Историята на развитието на ускорители на частици

Обобщение на тема:

Историята на развитието на ускорители на частици

Натоварени ускорители на частици - устройства за получаване на заредени частици (електрони, протони, атомни ядра, йони) с висока енергия. Ускорението се извършва от електрическо поле може да променя енергията на частиците, които имат електрически заряд. Магнитно поле може да се променя само посоката на движение на заредени частици без промяна на стойността на тяхната скорост, така че ускорителят се използва за контролиране на движението на частиците (под формата на пътя). Обикновено, ускоряване на електрическото поле се създава от външно устройство (генератори). Но може би се ускори чрез използване на полета, създадени от други заредени частици; този метод ускорение се нарича колективно. Ускорителят на заредени частици да се разграничава от плазмени ускорители, които се ускоряват на средните неутрални електрически заредени частици (плазма).

Описание на ускорител на частици

Ускорител на частици - един от основните инструменти на съвременната физика. Ускорители са източници като основни греди на ускорени заредени частици и вторичното лъч частиците (мезон, неутрони, фотон, и др.), Получен чрез взаимодействие на първичен вещество с ускорени частици. Поредици от високо енергийни частици се използват за изучаване на същността и свойствата на елементарни частици, ядрена физика, физика твърдо състояние. Все повече и повече приложения се намират в изследванията в други области :. по химия, биофизика, геофизика. Разширяване стойност ускорител на заредени частици от различни енергийни варира в металургията - за откриване на дефекти на части и структури (Дефектоскопи) в дървообработващата промишленост - за бърза обработка на висококачествени продукти в хранителната промишленост - за стерилизация на продукти в медицината - за лъчева терапия, за "безкръвен хирургия "и редица други. индустрии.

Отправната точка е ускорител на източника на заредена частица. Например, източник на електрон може да бъде всяко парче топъл метал, от който електроните се набиват на очи непрекъснато и веднага се връщат. Ако са разположени в близост до телената мрежа и за прилагане на напрежение към него, тези електрони се издърпват до него и транспортирани чрез, екран-бърза анод, образувайки нискоенергийни лъч частици. Това е, което работи "Accelerator дом на 10 КЕВ" - електронно-лъчевата тръба, в старите телевизори с.

10 КЕВ - това е много малко енергия за изучаване на ядрените явления не е достатъчно. Затова ера ускорител инженерни физика, считано от началото на 1930-те години, когато имаше само две частица ускорение схема за енергии от около 1 MeV. През 1932 г., Джон Дъглас Cockcroft и Walton в Кеймбридж Erenst конструирана каскада от 800-kilovolt генератор DC, която е открита нова ера в експериментална ядрена физика. В първия експеримент, са насочени им ускори протон лъч на мишена на литиево-7 и наблюдава много реално ядрената реакция: литиев ядро ​​улавя протон и след това се разпада на две алфа частици.

Устройството е чисто Wideröe демонстрация. Първият "работен" линеен ускорител е построена през 1932 г. от служители на Cavendish лаборатория Джон Kokroft и Ърнест Уолтън на, след 19 години на присъждане на Нобелова награда. Този автомобил ускорява протони на енергия от 500 keV, което позволи на литий да се справи ядки: литиев ядро ​​улавя протон и след това се разпада на две алфа частици.

През 1930 г., системата (така наречените каскада генератор) се използва широко, но само за енергия до 1 MeV (в това си качество, той се използва за този ден). Но Ising схема има много по-добри възможности. Идеята е много проста. Натоварени източник на частиците листа и лети през вакуумната камера през множество коаксиални метални тръби кухи разположени по права линия. Тези тръби, доставяни променливо електрическо поле, че частиците "се чувства" само когато мухите целия разликата (вътре в тръбите се пресява). По този начин, частиците се движат в тръбите на инерция - отклонение (така наречената тръба и дрейф). Честотата на трептенията на електрически потенциал е избран така, че частиците се ускоряват и не инхибират време на преминаването на всяка празнина. Набиране изчислената енергия, частиците падат върху целта (на практика те са допълнително фокусиране, например чрез магнитни лещи). Ясно е, че параметрите на тръби плаващи определят от вида на частиците се ускоряват.

