Ubrzivač čestica je uređaj koji stvara snop električno nabijenih atomskih ili subatomskih čestica koje se kreću brzinom skorom svjetlosti. Njegov se rad temelji na povećanju njihove energije električnim poljem i promjeni putanje - magnetskim.
Čemu služe akceleratori čestica?
Ovi uređaji se široko koriste u raznim područjima znanosti i industrije. Danas ih u cijelom svijetu ima više od 30 tisuća. Za fizičara, akceleratori čestica služe kao alat za temeljna istraživanja strukture atoma, prirode nuklearnih sila i svojstava jezgri koja se ne pojavljuju u prirodi. Potonji uključuju transuran i druge nestabilne elemente.
Uz pomoć cijevi za pražnjenje postalo je moguće odrediti specifično punjenje. Akceleratori čestica se također koriste u proizvodnji radioizotopa, u industrijskoj radiografiji, u terapiji zračenjem, u sterilizaciji bioloških materijala i u radiougljiku.analiza. Najveće instalacije koriste se u proučavanju temeljnih interakcija.
Životni vijek nabijenih čestica u mirovanju u odnosu na akcelerator kraći je od životnog vijeka čestica ubrzanih do brzina bliskih brzini svjetlosti. To potvrđuje relativnost vremenskih intervala SRT. Na primjer, u CERN-u je postignuto 29 puta povećanje životnog vijeka miona pri brzini od 0,9994c.
Ovaj članak govori o tome kako radi akcelerator čestica, njegovom razvoju, različitim vrstama i karakterističnim značajkama.
Načela ubrzanja
Bez obzira koje akceleratore čestica poznajete, svi imaju zajedničke elemente. Prvo, svi oni moraju imati izvor elektrona u slučaju televizijskog kineskopa, odnosno elektrona, protona i njihovih antičestica u slučaju većih instalacija. Osim toga, svi oni moraju imati električna polja za ubrzanje čestica i magnetska polja za kontrolu njihove putanje. Osim toga, vakuum u akceleratoru čestica (10-11 mm Hg), tj. minimalna količina preostalog zraka, neophodan je kako bi se osigurao dug životni vijek snopova. I, konačno, sve instalacije moraju imati sredstva za registraciju, brojanje i mjerenje ubrzanih čestica.
generacija
Elektroni i protoni, koji se najčešće koriste u akceleratorima, nalaze se u svim materijalima, ali prvo ih treba izolirati od njih. Obično se generiraju elektronibaš kao u kineskopu – u spravi zvanoj “puška”. To je katoda (negativna elektroda) u vakuumu, koja se zagrijava do točke u kojoj se elektroni počinju odvajati od atoma. Negativno nabijene čestice privlače se na anodu (pozitivnu elektrodu) i prolaze kroz izlaz. Sam pištolj je i najjednostavniji akcelerator, budući da se elektroni kreću pod utjecajem električnog polja. Napon između katode i anode obično je između 50-150 kV.
Pored elektrona, svi materijali sadrže i protone, ali samo jezgre vodikovih atoma sastoje se od pojedinačnih protona. Stoga je izvor čestica za protonske akceleratore plinoviti vodik. U tom slučaju plin se ionizira i protoni izlaze kroz rupu. U velikim akceleratorima protoni se često proizvode kao negativni vodikovi ioni. Oni su atomi s dodatnim elektronom, koji su proizvod ionizacije dvoatomskog plina. Lakše je raditi s negativno nabijenim vodikovim ionima u početnim fazama. Zatim se propuštaju kroz tanku foliju koja im oduzima elektrone prije završne faze ubrzanja.
Ubrzanje
Kako rade akceleratori čestica? Ključna značajka svakog od njih je električno polje. Najjednostavniji primjer je jednolično statičko polje između pozitivnih i negativnih električnih potencijala, slično onome koje postoji između terminala električne baterije. U takvimpolju, elektron koji nosi negativan naboj podliježe sili koja ga usmjerava prema pozitivnom potencijalu. Ona ga ubrzava, a ako ništa ne može spriječiti to, njegova brzina i energija se povećavaju. Elektroni koji se kreću prema pozitivnom potencijalu u žici ili čak u zraku sudaraju se s atomima i gube energiju, ali ako su u vakuumu, ubrzavaju se kako se približavaju anodi.
