ускорител на частици

Първите ускорители измислени и използвани за изучаване на ядрената физика в университета изследователски центрове, където те продължават да се подобряват през следващите десетилетия. С течение на времето, от областта на приложение на тези устройства е нараснал значително. Сега, повече от 12 000 ускорители работят в света, а само 1200 от тях - на научните изследвания (и те не служат само физиката, но и химия, биология, медицина, науката за материалите). 6000 ускорители са заети в производството на полупроводници и половина хиляди - с други високотехнологични производства, 4500 - в онкологичните клиники, около двеста и използвани за производството на радиоактивни изотопи. Така че по-голямата част от такива инсталации - "работни коне" на промишлеността и медицината. Въпреки това, най-големите ускорители (там са само няколко десетки), сега, както и преди, се използват за да проникне в тайните на микрокосмоса.

Смята се, че около колата да ускори заредени частици първо мислех Ръдърфорд изрази тази идея през 1927 г. на заседание на Кралското дружество. Но създатели на ядрената физика има предшественици.

През 1919 г. 17-годишният студент от Осло Rolf Widerøe прочетох във вестника, че Ръдърфорд счупи на парчета ядрото на азот, като ги бомбардира с алфа-частици, излъчвани от радий източник. Момче разбра, че скоростта на частиците и по този начин увеличават силата на удара, ако ги разпръсне в постоянно електрическо поле. В същото време, Ролф достатъчно запознат с физиката, за да се разбере, че по този начин не е най-добрият, тъй като необходимата потенциална разлика на милиони волта, за да получите изключително трудно. Ролф реши да разпръсне частиците, за да се използват уравненията на електродинамиката разследване, за което той знае нещо. След дипломирането Wideröe пътува до Германия проучване електротехника в Политехническия университет в Карлсруе, а три години по скицирани на газта верига подложка пръстен ускорява електроните чрез соленоидни електрическо поле, произведено (в пълно съответствие с уравненията на Максуел!) С периодичното изменение на магнитния поток. В действителност, обикновено електрически трансформатор, където един от намотките заменя вакуумна камера. Wideröe определи параметрите на магнитните полета, необходими за да се гарантира, че всички електрони може да набере скорост на една и съща кръгова орбита. Този проект е първият ускорител на частици в света, както и от гледна точка на теорията на абсолютно безупречно. И преди шоуто Ръдърфорд все още беше на четири години.

След защитата на дипломата си Ролф се връща у дома за военна служба, а след това отново заминава за Германия, за да работят по една теза. Както експериментатор, той решава да се отдаде схема си в жлеза. Wideröe предполага изграждане инсталация, ускорява електроните до 6 MeV, но тук го разочарова - електрони не искат да останат в стабилна орбита. От своя акцент дипол се изисква магнитно поле, но физиците са осъзнали, че е само на десет години по-късно през 1940 г., професор в Университета на Илинойс от Доналд Kerst построява първата функциониране при 2.3 MeV електрони индукция ускорител (сега тези машини се наричат ​​бетатрон в памет на онези времена, когато електроните се наричат ​​бета-частици, най-голямата в света на 300 MeV бетатрон, построени по същия Kerst, влезе в сила през 1950 година).

През 1943 г. той - изглежда, че на първо място в света - се разбере, че за да се подобри сблъсък на частици енергия, която може да се сблъска с главата напред, предмонтажен в тороидална вакуумна камера поставена в магнитно поле. Днес, тези устройства се наричат ​​пръстени за съхранение, Wideröe също ги наричат ​​"Ядрени вятърни мелници." Той патентова своя дизайн в Германия, но в условията на патента е класифицирана по време на войната. И двете от неговите идеи бяха реализирани, но много по-късно и други. първият пръстен съхранение в света е построен през 1961 г. в Националната лаборатория италианския в Фраскати Бруно трупове Wideröe-млади колеги. И той Wideröe успешно след войната е работил във фирмата, която произвежда Betatrons, прилагани в онкологичните болници като мощни рентгенови източници. Тя дойде при него и научно признание, макар и със закъснение - той става консултант в ЦЕРН и в немската лаборатория DESY физиката на високите енергии. Но се случи така, че широката общественост ученият известен с много по-малко в сравнение с други класики ускорителни технологии.

линейни ускорители
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. 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. Ако е електроните, които бързо се набира до скоростта на светлината, дължината на тръбите могат да бъдат еднакви. Тежки частици, протони и йони се ускоряват постепенно, така че те трябва да бъдат принудени чрез плаващи тръби за увеличаване на дължина. То е проектирано и предлагат Ising. След двадесет години я преоткрива американски Луис Алварес, а сега веригата е кръстен на него. През 1946 г., Алварес и Волфганг Panofsky построен в Бъркли, първата в света линеен ускорител, който е с тактова честота протони с енергия от 32 MeV, е достатъчно за експерименти в областта на ядрената физика. За да създадете поле ускоряване те използват части от радари, които, разбира се, не е било по времето на Ising. Алварес схема работи добре за ускоряване на протони до 200 MeV. По-висока енергийна получава чрез пътуващите вълноводи вълна, и се използват в електронен линейни ускорители.

Такова устройство може да бъде превърнато в ускорител. За тази цел, междините между Dees трябва да се прилагат с променлив електрическо поле, чиято честота съвпада с честотата на въртене на частиците (последното зависи от заряда, напрегнатост на магнитното поле и масата на частиците и е независимо от скоростта). С подходящи избор на фаза това резонантно ще разпръсне частици при преминаване на разликата между Dees - по същия начин, както в линеен ускорител ising-Alvarez. Тези, които ще отидат за повече и по-големи радиуси на размотаване спирала, докато не се изправят пред стената на камерата, или няма да бъде показван на целта.

синхронни бустери
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 постигне по-голяма енергия трябва 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 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.

фокусира фокус
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.

Всички споменати в тази статия на машината - това е ускорители със стационарни цели. Има и друг вид - ускорител. На тези настройки, както и оборудване за откриване на хранителни частици и сблъсъци при Големия адронен ускорител построен (още не са пуснати) в околностите на Жена

левиатани наука
Алексей Левин