Лорънс иска да построи протон циклотрон 100 MeV, но законите на физиката се намесят. Отвъд прага 20 MeV протони се ускоряват толкова силно, че в сила формулата на относителността. Когато масата на частиците започва да нараства, честотата на лечението му, естествено намалява и частицата излиза от резонанс. Най-големите циклотрони построени в Националната лаборатория Oak Ridge в САЩ и в Стокхолм Нобеловата институт, могат да ускорят протони до 22 MeV и ядра на деутерий - до 24 MeV. За да се постигнат високи необходима енергия циклични ускорители, които могат да осигурят стабилна фаза съвпадение ускоряване поле частици движение. Циклотрона не е в състояние да. За относителни частици продължават да се ускори в резонансната режим, е необходимо или да постепенно увеличаване на интензитета на магнитното поле (по този начин намалява радиусът на пътя), или намаляване на честотата на трептене на електрическия потенциал на Dees, принуждавайки го да следват намаляването на скоростта на превръщане на частиците, или съвместно да променят параметрите на двете области. Нека, например, да работи с едно електрическо поле. Да предположим, че сме определили как да се намали честотата. Оказва се, че това не е достатъчно. Началната скорост на частиците, няма да бъдат едни и същи; В допълнение, по време на въздух изпомпване определена фракция от частиците се сблъскват с молекули и отбележи разбира се. Педалът на газта може да работи само ако с течение на времето броят на такива отклонения ще бъдат намалени и частиците се връщат в правилния път. В противен случай, всички частици бързо излизат от резонанс. И тук идва на помощ ефект на стабилност фаза, отворен независимо един от друг от Съветския учен Владимир Veksler подпомага от Евгения Feynberga и малко по-късно, американският Едвин Макмилан. Те показаха, че ускорителите на пръстен резонанс може да отиде граница циклотрон и диспергират частици почти всеки енергия - от специален режим на електрически потенциални колебания, които автоматично не коригира особено големи частици отклонение от изчислената фаза (наречен равновесие) и по този начин запазва резонансната ускорение , Ако не беше този режим, възможността за кръгови ускорители ще бъде ограничен до максимум енергия циклотрон (заслужава да се отбележи, че механизмът за стабилност фаза работи в линейни ускорители резонанс). След стабилност откритие фаза са създадени и се осъществява на различни метални дизайн ускорители. Машина с постоянно магнитно поле и електрическо поле на променлива честота в езика литература на английски език, наречен synchrocyclotron, и в Съветския - Phasotron. В synchrocyclotron като в циклотрона, частиците се движат по протежение на развиване спирала. Ускорители, в която частиците на растежа е съпроводено с увеличаване на енергията на магнитното поле, наречено synchrotrons. Synchrotrons конструирани във формата на пръстеновидни тунели заобиколени от електромагнити, така че частиците се движат в орбита където постоянен радиус. На честотата на електрон синхротрона електрическо поле е непроменена (тъй като там електроните се движат почти със скоростта на светлината), но най-синхротрон на протон тази цифра варира. Тези ускорители в СССР, с подаването на Уекслър, наречени синхротрона. Първата такава машина (Cosmotron) към вакуумна камера 23 м диаметър в Брукхейвън стартира през 1952 година. Първоначално протони ускорява до 2.3 GeV, и след приключване на пълна - до 3.3 GeV. През 1953 г. в университета в Бирмингам влезе в сила по-малко напреднали протон синхротрона 1 GeV. През следващите години, енергията им се увеличава до няколко GeV и многото им открития във физиката на частиците са били извършени. През 1954 г. той спечели на газта в Бъркли, който бе освободен година по-късно от енергията на 6.2 GeV (на него за първи път получиха антипротони). През 1957 г. тя стартира синхротрона в Дубна 10 GeV. Всички най-големите циклични протонни ускорители - synchrotrons.

