En partikelaccelerator er en enhed, der skaber en stråle af elektrisk ladede atomare eller subatomare partikler, der bevæger sig med hastigheder nær lys. Dens arbejde er baseret på en stigning i deres energi med et elektrisk felt og en ændring i banen - med en magnetisk.
Hvad er partikelacceleratorer til?
Disse enheder er meget udbredt inden for forskellige områder af videnskab og industri. I dag er der mere end 30 tusinde af dem over hele verden. For en fysiker tjener partikelacceleratorer som et værktøj til grundlæggende forskning i atomernes struktur, kernekræfternes natur og egenskaberne af kerner, der ikke forekommer i naturen. Sidstnævnte omfatter transuranium og andre ustabile grundstoffer.
Ved hjælp af et udledningsrør blev det muligt at bestemme den specifikke ladning. Partikelacceleratorer bruges også til fremstilling af radioisotoper, i industriel radiografi, i stråleterapi, i sterilisering af biologiske materialer og i radiocarbonanalyse. De største installationer bruges i studiet af fundamentale interaktioner.
Levetiden for ladede partikler i hvile i forhold til acceleratoren er kortere end for partikler, der accelereres til hastigheder tæt på lysets hastighed. Dette bekræfter relativiteten af SRT-tidsintervaller. For eksempel blev der på CERN opnået en 29-dobling af levetiden for myoner ved en hastighed på 0,9994c.
Denne artikel diskuterer, hvordan en partikelaccelerator fungerer, dens udvikling, forskellige typer og karakteristiske træk.
Accelerationsprincipper
Uanset hvilke partikelacceleratorer du kender, har de alle fælles elementer. For det første skal de alle have en kilde til elektroner i tilfælde af et tv-kinescope, eller elektroner, protoner og deres antipartikler i tilfælde af større installationer. Derudover skal de alle have elektriske felter for at accelerere partiklerne og magnetiske felter for at styre deres bane. Derudover er vakuummet i partikelacceleratoren (10-11 mm Hg), dvs. minimumsmængden af restluft, nødvendigt for at sikre en lang levetid for bjælkerne. Og endelig skal alle installationer have midlerne til at registrere, tælle og måle accelererede partikler.
Generation
Elektroner og protoner, som oftest bruges i acceleratorer, findes i alle materialer, men først skal de isoleres fra dem. Elektroner genereres norm altligesom i et kinescope - i en enhed kaldet en "pistol". Det er en katode (negativ elektrode) i et vakuum, som opvarmes til det punkt, hvor elektroner begynder at bryde væk fra atomer. Negativt ladede partikler tiltrækkes af anoden (positiv elektrode) og passerer gennem udløbet. Selve pistolen er også den enkleste accelerator, da elektronerne bevæger sig under påvirkning af et elektrisk felt. Spændingen mellem katoden og anoden er norm alt mellem 50-150 kV.
Udover elektroner indeholder alle materialer protoner, men kun kernerne af brintatomer består af enkelte protoner. Derfor er kilden til partikler for protonacceleratorer gasformigt brint. I dette tilfælde ioniseres gassen, og protonerne slipper ud gennem hullet. I store acceleratorer produceres protoner ofte som negative brintioner. De er atomer med en ekstra elektron, som er produktet af ionisering af en diatomisk gas. Det er lettere at arbejde med negativt ladede brintioner i de indledende faser. Derefter føres de gennem en tynd folie, der fratager dem elektroner før det sidste trin af accelerationen.
Acceleration
Hvordan fungerer partikelacceleratorer? Nøgletræk ved enhver af dem er det elektriske felt. Det enkleste eksempel er et ensartet statisk felt mellem positive og negative elektriske potentialer, svarende til det, der eksisterer mellem terminalerne på et elektrisk batteri. I en sådanfelt, er en elektron, der bærer en negativ ladning, udsat for en kraft, der leder den mod et positivt potentiale. Hun accelererer ham, og hvis der ikke er noget til at forhindre dette, øges hans fart og energi. Elektroner, der bevæger sig mod et positivt potentiale i en ledning eller endda i luft, kolliderer med atomer og mister energi, men hvis de er i et vakuum, accelererer de, når de nærmer sig anoden.
