Прискорювач заряджених частинок - це пристрій, в якому створюється пучок електрично заряджених атомних або субатомних частинок, що рухаються з навколосвітніми швидкостями. В основу його роботи покладено збільшення їх енергії електричним полем і зміну траєкторії - магнітним.
Для чого потрібні прискорювачі заряджених частинок?
Дані пристрої знайшли широке застосування в різних галузях науки і промисловості. На сьогоднішній день у всьому світі їх налічується понад 30 тисяч. Для фізика прискорювачі заряджених частинок служать інструментом фундаментальних досліджень структури атомів, характеру ядерних сил, а також властивостей ядер, які в природі не зустрічаються. До останніх належать трансуранові та інші нестійкі елементи.
За допомогою розрядної трубки стало можливим визначення питомого заряду. Прискорювачі заряджених частинок також використовуються для виробництва радіоізотопів, у промисловій радіографії, променевої терапії, для стерилізації біологічних матеріалів, а також у радіовуглецевому аналізі. Найбільші установки застосовуються в дослідженнях фундаментальних взаємодій.
Час життя заряджених частинок, що покояться відносно прискорювача, менший, ніж у частинок, розігнаних до швидкостей, близьких до швидкості світла. Це підтверджує відносність проміжків часу СТО. Наприклад, у ЦЕРН було досягнуто збільшення часу життя мюонів на швидкості 0,9994c у 29 разів.
У цій статті розглядається те, як влаштований і працює прискорювач заряджених частинок, його розвиток, різні типи і відмінні риси.
Принципи прискорення
Незалежно від того, які прискорювачі заряджених частинок вам відомі, всі вони мають загальні елементи. По-перше, всі вони повинні мати джерело електронів у разі телевізійного кінескопа або електронів, протонів і їх античастинок у разі більш великих установок. Крім того, всі вони повинні мати електричні поля для прискорення частинок і магнітні поля для управління їх траєкторією. Крім того, вакуум у прискорювачі заряджених частинок (10-11 мм рт. ст.), тобто мінімальна кількість залишкового повітря, необхідна для забезпечення тривалого часу життя пучків. І, нарешті, всі установки повинні володіти засобами реєстрації, підрахунку та вимірювання прискорених частинок.
Створення
Електрони і протони, які найбільш часто використовуються в прискорювачах, зустрічаються у всіх матеріалах, але спершу їх потрібно з них виділити. Електрони, як правило, генеруються точно так само, як у кінескопі - в пристрої, який називається «гарматою». Вона являє собою катод (негативний електрод) у вакуумі, який нагрівається до стану, коли електрони починають відриватися від атомів. Негативно заряджені частинки притягуються до аноду (позитивного електроду) і проходять через випускний отвір. Сама гармата також є найпростішим прискорювачем, оскільки електрони рухаються під дією електричного поля. Напруга між катодом і анодом, як правило, знаходиться в межах 50-150 кВ.
Крім електронів, у всіх матеріалах містяться протони, але з одиночних протонів складаються лише ядра атомів водню. Тому джерелом частинок для прискорювачів протонів є газоподібний водень. У цьому випадку газ іонізується і протони виходять через отвір. У великих прискорювачах протони часто утворюються у вигляді негативних іонів водню. Вони являють собою атоми з додатковим електроном, які є продуктом іонізації двохатомного газу. З негативно зарядженими іонами водню на початкових етапах працювати легше. Потім їх пропускають через тонку фольгу, яка позбавляє їх електронів перед фінальною стадією прискорення.
Розгін
Як працюють прискорювачі заряджених частинок? Ключовою особливістю будь-якого з них є електричне поле. Найпростіший приклад - рівномірне статичне поле між позитивними і негативним електричними потенціалами, подібне до того, яке існує між висновками електричної батареї. У такому полі електрон, що несе негативний заряд, схильний до дії сили, яка направляє його до позитивного потенціалу. Вона прискорює його, і, якщо немає нічого, що б цьому перешкоджало, його швидкість і енергія зростають. Електрони, що рухаються в бік позитивного потенціалу по проводу або навіть у повітрі, стикаються з атомами і втрачають енергію, але якщо вони знаходяться у вакуумі, то прискорюються у міру наближення до аноду.
Напруга між початковим і кінцевим положенням електрона визначає придбану ним енергію. При русі через різність потенціалів в 1 В вона дорівнює 1 електрон-вольту (еВ). Це еквівалентно 1,6 плечей 10-19 джоуля. Енергія комара в трильйон разів більша. У кінескопі електрони розганяються напругою понад 10 кВ. Багато прискорювачів досягають набагато вищих енергій, вимірюваних мега-, гіга- і тераелектрон-вольтами.