В основата на много от днешните ускорители, като ГАК, на принципа на синхротрона.

Няколко години след физика Векслер и прозрения Macmillan реализират нов пробив по пътя към по-високи енергии. Всички магнитното поле тайна не само частици, но и техният фокус и резонансни кръгови ускорители. В cosmotron и други synchrotrons първо поколение частиците пътуване в магнитно поле, което постепенно намалява с увеличаване на радиус. Неговите силови линии са bochkoobrazuyu форма, при което частиците са насочени не само радиално, но също така и вертикално; с други думи, такова поле не позволява частици да напуснат равнината на орбитата. Такава магнитна конфигурация поле не е идеален. Тя ви позволява да се получи достатъчно широка греди (и за обстрела на цели би било по-добре да компресирате лъча значително повишаване на тяхната плътност) и също така изисква изграждането на много голям и следователно скъпи коли. Масата на система магнит Dubninskaya синхротрон, който реализира такъв фокус, е 36 000 тона. Разходите за системи с много по-голяма маса ще бъде извън всякакви разумни граници. Този проблем е решен в средата на миналия век. През 1949 godu гръцки физика Nicholas Hristofilos показа, че движението на частиците може да се контролира от голям брой съседни електромагнити, силно намаляване на променливо магнитно поле по радиуса на вакуумната камера с еднакво силно увеличение на него. Въпреки това, той представи резултатите си само под формата на заявка за патент, така че откриването му е след това остана незабелязано. Три години по-късно, на една и съща идея за американците дойде Ърнест Courant, Стенли Ливингстън и Хартланд Снайдер. Този метод се нарича силен фокус (от радиално падане поле, наречено слаб). Той затегна изискванията за регулиране на електрическото поле, ускоряване, но позволява по-добро фокусиране гредите радиално и вертикално и забавя растежа на ускорители размери.

Следващият етап в историята на газта технология е да се създаде ускорители - ускорители с сблъскващи греди, където двете греди на частици, за да се въртят в противоположни посоки и се сблъскват една с друга. Първоначално идеята беше изразена дори патентована през 1943 г. норвежкото физик Rolf Widerøe (Rolf Wideröe), но си даде сметка, не беше до началото на 1960, три независими екипи от изследователи: италианската група, водена от австрийската Бруно Touschek (Bruno Touschek), американците, водени от O'Neill Gerard (Gerard К. O'Neill) и Волфганг Panofsky (Волфганг KH Panofsky) и Новосибирск група, водена от G. Будкер.

До този момент всички експерименти са извършени с фиксирана цел. Когато висока енергийна частица удря фиксираните частици, произведени от сблъсък продукти летят напред с висока скорост и е на тяхна кинетична енергия се изразходва като основната част от енергията греди. Ако лети обърнат към един друг идентичен частици, по-голямата част от енергията си се изразходват по предназначение: за производство на частиците. Според формулите на релативистични механика, може да се изчисли общата енергия в CMS - тази част от първоначалната енергия на частиците могат да бъдат изразходвани за rozhdenienovyh частици. В първия случай става въпрос, а във втория случай 2Е. Ако частиците са ultrarelativistic, E >> MC 2. колайдер сблъскващи греди могат да бъдат произведени много по-тежки частици, отколкото по време на експериментите с фиксирана целта на една и съща енергия лъч.

Устройството за съединение на LHC

Сега бустери дойдоха при нея с ограничението за дизайн. Значително увеличение на енергия от частиците ще бъде възможно само ако линеен ускорител ще се реализира и по-ефективни методи за ускоряване на частици. Пробивът обещава метода на лазерна или лазерно плазма ускорение. В това кратко, но мощен лазерен импулс или веднага се диспергира заредени частици или създава смущение в плазмената облак, който улавя съсирека плаващи електрони и значително ускорява. За успешното прилагане на тази схема в рамките на газта все още трябва да преодолее много трудности (научете как да съшиваме множество ускоряващи елементи, за да се справят с голям ъглов разминаване, както и разпространението на ускорена енергия на частиците), но първите резултати са много обнадеждаващи.