Spændingen mellem den indledende og endelige position af en elektron bestemmer den energi, den erhverver. Når man bevæger sig gennem en potentialforskel på 1 V, er den lig med 1 elektronvolt (eV). Dette svarer til 1,6 × 10-19 joule. Energien i en flyvende myg er en billion gange større. I et kineskop accelereres elektroner med en spænding på over 10 kV. Mange acceleratorer opnår meget højere energier, målt i mega-, giga- og teraelektronvolt.
varianter
Nogle af de tidligste typer partikelacceleratorer, såsom spændingsmultiplikatoren og Van de Graaff-generatoren, brugte konstante elektriske felter genereret af potentialer op til en million volt. Det er ikke nemt at arbejde med så høje spændinger. Et mere praktisk alternativ er den gentagne handling af svage elektriske felter genereret af lave potentialer. Dette princip bruges i to typer moderne acceleratorer - lineære og cykliske (hovedsageligt i cyklotroner og synkrotroner). Lineære partikelacceleratorer, kort sagt, passerer dem én gang gennem en sekvensaccelererende felter, mens de i det cykliske gentagne gange bevæger sig ad en cirkulær bane gennem relativt små elektriske felter. I begge tilfælde afhænger partiklernes endelige energi af felternes kombinerede effekt, så mange små "chok" lægger sig sammen og giver den kombinerede effekt af én stor.
Den gentagne struktur af en lineær accelerator til at skabe elektriske felter involverer naturligvis brugen af AC frem for DC-spænding. Positivt ladede partikler accelereres mod det negative potentiale og får en ny fremdrift, hvis de passerer det positive. I praksis skulle spændingen ændre sig meget hurtigt. For eksempel, ved en energi på 1 MeV, bevæger en proton sig med meget høje hastigheder på 0,46 lysets hastighed og rejser 1,4 m på 0,01 ms. Det betyder, at i et flere meter langt gentaget mønster skal de elektriske felter skifte retning med en frekvens på mindst 100 MHz. Lineære og cykliske acceleratorer af ladede partikler accelererer dem som regel ved hjælp af vekslende elektriske felter med en frekvens på 100 til 3000 MHz, dvs. spænder fra radiobølger til mikrobølger.
En elektromagnetisk bølge er en kombination af vekslende elektriske og magnetiske felter, der svinger vinkelret på hinanden. Acceleratorens nøglepunkt er at justere bølgen, så når partiklen ankommer, er det elektriske felt rettet i overensstemmelse med accelerationsvektoren. Dette kan gøres med en stående bølge - en kombination af bølger, der bevæger sig i modsatte retninger i en lukket sløjfe.rum, som lydbølger i en orgelpibe. Et alternativ til meget hurtigt bevægende elektroner, der nærmer sig lysets hastighed, er en vandrende bølge.
Autophasing
En vigtig effekt ved acceleration i et vekslende elektrisk felt er "autophasing". I en svingningscyklus går vekselfeltet fra nul gennem en maksimumværdi igen til nul, falder til et minimum og stiger til nul. Så den går igennem den værdi, der skal til for at accelerere to gange. Hvis den accelererende partikel kommer for tidligt, vil den ikke blive påvirket af et felt med tilstrækkelig styrke, og skubningen vil være svag. Når hun når næste afsnit, kommer hun for sent og vil opleve en stærkere påvirkning. Som et resultat vil der forekomme autophasing, partiklerne vil være i fase med feltet i hvert accelererende område. En anden effekt ville være at gruppere dem over tid i klumper i stedet for en kontinuerlig strøm.
Stråleretning
Magnetiske felter spiller også en vigtig rolle i, hvordan en ladede partikelaccelerator fungerer, da de kan ændre retningen af deres bevægelse. Det betyder, at de kan bruges til at "bøje" bjælkerne langs en cirkulær bane, så de passerer gennem samme accelerationssektion flere gange. I det enkleste tilfælde er en ladet partikel, der bevæger sig vinkelret på retningen af et ensartet magnetfelt, udsat for en kraftvinkelret både på vektoren af dens forskydning og på feltet. Dette får strålen til at bevæge sig langs en cirkulær bane vinkelret på feltet, indtil den forlader sit virkeområde, eller en anden kraft begynder at virke på den. Denne effekt bruges i cykliske acceleratorer såsom cyklotron og synkrotron. I en cyklotron genereres et konstant felt af en stor magnet. Partiklerne, når deres energi vokser, spiraler udad og accelererer med hver omdrejning. I en synkrotron bevæger bundterne sig rundt i en ring med en konstant radius, og feltet, der skabes af elektromagneterne omkring ringen, øges, når partiklerne accelererer. De "bøjede" magneter er dipoler med nord- og sydpolen bøjet i en hesteskoform, så strålen kan passere mellem dem.
Den anden vigtige funktion ved elektromagneter er at koncentrere stråler, så de er så smalle og intense som muligt. Den enkleste form for en fokuseringsmagnet er med fire poler (to nordlige og to sydlige) modsat hinanden. De skubber partiklerne mod midten i én retning, men tillader dem at forplante sig i den vinkelrette retning. Quadrupole magneter fokuserer strålen vandret, så den kan gå ud af fokus lodret. For at gøre dette skal de bruges i par. Mere komplekse magneter med flere poler (6 og 8) bruges også til mere præcis fokusering.
