ọna ti ti waye kan ti o pọju agbara ti ibaraenisepo patikulu.