Akcelerator cząstek to urządzenie, które wytwarza wiązkę naładowanych elektrycznie cząstek atomowych lub subatomowych poruszających się z prędkością bliską światłu. Jego działanie opiera się na zwiększeniu ich energii przez pole elektryczne i zmianie trajektorii - przez pole magnetyczne.
Do czego służą akceleratory cząstek?
Te urządzenia są szeroko stosowane w różnych dziedzinach nauki i przemysłu. Dziś na całym świecie jest ich ponad 30 tysięcy. Dla fizyka akceleratory cząstek służą jako narzędzie do badań podstawowych nad budową atomów, naturą sił jądrowych i właściwościami jąder, które nie występują w przyrodzie. Te ostatnie obejmują transuran i inne niestabilne pierwiastki.
Za pomocą rurki wyładowczej stało się możliwe określenie konkretnego ładunku. Akceleratory cząstek są również wykorzystywane w produkcji radioizotopów, w radiografii przemysłowej, w radioterapii, w sterylizacji materiałów biologicznych oraz w radiowęgluanaliza. Do badania oddziaływań fundamentalnych wykorzystywane są największe instalacje.
Żywotność naładowanych cząstek w spoczynku w stosunku do akceleratora jest mniejsza niż w przypadku cząstek przyspieszonych do prędkości zbliżonych do prędkości światła. Potwierdza to względność przedziałów czasowych SRT. Na przykład w CERN osiągnięto 29-krotny wzrost czasu życia mionów przy prędkości 0,9994c.
Ten artykuł omawia sposób działania akceleratora cząstek, jego rozwój, różne typy i charakterystyczne cechy.
Zasady przyspieszenia
Niezależnie od tego, które akceleratory cząstek znasz, wszystkie mają wspólne elementy. Po pierwsze, wszystkie muszą mieć źródło elektronów w przypadku kineskopu telewizyjnego lub elektronów, protonów i ich antycząstek w przypadku większych instalacji. Ponadto wszystkie muszą mieć pola elektryczne do przyspieszania cząstek i pola magnetyczne do kontrolowania ich trajektorii. Ponadto próżnia w akceleratorze cząstek (10-11 mm Hg), czyli minimalna ilość powietrza resztkowego, jest niezbędna do zapewnienia długiej żywotności belek. I wreszcie, wszystkie instalacje muszą posiadać środki do rejestrowania, liczenia i mierzenia przyspieszonych cząstek.
Generacja
Elektrony i protony, które są najczęściej używane w akceleratorach, znajdują się we wszystkich materiałach, ale najpierw trzeba je od nich odizolować. Elektrony są zwykle generowanetak jak w kineskopie – w urządzeniu zwanym „pistoletem”. Jest to katoda (elektroda ujemna) w próżni, która jest podgrzewana do punktu, w którym elektrony zaczynają odrywać się od atomów. Ujemnie naładowane cząstki są przyciągane do anody (elektrody dodatniej) i przechodzą przez wylot. Sam pistolet jest również najprostszym akceleratorem, ponieważ elektrony poruszają się pod wpływem pola elektrycznego. Napięcie między katodą a anodą wynosi zwykle 50-150 kV.
Oprócz elektronów, wszystkie materiały zawierają protony, ale tylko jądra atomów wodoru składają się z pojedynczych protonów. Dlatego źródłem cząstek dla akceleratorów protonów jest gazowy wodór. W tym przypadku gaz ulega jonizacji, a protony uciekają przez otwór. W dużych akceleratorach protony są często wytwarzane jako ujemne jony wodoru. Są to atomy z dodatkowym elektronem, które są produktem jonizacji gazu dwuatomowego. Na początkowych etapach łatwiej jest pracować z ujemnie naładowanymi jonami wodoru. Następnie przepuszczane są przez cienką folię, która pozbawia je elektronów przed końcowym etapem przyspieszenia.
Przyspieszenie
Jak działają akceleratory cząstek? Kluczową cechą każdego z nich jest pole elektryczne. Najprostszym przykładem jest jednolite pole statyczne między dodatnimi i ujemnymi potencjałami elektrycznymi, podobne do tego, które występuje między zaciskami akumulatora elektrycznego. W takimW polu elektron niosący ładunek ujemny jest poddawany działaniu siły, która kieruje go w stronę potencjału dodatniego. Przyspiesza go, a jeśli nic nie stoi na przeszkodzie, zwiększa się jego prędkość i energia. Elektrony poruszające się w kierunku dodatniego potencjału w przewodzie lub nawet w powietrzu zderzają się z atomami i tracą energię, ale jeśli znajdują się w próżni, przyspieszają w miarę zbliżania się do anody.
