Лінейныя паскаральнікі зараджаных часціц. Як працуюць паскаральнікі зараджаных часціц. Навошта патрэбныя паскаральнікі зараджаных часціц?

Паскаральнік зараджаных часціц - гэта прылада, у якім ствараецца пучок электрычнаму зараджаных атамных або субатомных часціц, якія рухаюцца з околосветовыми хуткасцямі. У аснову яго працы пакладзена павелічэнне іх энергіі электрычным полем і змяненне траекторыі - магнітным.

Для чаго патрэбныя паскаральнікі зараджаных часціц?

Дадзеныя прылады знайшлі шырокае прымяненне ў розных галінах навукі і прамысловасці. На сённяшні дзень ва ўсім свеце іх налічваецца больш за 30 тысяч. Для фізіка паскаральнікі зараджаных часціц служаць інструментам фундаментальных даследаванняў структуры атамаў, характару ядзерных сіл, а таксама уласцівасцяў ядраў, якія ў прыродзе не сустракаюцца. Да апошніх ставяцца трансуранавых і іншыя няўстойлівыя элементы.

З дапамогай разраднай трубкі стала магчымым вызначэнне удзельнага зарада. Паскаральнікі зараджаных часціц таксама выкарыстоўваюцца для вытворчасці радиоизотопов, у прамысловай радиографии, прамянёвай тэрапіі, для стэрылізацыі біялагічных матэрыялаў, а таксама ў радыёвуглеродным аналізу. Самыя вялікія ўстаноўкі прымяняюцца ў даследаваннях фундаментальных узаемадзеянняў.

Час жыцця зараджаных часціц, якія спачываюць адносна паскаральніка, менш, чым у часціц, разагнаных да хуткасцяў, блізкіх да хуткасці святла. Гэта пацвярджае адноснасць прамежкаў часу СТО. Напрыклад, у ЦЕРН было дасягнута павелічэнне часу жыцця мюонов на хуткасці 0,9994c ў 29 разоў.

У дадзеным артыкуле разглядаецца тое, як уладкованы і працуе паскаральнік зараджаных часціц, яго развіццё, розныя тыпы і адметныя рысы.

прынцыпы паскарэння

Незалежна ад таго, якія паскаральнікі зараджаных часціц вам вядомыя, усе яны валодаюць агульнымі элементамі. Па-першае, усе яны павінны мець крыніца электронаў у выпадку тэлевізійнага кінескопа або электронаў, пратонаў і іх антычасцінка у выпадку больш буйных установак. Акрамя таго, усе яны павінны мець электрычныя палі для паскарэння часціц і магнітныя палі для кіравання іх траекторыяй. Акрамя таго, вакуум у паскаральніку зараджаных часціц (10 ^-11 мм рт. Арт.), Т. Е. Мінімальная колькасць рэшткавага паветра, неабходны для забеспячэння доўгага часу жыцця пучкоў. І, нарэшце, усе ўстаноўкі павінны валодаць сродкамі рэгістрацыі, падліку і вымярэння паскораных часціц.

генерацыя

Электроны і пратоны, якія найбольш часта выкарыстоўваюцца ў паскаральніках, сустракаюцца ва ўсіх матэрыялах, а спачатку іх трэба з іх вылучыць. Электроны, як правіла, генеруюцца сапраўды гэтак жа, як у кінескопе - у прыладзе, якое называецца «гарматай». Яна ўяўляе сабой катод (адмоўны электрод) у вакууме, які награваецца да стану, калі электроны пачынаюць адрывацца ад атамаў. Адмоўна зараджаныя часціцы прыцягваюцца да анода (дадатнага электрода) і праходзяць праз выпускное адтуліну. Сама гармата таксама з'яўляецца найпростым паскаральнікам, так як электроны рухаюцца пад дзеяннем электрычнага поля. Напружанне паміж катодам і анодам, як правіла, знаходзіцца ў межах 50-150 кВ.