Різновиди
Деякі найбільш ранні види прискорювачів заряджених частинок, такі як множник напруги і генератор Ван-де-Граафа, використовували постійні електричні поля, створювані потенціалами до мільйона вольт. З такими високими напругами працювати нелегко. Більш практичною альтернативою є повторювана дія слабких електричних полів, створюваних низькими потенціалами. Цей принцип використовується у двох типах сучасних прискорювачів - лінійних і циклічних (головним чином у циклотронах і синхротронах). Лінійні прискорювачі заряджених частинок, коротко кажучи, пропускають їх один раз через послідовність прискорюючих полів, в той час як в циклічному вони багаторазово рухаються по круговій траєкторії через відносно невеликі електричні поля. В обох випадках кінцева енергія частинок залежить від сумарної дії полів, так що багато малих «поштовхів» складаються разом, щоб дати сукупний ефект одного великого.
Структура лінійного прискорювача для створення електричних полів природним чином передбачає використання змінної, а не постійної напруги. Позитивно заряджені частинки прискорюються до негативного потенціалу і отримують новий поштовх, якщо проходять повз позитивний. На практиці напруга має змінюватися дуже швидко. Наприклад, при енергії 1 МеВ протон рухається на дуже високих швидкостях, що становлять 0,46 швидкості світла, проходячи 1,4 м за 0,01 мс. Це означає, що в повторюваній структурі довжиною в кілька метрів, електричні поля повинні змінювати напрямок з частотою, щонайменше, 100 МГц. Лінійні та циклічні прискорювачі заряджених частинок, як правило, розганяють їх за допомогою змінних електричних полів частотою від 100 до 3000 МГц, тобто в межах від радіохвиль до мікрохвиль.
Електромагнітна хвиля є комбінацією змінних електричних і магнітних полів, що коливаються перпендикулярно один до одного. Ключовим моментом прискорювача є налаштування хвилі таким чином, щоб при прибутті частинки електричне поле було направлено відповідно до вектору прискорення. Це може бути зроблено за допомогою стоячої хвилі - комбінації хвиль, що рухаються в протилежних напрямках в замкнутому просторі, як звукові хвилі в органній трубі. Альтернативним варіантом для електронів, що швидко переміщаються, швидкість яких наближається до швидкості світла, є біжуча хвиля.
Автофазування
Важливим ефектом при прискоренні в змінному електричному полі є «автофазування». В одному циклі коливання змінне поле проходить від нуля через максимальне значення знову до нуля, падає до мінімуму і піднімається до нуля. Таким чином, воно двічі проходить через значення, необхідне для прискорення. Якщо частинка, швидкість якої зростає, прибуває занадто рано, то на неї не буде діяти поле достатньої сили, і поштовх буде слабким. Коли вона досягне наступної ділянки, то запізниться і зазнає більш сильного впливу. У результаті відбудеться автофазування, частинки будуть перебувати у фазі з полем у кожній прискорюючій області. Іншим ефектом буде їх угруповання в часі з утворенням згустків, а не безперервного потоку.
Напрямок пучка
Важливу роль у тому, як влаштований і працює прискорювач заряджених частинок, відіграють і магнітні поля, оскільки вони можуть змінювати напрямок їхнього руху. Це означає, що їх можна використовувати для «згинання» пучків по круговій траєкторії, щоб вони кілька разів проходили через одну і ту ж прискорюючу ділянку. У найпростішому випадку на заряджену частинку, що рухається під прямим кутом до лав напрямку однорідного магнітного поля, діє сила, перпендикулярна як до вектора її переміщення, так і до поля. Це змушує пучок рухатися по круговій траєкторії перпендикулярною полю, поки він не вийде з області її дії або інша сила не почне діяти на нього. Цей ефект використовується в циклічних прискорювачах, таких як циклотрон і синхротрон. У циклотроні постійне поле створюється великим магнітом. Частинки по мірі зростання їх енергії рухаються по спіралі назовні, прискорюючись з кожним оборотом. У синхротроні згустки переміщуються по кільцю з постійним радіусом, а поле, створюване електромагнітами навколо кільця, збільшується, оскільки частинки прискорюються. Магніти, що забезпечують «вигин», являють собою диполі з північним і південним полюсами, зігнутими у вигляді підкови таким чином, що пучок може проходити між ними.
Другою важливою функцією електромагнітів є концентрація пучків, щоб вони були настільки вузькими і інтенсивними, наскільки це можливо. Найпростіша форма фокусуючого магніту - з чотирма полюсами (двома північними і двома південними), розташованими навпроти один одного. Вони штовхають частинки до центру в одному напрямку, але дозволяють їм поширюватися в перпендикулярному. Квадрупольні магніти фокусують промінь по горизонталі, дозволяючи йому вийти з фокусу вертикально. Для цього вони повинні використовуватися попарно. Для більш точного фокусування також використовуються більш складні магніти з великою кількістю полюсів (6 і 8).