Napięcie między początkową a końcową pozycją elektronu określa energię przez niego pozyskiwaną. Przechodząc przez różnicę potencjałów 1 V, jest ona równa 1 elektronowoltowi (eV). Odpowiada to 1,6 × 10-19 dżuli. Energia latającego komara jest bilion razy większa. W kineskopie elektrony są przyspieszane napięciem ponad 10 kV. Wiele akceleratorów osiąga znacznie wyższe energie, mierzone w mega-, giga- i teraelektronowoltach.
Odmiany
Niektóre z najwcześniejszych typów akceleratorów cząstek, takie jak powielacz napięcia i generator Van de Graaffa, wykorzystywały stałe pola elektryczne generowane przez potencjały do miliona woltów. Praca z tak wysokimi napięciami nie jest łatwa. Bardziej praktyczną alternatywą jest powtarzalne działanie słabych pól elektrycznych generowanych przez niskie potencjały. Zasada ta jest stosowana w dwóch typach nowoczesnych akceleratorów – liniowych i cyklicznych (głównie w cyklotronach i synchrotronach). Krótko mówiąc, liniowe akceleratory cząstek przepuszczają je raz przez sekwencjępola przyspieszające, podczas gdy w cyklicznym poruszają się one wielokrotnie po torze kołowym przez stosunkowo małe pola elektryczne. W obu przypadkach końcowa energia cząstek zależy od połączonego efektu pól, tak więc wiele małych „wstrząsów” sumuje się, aby dać łączny efekt jednego dużego.
Powtarzalna struktura akceleratora liniowego do tworzenia pól elektrycznych naturalnie wymaga użycia napięcia przemiennego, a nie stałego. Cząstki naładowane dodatnio są przyspieszane do potencjału ujemnego i uzyskują nowy impuls, jeśli przechodzą obok potencjału dodatniego. W praktyce napięcie powinno zmieniać się bardzo szybko. Na przykład przy energii 1 MeV proton porusza się z bardzo dużą prędkością 0,46 prędkości światła, pokonując 1,4 mw czasie 0,01 ms. Oznacza to, że w powtarzającym się wzorcu o długości kilku metrów pola elektryczne muszą zmieniać kierunek z częstotliwością co najmniej 100 MHz. Akceleratory liniowe i cykliczne naładowanych cząstek z reguły przyspieszają je za pomocą przemiennych pól elektrycznych o częstotliwości od 100 do 3000 MHz, czyli od fal radiowych do mikrofal.
Fala elektromagnetyczna to połączenie naprzemiennych pól elektrycznych i magnetycznych, które oscylują prostopadle do siebie. Kluczowym punktem akceleratora jest takie dostosowanie fali, aby po nadejściu cząstki pole elektryczne było skierowane zgodnie z wektorem przyspieszenia. Można to zrobić za pomocą fali stojącej - kombinacji fal rozchodzących się w przeciwnych kierunkach w zamkniętej pętli.przestrzeń, jak fale dźwiękowe w organowej piszczałce. Alternatywą dla bardzo szybko poruszających się elektronów, zbliżających się do prędkości światła, jest fala wędrująca.
Autofazowanie
Ważnym efektem przyspieszania w zmiennym polu elektrycznym jest „autofazowanie”. W jednym cyklu oscylacji pole przemienne przechodzi od zera przez wartość maksymalną ponownie do zera, spada do minimum i wzrasta do zera. Więc przechodzi przez wartość potrzebną do dwukrotnego przyspieszenia. Jeśli przyspieszająca cząstka dotrze zbyt wcześnie, nie będzie oddziaływać na nią wystarczająco silnego pola, a pchnięcie będzie słabe. Kiedy dotrze do następnej sekcji, spóźni się i odczuje silniejszy wpływ. W rezultacie nastąpi autofazowanie, cząstki będą w fazie z polem w każdym przyspieszającym regionie. Innym efektem byłoby zgrupowanie ich w czasie w skupienia, a nie ciągły strumień.