Акрамя электронаў, ва ўсіх матэрыялах ўтрымліваюцца пратоны, але з адзіночных пратонаў складаюцца толькі ядра атамаў вадароду. Таму крыніцай часціц для паскаральнікаў пратонаў з'яўляецца газападобны вадарод. У гэтым выпадку газ іянізуе і пратоны выходзяць праз адтуліну. У вялікіх паскаральніках пратоны часта ўтвараюцца ў выглядзе адмоўных іёнаў вадароду. Яны ўяўляюць сабой атамы з дадатковым электронам, якія з'яўляюцца прадуктам іянізацыі двухатомные газу. З адмоўна зараджанымі іёнамі вадароду на пачатковых этапах працаваць лягчэй. Потым іх прапускаюць праз тонкую фальгу, якая пазбаўляе іх электронаў перад фінальнай стадыяй паскарэння.

разгон

Як працуюць паскаральнікі зараджаных часціц? Ключавой асаблівасцю любога з іх з'яўляецца электрычнае поле. Найпросты прыклад - раўнамернае статычнае полі паміж станоўчымі і адмоўным электрычнымі патэнцыяламі, падобнае таму, якое існуе паміж высновамі электрычнай батарэі. У такім полі электрон, які нясе адмоўны зарад, схільны дзеянню сілы, якая накіроўвае яго да станоўчага патэнцыялу. Яна паскарае яго, і, калі няма нічога, што б гэтаму перашкаджала, яго хуткасць і энергія ўзрастаюць. Электроны, якія рухаюцца ў бок станоўчага патэнцыялу па дроту або нават у паветры, сутыкаюцца з атамамі і губляюць энергію, але калі яны знаходзяцца ў вакууме, то паскараюцца па меры набліжэння да анода.

Напружанне паміж пачатковым і канчатковым становішчам электрона вызначае набытую ім энергію. Пры руху праз рознасць патэнцыялаў у 1 У яна роўная 1 электрон-вольт (эв). Гэта эквівалентна 1,6 × 10 ^-19 Джоўля. Энергія які ляціць камара ў трыльён раз больш. У кінескопе электроны разганяюцца напругай звыш 10 кВ. Многія паскаральнікі дасягаюць значна больш высокіх энергій, вымяраных мега-, гіга- і тераэлектрон-вольтамі.

разнавіднасці

Некаторыя самыя раннія віды паскаральнікаў зараджаных часціц, такія як умножитель напружання і генератар Ван-дэ-Граафа, выкарыстоўвалі пастаянныя электрычныя палі, ствараемыя патэнцыяламі да мільёна вольт. З такімі высокімі высілкамі працаваць нялёгка. Больш практычнай альтэрнатывай з'яўляецца паўтаральнае дзеянне слабых электрычных палёў, якiя ствараюцца нізкімі патэнцыяламі. Гэта прынцып выкарыстоўваецца ў двух тыпах сучасных паскаральнікаў - лінейных і цыклічных (галоўным чынам у цыклатрон і сынхроны). Лінейныя паскаральнікі зараджаных часціц, коратка кажучы, прапускаюць іх адзін раз праз паслядоўнасць паскараюць палёў, у той час як у цыклічным яны шматкроць рухаюцца па кругавой траекторыі праз адносна невялікія электрычныя поля. У абодвух выпадках канчатковая энергія часціц залежыць ад сумарнага дзеянні палёў, так што многія малыя «штуршкі» складаюцца разам, каб даць сукупны эфект аднаго вялікага.

Паўтаральны структура лінейнага паскаральніка для стварэння электрычных палёў натуральным чынам мяркуе выкарыстанне пераменнага, а не пастаяннага напружання. Станоўча зараджаныя часціцы паскараюцца да адмоўнага патэнцыялу і атрымліваюць новы штуршок, калі праходзяць міма станоўчага. На практыцы напружанне павінна змяняцца вельмі хутка. Напрыклад, пры энергіі 1 МЭВ пратон рухаецца на вельмі высокіх хуткасцях, якія складаюць 0,46 хуткасці святла, праходзячы 1,4 м за 0,01 мс. Гэта азначае, што ў якая паўтараецца структуры даўжынёй у некалькі метраў, электрычныя палі павінны змяняць кірунак з частатой, па меншай меры, 100 МГц. Лінейныя і цыклічныя паскаральнікі зараджаных часціц, як правіла, разганяюць іх з дапамогай зменных электрычных палёў частатой ад 100 да 3000 Мгц, т. Е. У межах ад радыёхваляў да мікрахваляў.