Når partiklernes energi øges, øges styrken af det magnetiske felt, der leder dem. Dette holder strålen på samme vej. Koaglet indføres i ringen og accelereres tilkrævet energi, før det kan trækkes ud og bruges i forsøg. Tilbagetrækning opnås ved hjælp af elektromagneter, der tænder for at skubbe partikler ud af synkrotronringen.
Collision
Partikelacceleratorer, der bruges i medicin og industri, producerer hovedsageligt en stråle til et specifikt formål, såsom strålebehandling eller ionimplantation. Det betyder, at partiklerne bruges én gang. I mange år gjaldt det samme for acceleratorer brugt i grundforskning. Men i 1970'erne blev der udviklet ringe, hvor de to stråler cirkulerer i hver sin retning og støder sammen langs hele kredsløbet. Den største fordel ved sådanne installationer er, at i en frontal-kollision går partiklernes energi direkte ind i energien af interaktion mellem dem. Dette står i kontrast til, hvad der sker, når strålen kolliderer med materiale i hvile: i dette tilfælde bruges det meste af energien på at sætte målmaterialet i bevægelse, i overensstemmelse med princippet om bevarelse af momentum.
Nogle kolliderende strålemaskiner er bygget med to ringe, der skærer hinanden to eller flere steder, hvor partikler af samme type cirkulerer i modsatte retninger. Kolliderer med partikler og antipartikler er mere almindelige. En antipartikel har den modsatte ladning af dens tilknyttede partikel. For eksempel er en positron positivt ladet, mens en elektron er negativt ladet. Det betyder, at feltet, der accelererer elektronen, bremser positronen,bevæger sig i samme retning. Men hvis sidstnævnte bevæger sig i den modsatte retning, vil det accelerere. På samme måde vil en elektron, der bevæger sig gennem et magnetfelt, bøje til venstre, og en positron vil bøje til højre. Men hvis positronen bevæger sig mod den, vil dens vej stadig afvige til højre, men langs samme kurve som elektronen. Tilsammen betyder det, at disse partikler kan bevæge sig langs synkrotronringen på grund af de samme magneter og blive accelereret af de samme elektriske felter i modsatte retninger. Mange af de kraftigste kollidere på kolliderende stråler er blevet skabt efter dette princip, da der kun kræves én acceleratorring.
Strålen i synkrotronen bevæger sig ikke kontinuerligt, men kombineres til "klumper". De kan være flere centimeter lange og en tiendedel af en millimeter i diameter og indeholde omkring 1012 partikler. Dette er en lille tæthed, da et stof af denne størrelse indeholder omkring 1023 atomer. Når stråler skærer hinanden med modgående stråler, er der derfor kun en lille chance for, at partiklerne interagerer med hinanden. I praksis fortsætter klaserne med at bevæge sig langs ringen og mødes igen. Det dybe vakuum i partikelacceleratoren (10-11 mmHg) er nødvendigt, for at partiklerne kan cirkulere i mange timer uden at kollidere med luftmolekyler. Derfor kaldes ringene også for akkumulerende, da bundterne faktisk opbevares i dem i flere timer.
Registrer
Partikelacceleratorer kan for det meste registrere, hvad der sker hvornårnår partikler rammer et mål eller en anden stråle, der bevæger sig i den modsatte retning. I et tv-kinescope rammer elektroner fra en pistol en fosfor på den indvendige overflade af skærmen og udsender lys, som dermed genskaber det transmitterede billede. I acceleratorer reagerer sådanne specialiserede detektorer på spredte partikler, men de er norm alt designet til at generere elektriske signaler, der kan konverteres til computerdata og analyseres ved hjælp af computerprogrammer. Kun ladede grundstoffer skaber elektriske signaler ved at passere gennem et materiale, for eksempel af exciterende eller ioniserende atomer, og kan detekteres direkte. Neutrale partikler såsom neutroner eller fotoner kan detekteres indirekte gennem opførselen af de ladede partikler, de sætter i bevægelse.
Der er mange specialiserede detektorer. Nogle af dem, som Geiger-tælleren, tæller blot partikler, mens andre for eksempel bruges til at optage spor, måle hastighed eller måle mængden af energi. Moderne detektorer spænder i størrelse og teknologi fra små ladningskoblede enheder til store trådfyldte gasfyldte kamre, der registrerer de ioniserede spor skabt af ladede partikler.
