Accelerators Linear partikel isi. Minangka Partikel accelerators karya. Apa Partikel accelerators?

The accelerator partikel isi - piranti endi Beam muatan listrik partikel atom utawa subatom lelungan ing saklawasé kacepetan. Ing basis saka karya kang perlu Tambah sing energi dening medan listrik lan ngganti alur ing - Magnetik.

Apa sing Partikel accelerators?

piranti sing digunakake digunakake ing macem-macem kothak ilmu lan industri. Kanggo tanggal, donya ana luwih saka 30 ewu. Fisik saka accelerators partikel muatan ngawula minangka alat riset dhasar ing struktur atom, alam tenaga nuklir lan sifat nuklir, kang ora kelakon alamiah. Sing terakhir kalebu transuranium lan unsur boten stabil liyane.

Kanthi tabung discharge wis dadi bisa kanggo nemtokake daya tartamtu. Daya accelerators partikel sing uga digunakake kanggo produksi radioisotopes, ing radiography industri, radioterapi, kanggo sterilization bahan biologi, lan ing analisis adhedhasar alisa radiocarbon prakiraan. Unit paling gedhé sing digunakake ing studi interaksi fundamental.

Umur saka partikel daya ing liyane bab akselerator luwih cilik tinimbang sing saka partikel cepet kanggo kecepatan cedhak kacepetan cahya. Iki nandheske ing jumlah relatif cilik stasiun wektu. Contone, ing CERN wis ngrambah lan Tambah ing umur saka muon kacepetan 0,9994c 29 kaping.

Artikel katon ing apa nang apa accelerator partikel, pembangunan, macem-macem lan fitur beda.

prinsip percepatan

Preduli saka apa jenis accelerators partikel muatan ngerti, kabeh padha duwe unsur umum. Kawitan, padha kudu duwe sumber elektron ing cilik saka tabung televisi Gambar utawa proton lan antiparticles ing cilik saka panginstalan luwih gedhe. Salajengipun, padha kudu duwe bidhang listrik kanggo cepet partikel lan Magnetik kothak kanggo ngontrol alur sing. Kajaba iku, ing vakum ing accelerator partikel muatan (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. A jumlahe minimal online ampas, dibutuhake kanggo mesthekake urip dawa wektu rohé. Akhire, kabeh panginstalan kudu duwe liya Pendhaftaran, ing pancacahan lan pangukuran partikel cepet.

generasi

Elektron lan proton, kang paling umum digunakake ing accelerators, ditemokaké ing kabèh bahan, nanging padha kudu milih saka wong-wong mau. Elektron biasane kui ing cara sing padha ing tabung Gambar - ing piranti kang diarani "gun". Iku cathode (elektroda negatif) ing vakum, kang digawe panas kanggo negara ngendi elektron miwiti teka mati atom. partikel daya ngaruh sing kepincut karo anode (elektroda positif) lan nembus stopkontak. The gun dhewe iku gampang minangka akselerator amarga elektron sing obah ing pangaribawa medan listrik. Voltase antarane cathode lan anode, biasane ing sawetara 50-150 kV.

Loro saka elektron ing kabeh bahan sing proton, nanging mung inti proton siji sing kasusun saka atom hidrogen. Mulane, ing sumber partikel kanggo accelerators proton punika gas hidrogen. Ing kasus iki, gas iki émisi lan proton dumunung liwat bolongan. Ing accelerators gedhe proton asring dibentuk ing wangun ion hidrogen negatif. Padha makili elektron tambahan saka atom kang prodhuk saking ionisasi gas diatomik. Wiwit ion hidrogen positif ing orane tumrap sekolah awal saka karya luwih gampang. Banjur padha nembus foil lancip, kang deprives wong elektron sadurunge tataran Final saka percepatan.

percepatan

Minangka Partikel accelerators karya? A fitur tombol kabeh wong iku lapangan listrik. Conto gampang - lapangan statis seragam antarane potensi elektrik positif lan negatif, padha kang ana antarane terminal saka baterei. lapangan elektron iki nggawa daya negatif wis kapapar pasukan kang mimpin menyang potensi positif. Iku accelerates iku, lan yen ana apa-apa sing bakal ngadeg ing dalan, kacepetan lan daya kang nambah. Elektron obah menyang potensi positif ing kabel utawa ing udhara, lan tabrakan karo atom ilang energi, nanging yen lagi dumunung ing vacuo, banjur digawe cepet lagi pendekatan anode ing.