Электрамагнітная хваля з'яўляецца камбінацыяй зменных электрычных і магнітных палёў, што вагаюцца перпендыкулярна адзін да аднаго. Ключавым момантам паскаральніка з'яўляецца налада хвалі такім чынам, каб пры прыбыцці часціцы электрычнае поле было накіравана ў адпаведнасці з вектарам паскарэння. Гэта можа быць зроблена з дапамогай стаялай хвалі - камбінацыі хваляў, якія рухаюцца ў процілеглых кірунках у замкнёнай прасторы, як гукавыя хвалі ў арганнай трубе. Альтэрнатыўным варыянтам для вельмі хутка перамяшчаюцца электронаў, хуткасць якіх набліжаецца да хуткасці святла, з'яўляецца бягучы хваля.

Автофазировка

Важным эфектам пры паскарэнні у пераменным электрычным полі з'яўляецца «автофазировка». У адным цыкле ваганні пераменнае поле праходзіць ад нуля праз максімальнае значэнне зноў да нуля, падае да мінімуму і падымаецца да нуля. Такім чынам, яно двойчы праходзіць праз значэнне, неабходнае для паскарэння. Калі часціца, хуткасць якой ўзрастае, прыбывае занадта рана, то на яе не будзе дзейнічаць поле дастатковай сілы, і штуршок будзе слабым. Калі яна дасягне наступнага ўчастка, то спозніцца і адчуе больш моцнае ўздзеянне. У выніку адбудзецца автофазировка, часціцы будуць знаходзіцца ў фазе з полем у кожнай паскарае вобласці. Іншым эфектам будзе іх групоўка ў часе з адукацыяй згусткаў, а не бесперапыннага патоку.

кірунак пучка

Важную ролю ў тым, як уладкованы і працуе паскаральнік зараджаных часціц, гуляюць і магнітныя палі, бо яны могуць змяняць кірунак іх руху. Гэта азначае, што іх можна выкарыстоўваць для «згінання» пучкоў па кругавой траекторыі, каб яны некалькі разоў праходзілі праз адзін і той жа паскарае ўчастак. У найпростым выпадку на зараджаную часціцу, якая рухаецца пад прамым вуглом да кірунку аднастайнага магнітнага поля, дзейнічае сіла, перпендыкулярная як да вектару яе перамяшчэння, так і да поля. Гэта прымушае пучок рухацца па кругавой траекторыі перпендыкулярнай полі, пакуль ён не выйдзе з вобласці яе дзеяння або іншая сіла не пачне дзейнічаць на яго. Гэты эфект выкарыстоўваецца ў цыклічных паскаральніках, такіх як цыклатрон і сынхроны. У цыклатрон пастаяннае поле ствараецца вялікім магнітам. Часціцы па меры росту іх энергіі рухаюцца па спіралі вонкі, паскараючыся з кожным абаротам. У сынхроны згусткі перамяшчаюцца па кольцы з пастаянным радыусам, а поле, якое ствараецца электрамагнітамі вакол кольцы, павялічваецца, паколькі часціцы паскараюцца. Магніты, якія забяспечваюць «выгіб», уяўляюць сабой дыполі з паўночным і паўднёвым полюсамі, сагнутымі ў выглядзе падковы такім чынам, што пучок можа праходзіць паміж імі.

Другой важнай функцыяй электрамагнітаў з'яўляецца канцэнтрацыя пучкоў, каб яны былі настолькі вузкімі і інтэнсіўныя, наколькі гэта магчыма. Найпростая форма факусуюць магніта - з чатырма полюсамі (двума паўночнымі і двума паўднёвымі), размешчанымі насупраць адзін аднаго. Яны штурхаюць часціцы да цэнтра ў адным кірунку, але дазваляюць ім распаўсюджвацца ў перпендыкулярным. Квадрупольны магніты факусуюць прамень па гарызанталі, дазваляючы яму выйсці з фокусу вертыкальна. Для гэтага яны павінны выкарыстоўвацца парамі. Для больш дакладнай факусоўкі таксама выкарыстоўваюцца больш складаныя магніты з вялікім лікам палюсоў (6 і 8).