Оскільки енергія частинок зростає, сила магнітного поля, що направляє їх, збільшується. Це утримує пучок на одній траєкторії. Згусток вводять у кільце і прискорюють до необхідної енергії, перш ніж він буде виведений і використаний в експериментах. Відведення досягається за рахунок електромагнітів, які включаються, щоб виштовхнути частинки з синхротронного кільця.
Зіткнення
Прискорювачі заряджених частинок, що використовуються в медицині та промисловості, в основному виробляють пучок для конкретної мети, наприклад, для променевої терапії або імплантації іонів. Це означає, що частинки використовуються один раз. Протягом багатьох років те ж саме було вірно для прискорювачів, застосовуваних у фундаментальних дослідженнях. Але в 1970 роках були розроблені кільця, в яких два пучки циркулюють у протилежних напрямках і стикаються по всьому контуру. Основною перевагою таких установок є те, що при лобовому зіткненні енергія частинок переходить безпосередньо в енергію взаємодії між ними. Це контрастує з тим, що відбувається, коли пучок стикається з матеріалом: у цьому випадку більша частина енергії йде на приведення матеріалу мішені в рух, відповідно до принципу збереження імпульсу.
Деякі машини із зустрічними пучками побудовані з двома кільцями, що перетинаються в двох і більше місцях, в яких у протилежних напрямках циркулювали частинки одного типу. Більш поширені колайдери з частинками та античастинками. Античастинка має протилежний заряд пов'язаної з нею частинки. Наприклад, позитрон заряджений позитивно, а електрон - негативно. Це означає, що поле, яке прискорює електрон, уповільнює позитрон, що рухається в тому ж напрямку. Але якщо останній переміщається в протилежну сторону, він прискориться. Аналогічно електрон, що рухається через магнітне поле, буде згинатися наліво, а позитрон - вправо. Але якщо позитрон переміщається назустріч, то його шлях буде як і раніше відхилятися вправо, але по тій же кривій, що і електрон. Разом це означає, що дані частинки можуть рухатися по кільцю синхротрону завдяки одним і тим же магнітам і прискорюватися одними і тими ж електричними полями в протилежних напрямках. За цим принципом створено багато найпотужніших колайдерів на зустрічних пучках, оскільки потрібно тільки одне кільце прискорювача.
Промінь у синхротроні не рухається безперервно, а об'єднаний у «згустки». Вони можуть мати кілька сантиметрів у довжину і десяту частку міліметра в діаметрі, і містять близько 1012 частинок. Це невелика щільність, оскільки в речовині подібних розмірів міститься близько 1023 атомів. Тому, коли пучки перетинаються зі зустрічними, існує лише невелика ймовірність того, що частинки будуть взаємодіяти один з одним. На практиці згустки продовжують рух кільцем і зустрічаються знову. Глибокий вакуум у прискорювачі заряджених частинок (10-11 мм рт. ст.) необхідний для того, щоб частинки могли циркулювати протягом багатьох годин без зіткнення з молекулами повітря. Тому кільця ще називають накопичувальними, оскільки пучки фактично зберігаються в них протягом декількох годин.
Реєстрація
Прискорювачі заряджених частинок в більшості своїй можуть реєструвати те, що відбувається при попаданні частинок в мішень або в інший пучок, що рухається в протилежному напрямку. У телевізійному кінескопі електрони з гармати вдаряють у люмінофор на внутрішній поверхні екрану і випромінюють світло, яке, таким чином, відтворює передане зображення. У прискорювачах подібні спеціалізовані детектори реагують на розсіяні частинки, але вони зазвичай призначені для створення електричних сигналів, які можуть бути перетворені в комп'ютерні дані і проаналізовані за допомогою комп'ютерних програм. Тільки заряджені елементи створюють електричні сигнали, проходячи через матеріал, наприклад, шляхом збудження або іонізації атомів, і можуть бути виявлені безпосередньо. Нейтральні частинки, такі як нейтрони або фотони, можна реєструвати опосередковано через поведінку заряджених частинок, які приводяться ними в рух.
Існує безліч спеціалізованих детекторів. Деякі з них, такі як лічильник Гейгера, просто підраховують частинки, а інші використовуються, наприклад, для запису треків, вимірювання швидкості або кількості енергії. Сучасні детектори за розміром і технологією варіюють від невеликих пристроїв із зарядовим зв'язком до великих заповнених газом камер з дротами, які реєструють іонізовані сліди, створювані зарядженими частинками.