Kategangan wiwitan lan pungkasan Posisi nemtokake elektron dituku wong energi. Nalika obah liwat prabédan potensial 1 V punika witjaksono 1 elektron-volt (eV). Iki padha karo kanggo 1,6 × 10 ^-19 joule. Energi saka lemut mabur triliun kaping liyane. Ing elektron kinescope sing digawe cepet voltase luwih saka 10 kV. Akeh accelerators tekan tenogo akeh luwih diukur Mega, giga lan tera-elektron-volt.

spesies

Sawetara jinis wiwitan Partikel accelerators, kayata multiplier voltase lan generator Van de Graaff generator, nggunakake lapangan elektrik pancet déning potensi nganti yuta volt. Kanthi voltase dhuwur kuwi bisa gampang. A alternatif liyane praktis punika tumindak bola lapangan electrical banget diprodhuksi potensi kurang. asas iki digunakake ing loro jinis accelerators modern - linear lan siklik (utamané ngubah siklotron sangga lan Synchrotrons). Partikel accelerators Linear, ing cendhak, liwati mau sapisan liwat urutan lapangan nyepetake, nalika cyclically kakehan padha ngalih ing dalan layang ideran liwat lapangan elektrik relatif cilik. Ing kasus loro, energi final saka partikel gumantung saking lapangan tumindak, supaya akeh cilik "nabrak" sing ditambahake bebarengan kanggo menehi efek kombinasi saka siji gedhe.

Struktur bola-bali accelerator linear kanggo generate bidhang listrik ing cara ingkang alami iku kanggo nggunakake AC, ora DC. partikel daya positif sing cepet kanggo potensial negatif lan njaluk impetus anyar, yen pass positif. Ing laku, voltase kudu diganti banget cepet. Contone, ing energi saka 1 MeV proton gerakane ing kacepetan dhuwur banget iku kacepetan cahya saka 0.46, maringaken 1.4 m saka 0.01 ms. Iki tegese ing struktur mbaleni saka sawetara meter, ing bidhang listrik kudu ngganti arah ing frekuensi saka ing paling 100 MHz. Linear lan accelerators siklik partikel biasane mbubarake karo frekuensi medan listrik gantian saka 100 MHz kanggo 3000, t. E. Ing sawetara ombak radio kanggo gelombang mikro.

Gelombang elektromagnetik punika kombinasi bidhang listrik lan magnèt oscillating oscillating ing tengen ngarepke kanggo saben liyane. Titik tombol kanggo nyetel gelombang accelerator supaya ing rawuh saka partikel lapangan listrik katuntun ing sesuai karo vektor percepatan. Iki bisa rampung kanthi nggunakake gelombang ngadeg - kombinasi ombak lelungan ing ngelawan pituduh ing papan Ana, ombak swara ing organ pipe. Pawujudan alternatif kanggo cepet obah elektron kang kecepatan nyedhak kacepetan cahya, gelombang lelungan.

autophasing

Lan èfèk wigatos saking nyepetake ing salebeting medan listrik gantian punika "stabilitas phase". Ing siji lapangan oscillation siklus gantian liwat nul saka maksimum Nilai bali menyang nul, iku sudo menyang minimal lan mundhak kanggo nul. Mangkono, liwat kaping pindho liwat Nilai dibutuhake kanggo nyepetake. Yen partikel kang kecepatan mundhak, rawuh banget awal, iku ora bakal bisa lapangan kekuatan cekap, lan push bakal kuwat. Nalika tekan ing wilayah sabanjuré, ing test pungkasan lan impact liyane. Akibaté, poto-phasing ana, partikel bakal ing phase karo saben lapangan ing wilayah nyepetake. efek liyane iku kelompokan mau ing wektu kanggo mbentuk clot tinimbang stream fokus.