Napon između početnog i konačnog položaja elektrona određuje energiju koju on dobiva. Kada se kreće kroz razliku potencijala od 1 V, ona je jednaka 1 elektron-voltu (eV). To je ekvivalentno 1,6 × 10-19 džula. Energija letećeg komarca je trilijun puta veća. U kineskopu se elektroni ubrzavaju naponom od preko 10 kV. Mnogi akceleratori postižu mnogo veće energije, mjerene u mega-, giga- i teraelektronvoltima.
Varieties
Neke od najranijih vrsta akceleratora čestica, kao što su množitelj napona i Van de Graaffov generator, koristile su konstantna električna polja generirana potencijalima do milijun volti. Nije lako raditi s tako visokim naponima. Praktičnija alternativa je ponavljajuće djelovanje slabih električnih polja koje stvaraju niski potencijali. Ovaj princip se koristi u dvije vrste modernih akceleratora - linearnim i cikličkim (uglavnom u ciklotronima i sinkrotronima). Ukratko, linearni akceleratori čestica prolaze ih jednom kroz nizubrzavajuća polja, dok se u cikličnom više puta kreću kružnim putem kroz relativno mala električna polja. U oba slučaja, konačna energija čestica ovisi o kombiniranom učinku polja, tako da se mnogi mali "udari" zbrajaju kako bi dobili kombinirani učinak jednog velikog.
Ponavljajuća struktura linearnog akceleratora za stvaranje električnih polja prirodno uključuje korištenje izmjeničnog, a ne istosmjernog napona. Pozitivno nabijene čestice se ubrzavaju prema negativnom potencijalu i dobivaju novi poticaj ako prođu pored pozitivnog. U praksi bi se napon trebao mijenjati vrlo brzo. Na primjer, pri energiji od 1 MeV, proton putuje vrlo velikom brzinom od 0,46 brzine svjetlosti, putujući 1,4 m za 0,01 ms. To znači da u obrascu koji se ponavlja nekoliko metara, električna polja moraju mijenjati smjer na frekvenciji od najmanje 100 MHz. Linearni i ciklički akceleratori nabijenih čestica u pravilu ih ubrzavaju pomoću izmjeničnih električnih polja frekvencije od 100 do 3000 MHz, tj. u rasponu od radio valova do mikrovalova.
Elektromagnetski val je kombinacija izmjeničnih električnih i magnetskih polja koja osciliraju okomito jedno na drugo. Ključna točka akceleratora je prilagoditi val tako da kada čestica stigne, električno polje bude usmjereno u skladu s vektorom ubrzanja. To se može učiniti stajaćim valom – kombinacijom valova koji putuju u suprotnim smjerovima u zatvorenoj petlji.prostor, poput zvučnih valova u cijevi za orgulje. Alternativa za vrlo brze elektrone koji se približavaju brzini svjetlosti je putujući val.
Autofaziranje
Važan učinak pri ubrzanju u izmjeničnom električnom polju je "autofaziranje". U jednom ciklusu titranja, izmjenično polje ide od nule preko maksimalne vrijednosti opet do nule, pada na minimum i raste na nulu. Dakle, prolazi kroz vrijednost potrebnu za dvostruko ubrzanje. Ako čestica koja ubrzava stigne prerano, tada na nju neće utjecati polje dovoljne snage, a pritisak će biti slab. Kad stigne do sljedećeg dijela, zakasnit će i doživjet će jači udar. Kao rezultat toga, doći će do autofaziranja, čestice će biti u fazi s poljem u svakom području ubrzanja. Drugi učinak bi bio da ih se tijekom vremena grupiše u nakupine, a ne u kontinuirani tok.