Паколькі энергія часціц ўзрастае, сіла магнітнага поля, накіроўвалая іх, павялічваецца. Гэта ўтрымлівае пучок на адной траекторыі. Згустак ўводзяць у кола і паскараюць да неабходнай энергіі, перш чым ён будзе выведзены і выкарыстаны ў эксперыментах. Адвод дасягаецца за кошт электрамагнітаў, якія ўключаюцца, каб выпхнуць часціцы з сынхроны кольца.

сутыкненне

Паскаральнікі зараджаных часціц, якія выкарыстоўваюцца ў медыцыне і прамысловасці, у асноўным вырабляюць пучок для канкрэтнай мэты, напрыклад, для прамянёвай тэрапіі або імплантацыі іёнаў. Гэта азначае, што часціцы выкарыстоўваюцца адзін раз. На працягу многіх гадоў тое ж самае было дакладна для паскаральнікаў, якія выкарыстоўваюцца ў фундаментальных даследаваннях. Але ў 1970 гадах былі распрацаваны кольцы, у якіх два пучка цыркулююць у процілеглых кірунках і сутыкаюцца па ўсім контуры. Асноўным перавагай такіх установак з'яўляецца тое, што пры лабавым сутыкненні энергія часціц пераходзіць непасрэдна ў энергію ўзаемадзеяння паміж імі. Гэта кантрастуе з тым, што адбываецца, калі пучок сутыкаецца з спачываюць матэрыялам: у гэтым выпадку вялікая частка энергіі сыходзіць на прывядзенне матэрыялу мішэні ў рух, у адпаведнасці з прынцыпам захавання імпульсу.

Некаторыя машыны са сустрэчнымі пучкамі пабудаваныя з двума кольцамі, перасякальнымі ў двух і больш месцах, у якіх у процілеглых кірунках цыркулявалі часціцы аднаго тыпу. Больш распаўсюджаныя коллайдера з часціц і антычасцінка. Антычасцінка мае супрацьлеглы зарад звязанай з ёй часціцы. Напрыклад, пазітронна зараджаны станоўча, а электрон - адмоўна. Гэта азначае, што поле, якое паскарае электрон, запавольвае пазітронна, які рухаецца ў тым жа кірунку. Але калі апошні перамяшчаецца ў процілеглы бок, ён паскорыцца. Аналагічна электрон, які рухаецца праз магнітнае поле, будзе выгінацца налева, а пазітронна - направа. Але калі пазітронна перамяшчаецца насустрач, то яго шлях будзе па-ранейшаму адхіляцца направа, але па той жа крывой, што і электрон. Разам гэта азначае, што дадзеныя часціцы могуць рухацца па кольцы сынхроны дзякуючы адным і тым жа магнітам і паскарацца аднымі і тымі ж электрычнымі палямі ў процілеглых кірунках. Па гэтым прынцыпе створаны многія наймагутныя коллайдера на сустрэчных пучках, т. К. Патрабуецца толькі адно кольца паскаральніка.

Прамень у сынхроны ня рухаецца бесперапынна, а аб'яднаны ў «згусткі». Яны могуць мець некалькі сантыметраў у даўжыню і дзясятую долю міліметра ў дыяметры, і ўтрымліваюць каля 10 ¹² часціц. Гэта невялікая шчыльнасць, паколькі ў рэчыве падобных памераў утрымліваецца каля 10 ²³ атамаў. Таму, калі пучкі перасякаюцца са сустрэчнымі, існуе толькі невялікая верагоднасць таго, што часціцы будуць узаемадзейнічаць адзін з адным. На практыцы згусткі працягваюць рух па кольцы і сустракаюцца зноў. Глыбокі вакуум у паскаральніку зараджаных часціц (10 ^-11 мм рт. Арт.) Неабходны для таго, каб часціцы маглі цыркуляваць на працягу многіх гадзін без сутыкнення з малекуламі паветра. Таму кольцы яшчэ называюць накапіцельнымі, паколькі пучкі фактычна захоўваюцца ў іх на працягу некалькіх гадзін.