Arah Beam

Peran penting ing carane karya lan accelerator partikel, muter lan Magnetik kothak, lagi bisa ngganti arah gerakan sing. Iki tegese padha bisa digunakake kanggo "mlengkung" saka Beam ing path bunder, supaya padha bola-bali liwati liwat bagean nyepetake padha. Ing cilik gampang, ing partikel muatan obah ing amba hak arah Magnetik kolom podho, a vektor pasukan jejeg loro gerakan, lan kanggo pategalan. Iki bakal nimbulaké Beam kanggo pindhah ing path circular jejeg lapangan, nganti metu saka lapangan sawijining tumindak utawa pasukan liyane wiwit tumindak ing. efek iki digunakake ing accelerators siklik kayata Synchrotron lan cyclotron. Ing cyclotron a, lapangan pancet diprodhuksi dening magnet gedhe. Partikel karo nambah energi sing obah spirally lahiriah cepet karo saben revolusi. Clots Synchrotron mindhah watara ring karo radius pancet, lan lapangan kui dening electromagnets sak mundhak ring minangka partikel sing cepet. Ing wesi sembrani nyediakake "mlengkung", makili dipoles karo lor lan cagak kidul, mbengkongaken ing wangun tapel jaran supaya Beam bisa ngliwati therebetween.

Fungsi penting kaping pindho saka electromagnets kanggo fokus ing rohé supaya padha supaya panah lan kuat minangka bisa. Wangun paling gampang saka sembrani ngarahke - karo papat cagak (loro lor lan loro kidul) located ngelawan saben liyane. Padha push partikel menyang pusat arah, nanging ngidini supaya disebarake ing jejeg. Quadrupole wesi sembrani fokus Beam horisontal, saéngga wong kanggo pindhah saking fokus vertikal. Kanggo nindakake iki, padha kudu digunakake ing pasangan. Kanggo luwih akurat ngarahke uga digunakake wesi sembrani luwih canggih karo nomer akeh cagak (6 lan 8).

Wiwit energi saka mundhak partikel, kekuatan saka Magnetik kolom, ngarahake wong mundhak. Iki tansah Beam ing alur padha. curd wis ngenalaken menyang dering lan cepet kanggo energi dikarepake sadurunge bisa mundur lan digunakake ing nyobi. Retraction wis ngrambah dening electromagnets kang aktif kanggo push partikel saka ring Synchrotron.

tabrakan

accelerators partikel muatan digunakake ing medicine lan industri, utamané ngasilaké Beam kanggo tujuan tartamtu, contone, mepe utawa ion implantasi. Iki tegese partikel digunakake bebarengan. Padha bener saka accelerators digunakake ing panalitèn dhasar kanggo akèh taun. Nanging dering dikembangaké ing taun 1970, ing kang loro rohé sirkulasi ing ngelawan pituduh lan tabrakan watara jarakipun. Ing kauntungan utama sistem iku ing energi tabrakan frontal partikel dadi langsung menyang energi interaksi antarane wong-wong mau. Iki beda karo karo apa mengkono nalika Beam tumbukan karo gambar nulis, kang cilik paling saka energi dadi kanggo abang saka materi target ing gerakan, sesuai karo prinsip konservasi semangat.

Sawetara mesin karo kadadosan rohé sing dibangun karo loro dering, bagéyan ing loro utawa panggonan liyane, kang sumebar ing ngelawan pituduh, partikel saka jinis padha. More umum collider partikel-antiparticle. Antiparticle nduweni ngelawan pangisian daya saka partikel gadhah. Contone, positron, wis sacoro positif daya, lan elektron - ngaruh. Iki tegese lapangan sing accelerates elektron, positron slows mudhun, obah ing arah padha. Nanging yen gerakane terakhir ing arah ngelawan, iku bakal akselerasi. Kajaba iku, elektron obah liwat lapangan bakal kurva Magnetik ngiwa, lan positron - tengen. Nanging yen positron obah maju, banjur dalan bakal terus kanggo Sarak sisih tengen, nanging ing kurva padha kaya elektron. Nanging, iki tegese partikel bisa pindhah ring saka Synchrotron wesi sembrani padha lan cepet déning bidhang listrik padha ing ngelawan pituduh. Prinsip iki digawe akeh colliders kuat kadadosan rohé, t. Kanggo. Ing mung mbutuhake siji accelerator ring.