Smjer snopa
Magnetska polja također igraju važnu ulogu u tome kako radi akcelerator nabijenih čestica, jer mogu promijeniti smjer svog kretanja. To znači da se pomoću njih mogu "savijati" grede duž kružne staze tako da nekoliko puta prolaze kroz isti dio ubrzanja. U najjednostavnijem slučaju, nabijena čestica koja se kreće pod pravim kutom u odnosu na smjer jednoličnog magnetskog polja podvrgnuta je siliokomito i na vektor njegovog pomaka i na polje. To uzrokuje da se snop kreće duž kružne putanje okomito na polje sve dok ne napusti područje djelovanja ili neka druga sila ne počne djelovati na nju. Ovaj učinak se koristi u cikličkim akceleratorima kao što su ciklotron i sinkrotron. U ciklotronu, konstantno polje stvara veliki magnet. Čestice, kako njihova energija raste, spiralno se kreću prema van, ubrzavajući se svakim okretajem. U sinkrotronu, snopovi se kreću oko prstena s konstantnim polumjerom, a polje koje stvaraju elektromagneti oko prstena povećava se kako se čestice ubrzavaju. Magneti "savijanja" su dipoli sa sjevernim i južnim polom savijenim u obliku potkove kako bi snop mogao proći između njih.
Druga važna funkcija elektromagneta je koncentrirati zrake tako da budu što uži i intenzivniji. Najjednostavniji oblik magneta za fokusiranje je s četiri pola (dva sjeverna i dva južna) jedan nasuprot drugome. Oni guraju čestice prema središtu u jednom smjeru, ali im dopuštaju da se šire u okomitom smjeru. Kvadrupolni magneti fokusiraju zraku vodoravno, dopuštajući joj da izoštri okomito. Da biste to učinili, moraju se koristiti u paru. Složeniji magneti s više polova (6 i 8) također se koriste za preciznije fokusiranje.
Kako se energija čestica povećava, povećava se i snaga magnetskog polja koje ih vodi. To održava zraku na istom putu. Ugrušak se uvodi u prsten i ubrzava dopotrebna energija prije nego što se može povući i upotrijebiti u eksperimentima. Povlačenje se postiže elektromagnetima koji se uključuju da potiskuju čestice iz sinkrotronskog prstena.
Sudar
Ubrzivači čestica koji se koriste u medicini i industriji uglavnom proizvode snop za određenu svrhu, kao što je terapija zračenjem ili ionska implantacija. To znači da se čestice koriste jednom. Dugi niz godina isto je vrijedilo za akceleratore koji se koriste u temeljnim istraživanjima. No, 1970-ih godina razvijeni su prstenovi u kojima dvije zrake kruže u suprotnim smjerovima i sudaraju se duž cijelog kruga. Glavna prednost ovakvih instalacija je u tome što u frontalnom sudaru energija čestica ide izravno u energiju međudjelovanja među njima. To je u suprotnosti s onim što se događa kada se snop sudara s materijalom koji miruje: u ovom slučaju, većina energije se troši na pokretanje ciljanog materijala, u skladu s načelom očuvanja zamaha.
Neki strojevi sa sudarajućim zrakama izgrađeni su s dva prstena koji se sijeku na dva ili više mjesta, u kojima čestice istog tipa kruže u suprotnim smjerovima. Češći su sudarači s česticama i antičesticama. Antičestica ima suprotan naboj od pridružene čestice. Na primjer, pozitron je pozitivno nabijen, dok je elektron negativno nabijen. To znači da polje koje ubrzava elektron usporava pozitron,krećući se u istom smjeru. Ali ako se potonji kreće u suprotnom smjeru, ubrzat će se. Slično, elektron koji se kreće kroz magnetsko polje savijat će se ulijevo, a pozitron udesno. Ali ako se pozitron kreće prema njemu, tada će njegova putanja i dalje skrenuti udesno, ali duž iste krivulje kao i elektron. Zajedno, to znači da se te čestice mogu kretati duž sinkrotronskog prstena zbog istih magneta i biti ubrzane istim električnim poljima u suprotnim smjerovima. Mnogi od najmoćnijih sudarača na sudarajućim snopovima stvoreni su prema ovom principu, budući da je potreban samo jedan akceleratorski prsten.