рэгістрацыя

Паскаральнікі зараджаных часціц у большасці сваёй могуць рэгістраваць тое, што адбываецца пры трапленні часціц у мішэнь ці ў іншай пучок, які рухаецца ў процілеглым кірунку. У тэлевізійным кінескопе электроны з гарматы б'юць у люмінафор на ўнутранай паверхні экрана і выпраменьваюць святло, які, такім чынам, узнаўляе перадаванае малюнак. У паскаральніках падобныя спецыялізаваныя дэтэктары рэагуюць на рассеяныя часціцы, але яны звычайна прызначаныя для стварэння электрычных сігналаў, якія могуць быць ператвораныя ў кампутарныя дадзеныя і прааналізаваны з дапамогай камп'ютэрных праграм. Толькі зараджаныя элементы ствараюць электрычныя сігналы, праходзячы праз матэрыял, напрыклад, шляхам ўзбуджэння або іянізацыі атамаў, і могуць быць выяўленыя непасрэдна. Нейтральныя часціцы, такія як нейтроны або фатоны, можна рэгістраваць апасродкавана праз паводзіны зараджаных часціц, якія прыводзяцца імі ў рух.

Існуе мноства спецыялізаваных дэтэктараў. Некаторыя з іх, такія як лічыльнік Гейгера, проста падлічваюць часціцы, а іншыя выкарыстоўваюцца, напрыклад, для запісу трэкаў, вымярэння хуткасці або колькасці энергіі. Сучасныя дэтэктары па памеры і тэхналогіі вар'іруюць ад невялікіх прылад з зарядовой сувяззю да вялікіх запоўненых газам камер з правадамі, якія рэгіструюць іянізаваныя сляды, ствараемыя зараджанымі часціцамі.

гісторыя

Паскаральнікі зараджаных часціц у асноўным распрацоўваліся для даследаванняў уласцівасцяў атамных ядраў і элементарных часціц. Пачынаючы з адкрыцця брытанскага фізіка Эрнэста Рэзерфорда ў 1919 годзе рэакцыі ядра азоту і альфа-часціцы, усё даследаванні ў галіне ядзернай фізікі да 1932 году праводзіліся з ядрамі гелія, выпушчанымі ў выніку распаду натуральных радыеактыўных элементаў. Прыродныя альфа-часціцы валодаюць кінэтычнай энергіяй 8 МЭВ, але Радэрфорд лічыў, што для назірання распаду цяжкіх ядраў неабходна іх штучна паскорыць да яшчэ вялікіх значэнняў. У той час гэта ўяўлялася складаным. Аднак разлік, зроблены ў 1928 году Георгіем Гамава (у універсітэце Гётынгена, Германія), паказаў, што могуць быць выкарыстаны іёны са значна меншымі энергіямі, і гэта стымулявала спробы пабудаваць ўстаноўку, якая забяспечвала пучок, дастатковы для ядзерных даследаванняў.

Іншыя падзеі гэтага перыяду прадэманстравалі прынцыпы, па якіх паскаральнікі зараджаных часціц будуюцца і па гэты дзень. Першыя паспяховыя эксперыменты з штучна паскоранымі іёнамі былі праведзены Кокрофтом і Уолтанам ў 1932 годзе ў Кембрыджскім універсітэце. Выкарыстоўваючы умножитель напружання, яны паскорылі пратоны да 710 кэВ і паказалі, што апошнія рэагуюць з ядром літыя з утварэннем двух альфа-часціц. Да 1931 году ў Прынстанскім універсітэце ў Нью-Джэрсі Роберт Ван-дэ-Граафа пабудаваў першы раменнай электрастатычны генератар высокага патэнцыялу. Умножители напружання Кокрофта-Ўолтана і генератары Ван-дэ-Граафа па-ранейшаму выкарыстоўваюцца ў якасці крыніц энергіі для паскаральнікаў.