Beam ing Synchrotron ora obah terus-terusan lan Integrasi menyang "rumpun." Padha bisa dadi pirang-pirang cm ing dawa lan kasapuluh saka millimeter ing diameteripun, lan ngemot bab ¹² partikel ^Oktober. Kapadhetan kurang, amarga ukuran materi kuwi ngandhut bab ²³ atom ^Oktober. Mulane, nalika rohé kadadosan simpangan, ana mung kemungkinan cilik sing partikel nanggepi karo saben liyane. Ing laku clots terus kanggo mindhah watara dering lan ketemu maneh. vakum dhuwur ing accelerator partikel isi (10 ^-11 mm Hg. V.) Punika dibutuhake supaya partikel bisa ngetokake kanggo akeh jam tanpa tabrakan karo molekul air. Mulane, ring uga disebut kumulatif, amarga rohé bener disimpen ing kono kanggo saperangan jam.

Pendhaftaran

Daya Partikel accelerators mayoritas bisa ndhaftar occurs nalika partikel kenek target utawa Beam liyane, obah ing arah ngelawan. Ing tabung Gambar televisi, elektron saka bedhil kanggo serangan Layar Phosphor ing lumahing utama lan emit cahya, kang mangkono recreates image ditularaké. Ing accelerators detektor specialized kuwi nanggepi partikel kasebar, nanging padha biasane dirancang kanggo nggawe sinyal listrik sing bisa diowahi menyang data komputer lan analisa nggunakake program komputer. Prabeya unsur gawé signal listrik ngliwati materi, contone dening ionisasi utawa penambah gairah saka atom, lan bisa dideteksi langsung. Partikel Neutral kayata neutron utawa foton bisa dideteksi langsung liwat prilaku partikel isi sing padha ana ing gerakan.

Ana akeh detektor specialized. Sawetara wong, kayata counter Geiger, count partikel, lan sanès, contone, kanggo trek rekaman utawa pangukuran kecepatan energi. detektor Modern ing ukuran lan teknologi, bisa beda-beda saka piranti daya gegandhengan cilik kanggo Chambers kapenuhan gas-gedhe karo kabel kang ndeteksi trek ionized diprodhuksi dening partikel daya.

crita

Daya Partikel accelerators utamané dikembangaké kanggo pasinaon saka sifat inti atom lan partikel dhasar. Wiwit bukaan saka fisikawan Inggris Ernest Rutherford ing taun 1919, ing reaksi saka inti nitrogen lan partikel alpha, kabeh riset ing bidhang fisika nuklir kanggo 1932 padha digawa metu karo inti helium, dirilis dening bosok saka unsur radioaktif alam. alpha-partikel Natural duwe energi kinetik 8 MeV, nanging Rutherford pitados bilih padha kudu artificially cepet angka kanggo malah luwih kanggo ngawasi bosok saka inti abot. Ing wektu iku ketoke angel. Nanging, pitungan digawe ing 1928 dening Georgiem Gamovym (ing Universitas Göttingen, Jerman), nuduhake yen ion bisa digunakake ing tenogo luwih murah, lan iki wis stimulus usaha kanggo mbangun fasilitas sing nyedhiyani Beam cekap kanggo Nuclear Riset.

acara liyane saka periode tontonan prinsip dening kang accelerators partikel muatan sing dibangun kanggo dina iki. Pacoban sukses pisanan karo ion artificially cepet padha dianakaké Cockroft lan Walton 1932 ing Cambridge University. Kanthi nggunakake multiplier voltase, proton sing cepet kanggo 710 keV, lan nuduhake yen terakhir nanggepi karo lithium kanggo mbentuk partikel alpha. Miturut 1931, wonten ing Universitas Princeton, New Jersey, Robert Van de Graaff sabuk elektrostatik dibangun ing generator dhuwur-potensial pisanan. Tegangan multiplier Cockcroft-Walton generator lan Van de Graaff generator isih digunakake minangka sumber energi kanggo accelerators.