Historie
Partikelacceleratorer blev hovedsageligt udviklet til at studere egenskaberne af atomkerner og elementarpartikler. Fra den britiske fysiker Ernest Rutherfords opdagelse af reaktionen mellem kvælstofkernen og alfapartiklen i 1919 er al forskning i kernefysik frem til1932 blev brugt med heliumkerner frigivet fra henfaldet af naturlige radioaktive grundstoffer. Naturlige alfapartikler har en kinetisk energi på 8 MeV, men Rutherford mente, at for at kunne observere henfaldet af tunge kerner, skal de kunstigt accelereres til endnu større værdier. Dengang virkede det svært. En beregning foretaget i 1928 af Georgy Gamow (ved universitetet i Göttingen, Tyskland) viste imidlertid, at ioner med meget lavere energier kunne bruges, og dette stimulerede forsøg på at bygge et anlæg, der leverede en stråle tilstrækkelig til nuklear forskning.
Andre begivenheder i denne periode demonstrerede de principper, som partikelacceleratorer er bygget efter den dag i dag. De første vellykkede eksperimenter med kunstigt accelererede ioner blev udført af Cockcroft og W alton i 1932 ved University of Cambridge. Ved hjælp af en spændingsmultiplikator accelererede de protoner til 710 keV og viste, at sidstnævnte reagerer med lithiumkernen for at danne to alfapartikler. I 1931, på Princeton University i New Jersey, havde Robert van de Graaff bygget den første højpotentiale elektrostatiske bæltegenerator. Cockcroft-W alton spændingsmultiplikatorer og Van de Graaff-generatorer bruges stadig som strømkilder til acceleratorer.
Princippet med en lineær resonansaccelerator blev demonstreret af Rolf Wideröe i 1928. På Rhine-Westphalian University of Technology i Aachen, Tyskland, brugte han en høj vekselspænding til at accelerere natrium- og kaliumioner til energier to gangeoverstiger dem, de har indberettet. I 1931 i USA brugte Ernest Lawrence og hans assistent David Sloan fra University of California, Berkeley højfrekvente felter til at accelerere kviksølvioner til energier på over 1,2 MeV. Dette arbejde supplerede Wideröe tunge partikelaccelerator, men ionstråler var ikke nyttige i nuklear forskning.
Den magnetiske resonansaccelerator, eller cyklotron, blev udtænkt af Lawrence som en modifikation af Wideröe-installationen. Lawrence Livingstons elev demonstrerede princippet om cyklotronen i 1931 ved at producere 80 keV ioner. I 1932 annoncerede Lawrence og Livingston accelerationen af protoner til over 1 MeV. Senere i 1930'erne nåede cyklotronernes energi omkring 25 MeV, og den for Van de Graaff-generatorer nåede omkring 4 MeV. I 1940 byggede Donald Kerst, ved at anvende resultaterne af omhyggelige orbitalberegninger til design af magneter, den første betatron, en magnetisk induktionselektronaccelerator, ved University of Illinois.
Moderne fysik: partikelacceleratorer
Efter Anden Verdenskrig gjorde videnskaben om at accelerere partikler til høje energier hurtige fremskridt. Det blev startet af Edwin Macmillan i Berkeley og Vladimir Veksler i Moskva. I 1945 beskrev begge uafhængigt princippet om fasestabilitet. Dette koncept tilbyder et middel til at opretholde stabile partikelbaner i en cyklisk accelerator, som fjernede begrænsningen på protonernes energi og gjorde det muligt at skabe magnetiske resonansacceleratorer (syncrotroner) for elektroner. Autophasing, implementeringen af princippet om fasestabilitet, er blevet bekræftet efter byggerieten lille synkrocyklotron ved University of California og en synkrotron i England. Kort efter blev den første proton lineære resonansaccelerator skabt. Dette princip er blevet brugt i alle store protonsynkrotroner bygget siden da.
I 1947 byggede William Hansen ved Stanford University i Californien den første lineære vandrende elektronaccelerator ved hjælp af mikrobølgeteknologi, der blev udviklet til radar under Anden Verdenskrig.
Fremskridt inden for forskning blev muliggjort ved at øge protonernes energi, hvilket førte til konstruktionen af stadig større acceleratorer. Denne tendens er blevet standset af de høje omkostninger ved at lave enorme ringmagneter. Den største vejer omkring 40.000 tons. Måder at øge energien uden at øge størrelsen af maskiner blev demonstreret i 1952 af Livingston, Courant og Snyder i teknikken med vekslende fokusering (nogle gange kaldet stærk fokusering). Synkrotroner baseret på dette princip bruger magneter 100 gange mindre end før. Sådan fokusering bruges i alle moderne synkrotroner.
I 1956 indså Kerst, at hvis to sæt partikler blev holdt i krydsende baner, kunne de observeres kollidere. Anvendelsen af denne idé krævede akkumulering af accelererede stråler i cyklusser kaldet opbevaring. Denne teknologi gjorde det muligt at opnå den maksimale interaktionsenergi for partikler.