Kierunek wiązki
Pola magnetyczne również odgrywają ważną rolę w działaniu akceleratora cząstek naładowanych, ponieważ mogą zmieniać kierunek ich ruchu. Oznacza to, że można je wykorzystać do „wygięcia” belek po torze kołowym, tak aby kilkakrotnie przechodziły przez tę samą sekcję przyspieszającą. W najprostszym przypadku na naładowaną cząstkę poruszającą się pod kątem prostym do kierunku jednolitego pola magnetycznego działa siłaprostopadłe zarówno do wektora jego przemieszczenia, jak i do pola. Powoduje to, że wiązka porusza się po kołowej trajektorii prostopadłej do pola, aż opuści obszar działania lub zacznie na nią działać inna siła. Efekt ten jest wykorzystywany w akceleratorach cyklicznych, takich jak cyklotron i synchrotron. W cyklotronie stałe pole jest generowane przez duży magnes. Cząstki, wraz ze wzrostem ich energii, skręcają się na zewnątrz, przyspieszając z każdym obrotem. W synchrotronie wiązki poruszają się wokół pierścienia o stałym promieniu, a pole wytwarzane przez elektromagnesy wokół pierścienia wzrasta wraz z przyspieszeniem cząstek. Magnesy „zginające się” to dipole z biegunami północnym i południowym wygięte w kształt podkowy tak, aby wiązka mogła przechodzić między nimi.
Drugą ważną funkcją elektromagnesów jest skupienie wiązek tak, aby były jak najwęższe i najintensywniejsze. Najprostsza forma magnesu skupiającego ma cztery bieguny (dwa północne i dwa południowe) naprzeciw siebie. Popychają cząstki do środka w jednym kierunku, ale umożliwiają im propagację w kierunku prostopadłym. Magnesy kwadrupolowe skupiają wiązkę w poziomie, co pozwala na jej nieostre w pionie. Aby to zrobić, muszą być używane parami. Bardziej złożone magnesy z większą liczbą biegunów (6 i 8) są również używane do dokładniejszego ustawiania ostrości.
Wraz ze wzrostem energii cząsteczek wzrasta siła kierującego nimi pola magnetycznego. Dzięki temu wiązka pozostaje na tej samej ścieżce. Skrzep jest wprowadzany do pierścienia i przyspieszany dowymagana energia, zanim będzie mogła zostać pobrana i wykorzystana w eksperymentach. Wycofanie jest osiągane przez elektromagnesy, które włączają się, aby wypchnąć cząstki z pierścienia synchrotronowego.
Kolizja
Akceleratory cząstek stosowane w medycynie i przemyśle wytwarzają głównie wiązkę do określonego celu, takiego jak radioterapia lub implantacja jonów. Oznacza to, że cząstki są używane jednorazowo. Przez wiele lat to samo dotyczyło akceleratorów stosowanych w badaniach podstawowych. Ale w latach 70. opracowano pierścienie, w których dwie wiązki krążą w przeciwnych kierunkach i zderzają się wzdłuż całego obwodu. Główną zaletą takich instalacji jest to, że w zderzeniu czołowym energia cząstek przechodzi bezpośrednio na energię interakcji między nimi. Kontrastuje to z tym, co dzieje się, gdy wiązka zderza się z materiałem w spoczynku: w tym przypadku większość energii jest zużywana na wprawienie w ruch materiału docelowego, zgodnie z zasadą zachowania pędu.
Niektóre maszyny z belką zderzającą mają dwa pierścienie przecinające się w dwóch lub więcej miejscach, w których cząstki tego samego typu krążą w przeciwnych kierunkach. Częściej występują zderzacze z cząstkami i antycząstkami. Antycząstka ma ładunek przeciwny do powiązanej z nią cząstki. Na przykład pozyton jest naładowany dodatnio, podczas gdy elektron jest naładowany ujemnie. Oznacza to, że pole przyspieszające elektron spowalnia pozyton,w tym samym kierunku. Ale jeśli ten ostatni ruszy w przeciwnym kierunku, przyspieszy. Podobnie elektron poruszający się w polu magnetycznym zgina się w lewo, a pozyton w prawo. Ale jeśli pozyton zbliża się do niego, to jego ścieżka nadal będzie odchylać się w prawo, ale wzdłuż tej samej krzywej, co elektron. Razem oznacza to, że cząstki te mogą poruszać się wzdłuż pierścienia synchrotronowego dzięki tym samym magnesom i być przyspieszane przez te same pola elektryczne w przeciwnych kierunkach. Wiele z najpotężniejszych zderzaczy na belkach zderzających zostało stworzonych zgodnie z tą zasadą, ponieważ wymagany jest tylko jeden pierścień akceleratora.
