Ubrzivač čestica je uređaj koji stvara snop električno nabijenih atomskih ili subatomskih čestica koje se kreću brzinom skorom svjetlosti. Njegov rad se zasniva na povećanju njihove energije električnim poljem i promjeni putanje - magnetskim.
Čemu služe akceleratori čestica?
Ovi uređaji se široko koriste u raznim oblastima nauke i industrije. Danas ih ima više od 30 hiljada širom svijeta. Za fizičara, akceleratori čestica služe kao oruđe za fundamentalna istraživanja strukture atoma, prirode nuklearnih sila i svojstava jezgara koja se ne javljaju u prirodi. Potonji uključuju transuranijum 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 radiokarbonatu.analiza. Najveće instalacije se koriste u proučavanju fundamentalnih interakcija.
Životni vijek nabijenih čestica u mirovanju u odnosu na akcelerator kraći je od životnog vijeka čestica ubrzanih do brzina bliskih brzini svjetlosti. Ovo 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 tipovima i karakterističnim karakteristikama.
Principi ubrzanja
Bez obzira koje akceleratore čestica poznajete, svi oni imaju zajedničke elemente. Prvo, svi oni moraju imati izvor elektrona u slučaju televizijskog kineskopa, ili elektrona, protona i njihovih antičestica u slučaju većih instalacija. Osim toga, svi oni moraju imati električna polja za ubrzanje čestica i magnetna polja za kontrolu njihove putanje. Osim toga, vakuum u akceleratoru čestica (10-11 mm Hg), odnosno minimalna količina preostalog zraka, neophodan je da bi se osigurao dug vijek trajanja snopa. 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 izolovati od njih. Obično se generišu elektronibaš kao u kineskopu - u uređaju koji se zove "puška". To je katoda (negativna elektroda) u vakuumu, koja se zagrijava do točke u kojoj elektroni počinju da se odvajaju 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 je obično između 50-150 kV.
Pored elektrona, svi materijali sadrže i protone, ali samo jezgra atoma vodonika sastoje se od pojedinačnih protona. Stoga je izvor čestica za protonske akceleratore plinoviti vodonik. U ovom slučaju, gas se jonizuje i protoni izlaze kroz rupu. U velikim akceleratorima, protoni se često proizvode kao negativni ioni vodika. Oni su atomi sa dodatnim elektronom, koji su proizvod jonizacije dvoatomskog gasa. Lakše je raditi s negativno nabijenim ionima vodika u početnim fazama. Zatim se propuštaju kroz tanku foliju koja im oduzima elektrone prije završne faze ubrzanja.
Ubrzanje
Kako rade akceleratori čestica? Ključna karakteristika svakog od njih je električno polje. Najjednostavniji primjer je jednolično statičko polje između pozitivnih i negativnih električnih potencijala, slično onom koje postoji između terminala električne baterije. U takvimpolju, elektron koji nosi negativan naboj je podložan sili koja ga usmjerava prema pozitivnom potencijalu. Ona ga ubrzava, a ako ništa ne može spriječiti, 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 početne i krajnje pozicije elektrona određuje energiju koju on dobija. Kada se kreće kroz potencijalnu razliku od 1 V, ona je jednaka 1 elektron voltu (eV). Ovo je ekvivalentno 1,6 × 10-19 džula. Energija letećeg komarca je trilion 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
Neki od najranijih tipova akceleratora čestica, kao što su množitelj napona i Van de Graaffov generator, koristili su konstantna električna polja generirana potencijalima do milion volti. Nije lako raditi sa tako visokim naponima. Praktičnija alternativa je ponavljajuće djelovanje slabih električnih polja koje stvaraju niski potencijali. Ovaj princip se koristi u dva tipa modernih akceleratora - linearnim i cikličkim (uglavnom u ciklotronima i sinhrotronima). Ukratko, linearni akceleratori čestica prolaze ih jednom kroz nizubrzavajuća polja, dok se u cikličnom više puta kreću kružnom putanjom kroz relativno mala električna polja. U oba slučaja, konačna energija čestica zavisi od kombinovanog efekta polja, tako da se mnogo malih "udaraca" sabira da bi dalo kombinovani efekat jednog velikog.
Ponavljajuća struktura linearnog akceleratora za stvaranje električnih polja prirodno uključuje upotrebu izmjeničnog, a ne istosmjernog napona. Pozitivno nabijene čestice se ubrzavaju prema negativnom potencijalu i dobivaju novi zamah ako prođu pored pozitivnog. U praksi, napon bi se 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 ciklični akceleratori naelektrisanih čestica po pravilu ih ubrzavaju pomoću naizmeničnih električnih polja frekvencije od 100 do 3000 MHz, odnosno u rasponu od radio talasa do mikrotalasa.