Snop u sinkrotronu se ne kreće kontinuirano, već se spaja u "grude". Mogu biti dugi nekoliko centimetara i desetinke milimetra u promjeru i sadržavati oko 1012 čestica. Ovo je mala gustoća, budući da tvar ove veličine sadrži oko 1023 atoma. Stoga, kada se snopovi sijeku s nadolazećim snopovima, postoji samo mala šansa da će čestice međusobno komunicirati. U praksi se grozdovi nastavljaju kretati duž prstena i ponovno se susreću. Duboki vakuum u akceleratoru čestica (10-11 mmHg) je neophodan kako bi čestice mogle cirkulirati mnogo sati bez sudara s molekulama zraka. Stoga se prstenovi nazivaju i akumulativnim, budući da su snopovi zapravo pohranjeni u njima nekoliko sati.
Registracija
Ubrzivači čestica većinom mogu registrirati što se događa kadakada čestice udare u metu ili drugu zraku koja se kreće u suprotnom smjeru. U televizijskom kineskopu, elektroni iz pištolja udaraju u fosfor na unutarnjoj površini ekrana i emitiraju svjetlost, koja tako rekreira prenesenu sliku. U akceleratorima takvi specijalizirani detektori reagiraju na raspršene čestice, ali su obično dizajnirani za generiranje električnih signala koji se mogu pretvoriti u računalne podatke i analizirati pomoću računalnih programa. Samo nabijeni elementi stvaraju električne signale prolazeći kroz materijal, na primjer uzbudljivim ili ionizirajućim atomima, i mogu se izravno detektirati. Neutralne čestice kao što su neutroni ili fotoni mogu se otkriti neizravno kroz ponašanje nabijenih čestica koje pokreću.
Postoji mnogo specijaliziranih detektora. Neki od njih, poput Geigerovog brojača, jednostavno broje čestice, dok se drugi koriste, na primjer, za snimanje staza, mjerenje brzine ili mjerenje količine energije. Moderni detektori u rasponu su veličine i tehnologije od malih uređaja spojenih na punjenje do velikih komora ispunjenih žicom plinom koje otkrivaju ionizirane tragove stvorene nabijenim česticama.
Povijest
Ubrzivači čestica uglavnom su razvijeni za proučavanje svojstava atomskih jezgri i elementarnih čestica. Od otkrića reakcije između jezgre dušika i alfa čestice od strane britanskog fizičara Ernesta Rutherforda 1919., sva istraživanja u nuklearnoj fizici do1932. je potrošena s helijevim jezgrama oslobođenim raspadanjem prirodnih radioaktivnih elemenata. Prirodne alfa čestice imaju kinetičku energiju od 8 MeV, no Rutherford je vjerovao da ih je potrebno umjetno ubrzati do još većih vrijednosti kako bi se promatrao raspad teških jezgri. U to vrijeme se činilo teškim. Međutim, izračun koji je 1928. napravio Georgy Gamow (na Sveučilištu u Göttingenu, Njemačka) pokazao je da se mogu koristiti ioni s mnogo nižim energijama, a to je potaknulo pokušaje izgradnje postrojenja koje bi davalo snop dovoljan za nuklearna istraživanja.
Drugi događaji iz ovog razdoblja pokazali su principe po kojima se akceleratori čestica grade do danas. Prve uspješne eksperimente s umjetno ubrzanim ionima izveli su Cockcroft i W alton 1932. godine na Sveučilištu Cambridge. Koristeći množitelj napona, ubrzali su protone na 710 keV i pokazali da potonji reagiraju s jezgrom litija i tvore dvije alfa čestice. Do 1931. godine, na Sveučilištu Princeton u New Jerseyju, Robert van de Graaff izgradio je prvi remeni elektrostatički generator visokog potencijala. Cockcroft-W altonovi množitelji napona i Van de Graaffovi generatori i dalje se koriste kao izvori energije za akceleratore.