Prinsip accelerator resonan linear iki tontonan Rolf Widerøe ing 1928. Ing Rhine-Westphalian Universitas ing Aachen, Jerman, kang digunakake voltase AC dhuwur kanggo akselerasi sodium lan kalium ion kanggo tenogo ing keluwihan saka loro kaping marang wong-wong mau. Ing taun 1931 ing Amerika Serikat Ernest Lourens asistene David Sloan saka Universitas California, Berkeley, digunakake ing kothak dhuwur-frekuensi kanggo akselerasi ion Mercury kanggo tenogo luwih saka 1.2 MeV. Karya iki wis temen accelerator partikel isi heavy Wideröe, nanging balok ion ora migunani ing riset nuklir.

Magnetic résonansi accelerator utawa cyclotron, iki disusun minangka modifikasi saka instalasi Lawrence Wideröe. Student Lawrence Livingston tontonan prinsip cyclotron ing 1931, nggawe ion karo energi saka 80 keV. Taun 1932, Lawrence lan Livingston announced nyepetake saka proton nganti luwih saka 1 MeV. Mengko ing taun 1930-an, ngubah siklotron sangga energi ngancik 25 MeV, lan Van de Graaff - 4 MeV. Ing taun 1940, Donald Kerst, nglamar asil petungan-ati saka orbit kanggo struktur sembrani, dibangun ing Universitas Illinois, ing betatron pisanan, prabawa Magnetik elektron accelerator.

fisika modern: Partikel accelerators

Sawisé Perang Donya II ana kemajuan kanthi cepet ing èlmu nyepetake partikel tenogo dhuwur. Nanging wiwit Edwin McMillan ing Berkeley lan Vladimir Veksler ing Moscow. Ing taun 1945, lagi loro independen saka saben liyane wis diterangake prinsip stabilitas phase. Konsep iki nawakake liya kanggo njaga orbit stabil saka partikel ing accelerator bunder sing dibusak Watesan ing energi proton lan mbantu nggawe accelerators resonansi magnetik (Synchrotrons) kanggo elektron. Autophasing, lampahipun prinsip stabilitas phase, iki dikonfirmasi sawise construction saka synchrocyclotron cilik ing Universitas California lan Synchrotron ing Inggris. Boten dangu salajengipun pisanan proton linear accelerator resonan digawé. asas iki digunakake ing kabeh Synchrotrons proton utama dibangun wiwit banjur.

Ing taun 1947, William Hansen, ing Stanford University ing California, dibangun ing accelerator elektron linear pisanan ing gelombang lelungan, kang digunakake teknologi gelombang mikro kang wis dikembangaké kanggo Radar sak Perang Donya II.

Indikator ing panaliten iki bisa digawe kanthi nambah energi proton, kang mimpin kanggo pambangunan accelerators tau luwih gedhe. gaya iki saka biaya Manufaktur dhuwur ring magnet ageng wis mandegake. Paling gedhé abot watara 40,000 ton. Cara kanggo nambah energi tanpa wutah ukuran mesin padha dilindungi ing bab 1952 godu Langkawi, Courant lan Snyder technique saka gantian ngarahke (kadhangkala disebut kuwat ngarahke). Synchrotrons nggarap asas iki, nggunakake wesi sembrani 100 kaping luwih cilik tinimbang sadurunge. Kaya ngarahke digunakake ing kabeh Synchrotrons modern.

Ing taun 1956 Kerst sadhar bilih menawi loro set partikel sing disimpen ing bagéyan orbit, sampeyan bisa nonton wong tabrakan. Aplikasi saka idea iki dibutuhake klempakan cepet rohé ing siklus, disebut kumulatif. teknologi iki wis ngrambah tenaga maksimum partikel interaksi.