Прынцып лінейнага рэзананснага паскаральніка быў прадэманстраваны Рольф Видероэ ў 1928 г. У Рэйн-Вестфальскі тэхнічным універсітэце ў Аахене, Германія, ён выкарыстаў высокую пераменную напругу для паскарэння іёнаў натрыю і калія да энергій, у два разы перавышаюць паведамляць ім. У 1931 годзе ў Злучаных Штатах Эрнэст Лоўрэнс і яго памочнік Дэвід Слоун з Універсітэта Каліфорніі, Берклі, выкарыстоўвалі высокачашчынныя поля для паскарэння іёнаў ртуці да энергій, якія перавышаюць 1,2 МЭВ. Гэтая праца дапоўніла паскаральнік цяжкіх зараджаных часціц Видероэ, але іённыя пучкі не спатрэбіліся ў ядзерных даследаваннях.

Магнітны рэзанансны паскаральнік, або цыклатрон, быў задуманы Лоўрэнсам як мадыфікацыя ўстаноўкі Видероэ. Студэнт Лорэнса Лівінгстан прадэманстраваў прынцып цыклатрон ў 1931 годзе, вырабячы іёны з энергіяй ў 80 кэВ. У 1932 году Лоўрэнс і Лівінгстан абвясцілі аб паскарэнні пратонаў да больш за 1 МЭВ. Пазней у 1930-я гады энергія цыклатрон дасягнула каля 25 МЭВ, а генератараў Ван-дэ-Граафа - каля 4 МЭВ. У 1940 году Дональд Керсці, ужываючы вынікі дбайных разлікаў арбіты да канструкцыі магнітаў, пабудаваў у Універсітэце штата Ілінойс першы Бэтатрон, магнітна-індукцыйны паскаральнік электронаў.

Сучасная фізіка: паскаральнікі зараджаных часціц

Пасля Другой сусветнай вайны ў навуцы паскарэння часціц да высокіх энергій адбыўся хуткі прагрэс. Яго пачаў Эдвін Макмілан ў Берклі і Уладзімір Векслер ў Маскве. У 1945 году яны абодва незалежна адзін ад аднаго апісалі прынцып фазавай стабільнасці. Гэтая канцэпцыя прапануе сродкі падтрымання стабільных арбіт часціц ў цыклічным паскаральніку, што зняло абмежаванне на энергію пратонаў і дазволіла стварыць магнітна-рэзанансныя паскаральнікі (сынхроны) для электронаў. Автофазировка, рэалізацыя прынцыпу фазавай стабільнасці, была пацверджана пасля пабудовы невялікага синхроциклотрона ў Універсітэце Каліфорніі і сынхроны ў Англіі. Неўзабаве пасля гэтага быў створаны першы пратонны лінейны рэзанансны паскаральнік. Гэты прынцып выкарыстоўваецца ва ўсіх вялікіх пратонных сынхроны, пабудаваных з тых часоў.

У 1947 году Уільям Хансен, у Стэнфардскім універсітэце ў Каліфорніі пабудаваў першы лінейны паскаральнік электронаў на бягучым хвалі, які выкарыстоўваў тэхналогію ЗВЧ, якая была распрацавана для радараў падчас Другой сусветнай вайны.

Прагрэс у даследаваннях стаў магчымым за кошт павышэння энергіі пратонаў, што прывяло да пабудовы ўсё вялікіх паскаральнікаў. Гэтая тэндэнцыя была спыненая высокай коштам вырабу велізарных магнітаў кольца. Самы вялікі важыць каля 40000 тон. Спосабы павелічэння энергіі без росту памераў машын былі пра дэманстраваў ў 1952 годзе Лівінгстан, куранты і Снайдэра ў тэхніцы знаказменнай факусоўкі (часам званай моцнай факусоўкай). Сынхроны, якія працуюць на гэтым прынцыпе, выкарыстоўваюць магніты ў 100 разоў меншага памеру, чым да гэтага. Такая факусоўка ўжываецца ва ўсіх сучасных сынхроны.

У 1956 Керсці зразумеў, што калі два набору часціц ўтрымліваць на перасякальных арбітах, то можна назіраць іх сутыкнення. Прымяненне гэтай ідэі запатрабавала назапашвання паскораных пучкоў ў цыклах, званых накапіцельнымі. Гэтая тэхналогія дазволіла дасягнуць максімальнай энергіі ўзаемадзеяння часціц.