Wiązka w synchrotronie nie porusza się w sposób ciągły, ale łączy się w „kępy”. Mogą mieć kilka centymetrów długości i jedną dziesiątą milimetra średnicy i zawierać około 1012 cząstek. Jest to mała gęstość, ponieważ substancja tej wielkości zawiera około 1023 atomów. Dlatego też, gdy wiązki przecinają się z nadchodzącymi wiązkami, istnieje tylko niewielka szansa, że cząstki będą ze sobą oddziaływać. W praktyce kiście nadal poruszają się po ringu i ponownie spotykają. Głęboka próżnia w akceleratorze cząstek (10-11 mmHg) jest konieczna, aby cząsteczki mogły krążyć przez wiele godzin bez kolizji z cząsteczkami powietrza. Dlatego pierścienie nazywane są również akumulacyjnymi, ponieważ wiązki są w nich faktycznie przechowywane przez kilka godzin.
Zarejestruj się
Akceleratory cząstek w większości mogą rejestrować, co się dzieje, gdygdy cząstki trafią w cel lub inną wiązkę poruszającą się w przeciwnym kierunku. W kineskopie telewizyjnym elektrony z pistoletu uderzają w luminofor na wewnętrznej powierzchni ekranu i emitują światło, które w ten sposób odtwarza transmitowany obraz. W akceleratorach takie wyspecjalizowane detektory reagują na rozproszone cząstki, ale zwykle są przeznaczone do generowania sygnałów elektrycznych, które można przekształcić w dane komputerowe i analizować za pomocą programów komputerowych. Tylko naładowane elementy wytwarzają sygnały elektryczne przechodząc przez materiał, na przykład przez wzbudzające lub jonizujące atomy, i mogą być wykrywane bezpośrednio. Cząstki neutralne, takie jak neutrony lub fotony, można wykryć pośrednio poprzez zachowanie naładowanych cząstek, które wprawiają w ruch.
Istnieje wiele wyspecjalizowanych detektorów. Niektóre z nich, jak licznik Geigera, po prostu zliczają cząstki, inne służą np. do rejestrowania torów, pomiaru prędkości, czy pomiaru ilości energii. Nowoczesne detektory różnią się wielkością i technologią, od małych urządzeń ze sprzężeniem ładunkowym po duże, wypełnione przewodami komory wypełnione gazem, które wykrywają zjonizowane ślady tworzone przez naładowane cząstki.
Historia
Akceleratory cząstek zostały opracowane głównie do badania właściwości jąder atomowych i cząstek elementarnych. Od odkrycia reakcji między jądrem azotu a cząstką alfa przez brytyjskiego fizyka Ernesta Rutherforda w 1919 r. wszystkie badania w fizyce jądrowej doRok 1932 spędził z jądrami helu uwolnionymi z rozpadu naturalnych pierwiastków promieniotwórczych. Naturalne cząstki alfa mają energię kinetyczną 8 MeV, ale Rutherford uważał, że aby zaobserwować rozpad ciężkich jąder, trzeba je sztucznie przyspieszać do jeszcze większych wartości. Wtedy wydawało się to trudne. Jednak obliczenia wykonane w 1928 r. przez Georgy Gamowa (na Uniwersytecie w Getyndze w Niemczech) wykazały, że można stosować jony o znacznie niższych energiach, co pobudziło próby zbudowania obiektu, który zapewniłby wiązkę wystarczającą do badań jądrowych.