Načelo linearnog rezonantnog akceleratora demonstrirao je Rolf Wideröe 1928. Na Tehnološkom sveučilištu Rajna-Vestfalija u Aachenu, Njemačka, koristio je visoki izmjenični napon da dvaput ubrza natrijeve i kalijeve ione do energijepremašuju one koje su oni prijavili. Godine 1931. u Sjedinjenim Državama, Ernest Lawrence i njegov pomoćnik David Sloan sa Sveučilišta u Kaliforniji, Berkeley koristili su visokofrekventna polja kako bi ubrzali živine ione do energije veće od 1,2 MeV. Ovaj rad je dopunio Wideröe akcelerator teških čestica, ali ionske zrake nisu bile korisne u nuklearnim istraživanjima.
Magnetski rezonantni akcelerator, ili ciklotron, osmislio je Lawrence kao modifikaciju Wideröe instalacije. Učenik Lawrencea Livingstona demonstrirao je princip rada ciklotrona 1931. proizvodeći ione od 80 keV. Godine 1932. Lawrence i Livingston objavili su ubrzanje protona na više od 1 MeV. Kasnije, 1930-ih, energija ciklotrona dosegnula je oko 25 MeV, a energija Van de Graaffovih generatora oko 4 MeV. Godine 1940. Donald Kerst, primjenjujući rezultate pažljivih orbitalnih proračuna na dizajn magneta, izgradio je prvi betatron, akcelerator elektrona s magnetskom indukcijom, na Sveučilištu Illinois.
Moderna fizika: akceleratori čestica
Nakon Drugog svjetskog rata, znanost o ubrzavanju čestica do visokih energija brzo je napredovala. Pokrenuli su ga Edwin Macmillan na Berkeleyu i Vladimir Veksler u Moskvi. 1945. obojica su neovisno opisali princip fazne stabilnosti. Ovaj koncept nudi način održavanja stabilnih orbita čestica u cikličkom akceleratoru, koji je uklonio ograničenje na energiju protona i omogućio stvaranje akceleratora magnetske rezonancije (sinkrotrona) za elektrone. Autofaziranje, implementacija principa fazne stabilnosti, potvrđeno je nakon izgradnjemali sinkrociklotron na Sveučilištu u Kaliforniji i sinkrotron u Engleskoj. Ubrzo nakon toga stvoren je prvi protonski linearni rezonantni akcelerator. Ovaj princip se koristi u svim velikim protonskim sinhrotronima izgrađenim od tada.
Godine 1947. William Hansen, na Sveučilištu Stanford u Kaliforniji, izgradio je prvi linearni putujući val elektrona akcelerator koristeći mikrovalnu tehnologiju koja je razvijena za radar tijekom Drugog svjetskog rata.
Napredak u istraživanju bio je moguć povećanjem energije protona, što je dovelo do izgradnje sve većih akceleratora. Ovaj trend je zaustavljen visokim troškovima izrade ogromnih prstenastih magneta. Najveći je težak oko 40.000 tona. Načine povećanja energije bez povećanja veličine strojeva demonstrirali su 1952. Livingston, Courant i Snyder u tehnici naizmjeničnog fokusiranja (ponekad se naziva jako fokusiranje). Sinkrotroni temeljeni na ovom principu koriste magnete 100 puta manje nego prije. Takvo se fokusiranje koristi u svim modernim sinkrotronima.
Godine 1956. Kerst je shvatio da ako se dva skupa čestica drže u orbitama koje se sijeku, mogu se promatrati sudare. Primjena ove ideje zahtijevala je akumulaciju ubrzanih zraka u ciklusima koji se nazivaju skladištenje. Ova tehnologija je omogućila postizanje maksimalne energije interakcije čestica.