Історія
Прискорювачі заряджених частинок в основному розроблялися для досліджень властивостей атомних ядер і елементарних частинок. Починаючи з відкриття британського фізика Ернеста Резерфорда в 1919 році реакції ядра азоту і альфа-частинки, всі дослідження в галузі ядерної фізики до 1932 року проводилися з ядрами гелію, випущеними в результаті розпаду природних радіоактивних елементів. Природні альфа-частинки володіють кінетичною енергією 8 МеВ, але Резерфорд вважав, що для спостереження розпаду важких ядер необхідно їх штучно прискорити до ще більших значень. У той час це представлялося складним. Однак розрахунок, зроблений 1928 року Георгієм Гамовим (в університеті Геттінгена, Німеччина), показав, що можуть бути використані іони зі значно меншими енергіями, і це стимулювало спроби побудувати установку, яка забезпечувала пучок, достатній для ядерних досліджень.
Інші події цього періоду продемонстрували принципи, за якими прискорювачі заряджених частинок будуються й донині. Перші успішні експерименти зі штучно прискореними іонами були проведені Кокрофтом і Уолтоном в 1932 році в Кембриджському університеті. Використовуючи множник напруги, вони прискорили протони до 710 кЕв і показали, що останні реагують з ядром літію з утворенням двох альфа-частинок. До 1931 року в Прінстонському університеті в Нью-Джерсі Роберт Ван-де-Грааф побудував перший ремінний електростатичний генератор високого потенціалу. Множники напруги Кокрофта-Уолтона і генератори Ван-де-Граафа як і раніше використовуються як джерела енергії для прискорювачів.
Принцип лінійного резонансного прискорювача був продемонстрований Рольфом Відерое в 1928 р. Німеччина, він використовував високу змінну напругу для прискорення іонів натрію і калію до енергій, У 1931 році в Сполучених Штатах Америки Ернест Лоуренс і його помічник Девід Слоун з Університету Каліфорнії, Берклі, використовували високочастотні поля для прискорення іонів ртуті до енергій, що перевищують 1,2 МЕВ. Ця робота доповнила прискорювач важких заряджених частинок Відерое, але іонні пучки не стали в нагоді в ядерних дослідженнях.
Магнітний резонансний прискорювач, або циклотрон, був задуманий Лоуренсом як модифікація установки Відерое. Студент Лоренса Лівінгстон продемонстрував принцип циклотрона в 1931 році, виробивши іони з енергією в 80 кЕв. У 1932 році Лоуренс і Лівінгстон оголосили про прискорення протонів до понад 1 МЕВ. Пізніше в 1930-ті роки енергія циклотронів досягла близько 25 МеВ, а генераторів Ван-де-Граафа - близько 4 МЕВ. У 1940 році Дональд Керст, застосовуючи результати ретельних розрахунків орбіти до конструкції магнітів, побудував в Університеті штату Іллінойс перший бетатрон, магнітно-індукційний прискорювач електронів.
Сучасна фізика: прискорювачі заряджених частинок
Після Другої світової війни в науці прискорення частинок до високих енергій стався швидкий прогрес. Його розпочав Едвін Макміллан у Берклі та Володимир Векслер у Москві. У 1945 році вони обидва незалежно один від одного описали принцип фазової стабільності. Ця концепція пропонує засоби підтримки стабільних орбіт частинок у циклічному прискорювачі, що зняло обмеження на енергію протонів і дозволило створити магнітно-резонансні прискорювачі (синхротрони) для електронів. Автофазування, реалізація принципу фазової стабільності, була підтверджена після побудови невеликого синхроциклотрону в Університеті Каліфорнії і синхротрону в Англії. Незабаром після цього було створено перший протонний лінійний резонансний прискорювач. Цей принцип використовується у всіх великих протонних синхротронах, побудованих з тих пір.
У 1947 році Вільям Хансен, у Стенфордському університеті в Каліфорнії побудував перший лінійний прискорювач електронів на хвилі, що біжить, використовував технологію СВЧ, яка була розроблена для радарів під час Другої світової війни.
Прогрес у дослідженнях став можливим за рахунок підвищення енергії протонів, що призвело до побудови все більших прискорювачів. Ця тенденція була зупинена високою вартістю виготовлення величезних магнітів кільця. Найбільший важить близько 40000 тонн. Способи збільшення енергії без зростання розмірів машин були про демонстровані в 1952 році Лівінгстоном, Курантом і Снайдером в техніці знакоперемінного фокусування (іноді званого сильним фокусуванням). Синхротрони, що працюють на цьому принципі, використовують магніти в 100 разів меншого розміру, ніж до цього. Таке фокусування застосовується у всіх сучасних синхротронах.
У 1956 році Керст зрозумів, що якщо два набори частинок утримувати на орбітах, що перетинаються, то можна спостерігати їх зіткнення. Застосування цієї ідеї зажадало накопичення прискорених пучків у циклах, званих накопичувальними. Ця технологія дозволила досягти максимальної енергії взаємодії частинок.