Inne wydarzenia z tego okresu pokazały zasady, według których akceleratory cząstek są budowane do dziś. Pierwsze udane eksperymenty ze sztucznie przyspieszanymi jonami przeprowadzili Cockcroft i W alton w 1932 roku na Uniwersytecie Cambridge. Używając powielacza napięcia, przyspieszyli protony do 710 keV i wykazali, że te ostatnie reagują z jądrem litu, tworząc dwie cząstki alfa. W 1931 roku na Uniwersytecie Princeton w New Jersey Robert van de Graaff zbudował pierwszy generator elektrostatyczny o wysokim potencjale. Wzmacniacze napięcia Cockcrofta-W altona i generatory Van de Graaffa są nadal używane jako źródła zasilania akceleratorów.
Zasada liniowego akceleratora rezonansowego została zademonstrowana przez Rolfa Wideröe w 1928 roku. Na Politechnice Nadreńsko-Westfalskiej w Akwizgranie w Niemczech zastosował on wysokie napięcie przemienne do dwukrotnego przyspieszenia jonów sodu i potasu do energiiprzewyższających zgłoszone przez nich. W 1931 roku w Stanach Zjednoczonych Ernest Lawrence i jego asystent David Sloan z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wykorzystali pola wysokiej częstotliwości do przyspieszenia jonów rtęci do energii przekraczającej 1,2 MeV. Ta praca uzupełniła akcelerator ciężkich cząstek Wideröe, ale wiązki jonów nie były przydatne w badaniach jądrowych.
Akcelerator rezonansu magnetycznego, czyli cyklotron, został wymyślony przez Lawrence'a jako modyfikacja instalacji Wideröe. Uczeń Lawrence'a Livingstona zademonstrował zasadę działania cyklotronu w 1931 roku, wytwarzając jony 80 keV. W 1932 Lawrence i Livingston ogłosili przyspieszenie protonów do ponad 1 MeV. Później, w latach 30., energia cyklotronów osiągnęła około 25 MeV, a generatorów Van de Graaffa około 4 MeV. W 1940 roku Donald Kerst, wykorzystując wyniki dokładnych obliczeń orbitalnych do projektowania magnesów, zbudował na Uniwersytecie Illinois pierwszy betatron, akcelerator elektronów z indukcją magnetyczną.
Nowoczesna fizyka: akceleratory cząstek
Po II wojnie światowej nauka o przyspieszaniu cząstek do wysokich energii poczyniła szybkie postępy. Zapoczątkowali ją Edwin Macmillan w Berkeley i Vladimir Veksler w Moskwie. W 1945 roku obaj niezależnie opisali zasadę stabilności faz. Koncepcja ta oferuje sposób na utrzymanie stabilnych orbit cząstek w akceleratorze cyklicznym, który zniósł ograniczenie energii protonów i umożliwił stworzenie akceleratorów rezonansu magnetycznego (synkrotronów) dla elektronów. Autofazowanie, realizacja zasady stabilności faz, została potwierdzona po zbudowaniumały synchrocyklotron na Uniwersytecie Kalifornijskim i synchrotron w Anglii. Wkrótce potem powstał pierwszy protonowy liniowy akcelerator rezonansowy. Zasada ta została zastosowana we wszystkich dużych synchrotronach protonowych zbudowanych od tego czasu.
W 1947 roku William Hansen na Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii zbudował pierwszy akcelerator elektronów z liniową falą biegnącą, wykorzystując technologię mikrofalową, która została opracowana dla radarów podczas II wojny światowej.
Postęp w badaniach był możliwy dzięki zwiększeniu energii protonów, co doprowadziło do budowy coraz większych akceleratorów. Ten trend został zahamowany przez wysokie koszty wytwarzania ogromnych magnesów pierścieniowych. Największy waży około 40 000 ton. Sposoby zwiększania energii bez zwiększania rozmiarów maszyn zademonstrowali w 1952 Livingston, Courant i Snyder w technice naprzemiennego ogniskowania (czasami nazywanej silnym ogniskowaniem). Synchrotrony oparte na tej zasadzie wykorzystują magnesy 100 razy mniejsze niż dotychczas. Takie ogniskowanie jest stosowane we wszystkich nowoczesnych synchrotronach.
W 1956 Kerst zdał sobie sprawę, że jeśli dwa zestawy cząstek są utrzymywane na przecinających się orbitach, można zaobserwować ich zderzenia. Zastosowanie tego pomysłu wymagało akumulacji przyspieszonych wiązek w cyklach zwanych magazynowaniem. Technologia ta umożliwiła osiągnięcie maksymalnej energii interakcji cząstek.