Elektromagnetski talas je kombinacija naizmeničnih električnih i magnetnih polja koja osciliraju okomito jedno na drugo. Ključna tačka akceleratora je da prilagodi val tako da kada čestica stigne, električno polje bude usmjereno u skladu s vektorom ubrzanja. To se može učiniti sa stajaćim valom - kombinacijom valova koji putuju u suprotnim smjerovima u zatvorenoj petlji.prostor, poput zvučnih valova u cijevi za orgulje. Alternativa za veoma brze elektrone koji se približavaju brzini svetlosti je putujući talas.
Autofaziranje
Važan efekat pri ubrzanju u naizmeničnom električnom polju je "autofaziranje". U jednom ciklusu oscilovanja, naizmenično polje ide od nule preko maksimalne vrednosti ponovo do nule, pada na minimum i raste na nulu. Dakle, prolazi kroz vrijednost potrebnu za ubrzanje dvaput. Ako čestica koja ubrzava stigne prerano, tada na nju neće uticati polje dovoljne snage, a pritisak će biti slab. Kad stigne do sljedećeg dijela, zakasnit će i osjetit će jači udar. Kao rezultat toga, doći će do autofaziranja, čestice će biti u fazi sa poljem u svakom području ubrzanja. Drugi efekat bi bio da ih grupišete tokom vremena u gomile, a ne u kontinuirani tok.
Smjer snopa
Magnetna polja takođe igraju važnu ulogu u tome kako radi akcelerator naelektrisanih čestica, jer mogu promeniti smer 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 uglom u smjeru jednolikog 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 njega. Ovaj efekat se koristi u cikličkim akceleratorima kao što su ciklotron i sinhrotron. U ciklotronu, konstantno polje generiše veliki magnet. Čestice, kako njihova energija raste, spiralno se kreću prema van, ubrzavajući se sa svakim obrtajem. U sinhrotronu, snopovi se kreću oko prstena konstantnog radijusa, 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 potkovice tako da snop može proći između njih.
Druga važna funkcija elektromagneta je koncentriranje snopa tako da budu što uži i intenzivniji. Najjednostavniji oblik magneta za fokusiranje je sa četiri pola (dva sjeverna i dva južna) jedan naspram drugog. Oni guraju čestice prema centru u jednom smjeru, ali im dozvoljavaju da se šire u okomitom smjeru. Kvadrupolni magneti fokusiraju snop horizontalno, omogućavajući mu da izađe van fokusa okomito. Da biste to učinili, moraju se koristiti u paru. Za preciznije fokusiranje koriste se i složeniji magneti sa više polova (6 i 8).
Kako se energija čestica povećava, povećava se i jačina magnetnog polja koje ih vodi. Ovo održava zraku na istoj putanji. Ugrušak se unosi u prsten i ubrzava dopotrebna energija prije nego što se može povući i koristiti u eksperimentima. Povlačenje se postiže elektromagnetima koji se uključuju da potiskuju čestice iz sinhrotronskog prstena.
Sudar
Ubrzivači čestica koji se koriste u medicini i industriji uglavnom proizvode snop za određenu svrhu, kao što je radioterapija ili implantacija jona. To znači da se čestice koriste jednom. Dugi niz godina, isto je važilo i za akceleratore koji se koriste u osnovnim istraživanjima. Ali 1970-ih godina razvijeni su prstenovi u kojima dva snopa kruže u suprotnim smjerovima i sudaraju se duž cijelog kruga. Glavna prednost ovakvih instalacija je da u direktnom sudaru energija čestica prelazi direktno u energiju interakcije između njih. Ovo je u suprotnosti sa onim što se dešava kada se snop sudara sa materijalom koji miruje: u ovom slučaju, većina energije se troši na pokretanje ciljanog materijala, u skladu sa principom očuvanja količine kretanja.
Neke mašine sa sudarajućim snopovima su izgrađene sa dva prstena koja se seku na dva ili više mesta, u kojima čestice istog tipa kruže u suprotnim smerovima. Češći su kolajderi sa 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 pravcu. Ali ako se potonji kreće u suprotnom smjeru, ubrzat će se. Slično, elektron koji se kreće kroz magnetsko polje će se savijati 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 ove čestice mogu kretati duž sinhrotronskog 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, jer je potreban samo jedan akceleratorski prsten.
Snop u sinhrotronu se ne kreće neprekidno, već se kombinuje u "grupe". Mogu biti dugi nekoliko centimetara i deseti dio milimetra u prečniku i sadržavati oko 1012 čestica. Ovo je mala gustina, budući da supstanca ove veličine sadrži oko 1023 atoma. Stoga, kada se snopovi ukrštaju sa nadolazećim snopovima, postoji samo mala šansa da će čestice međusobno komunicirati. U praksi, grozdovi nastavljaju da se kreću duž prstena i ponovo se sastaju. Duboki vakuum u akceleratoru čestica (10-11 mmHg) je neophodan kako bi čestice mogle da kruže mnogo sati bez sudara sa molekulima vazduha. Zbog toga se prstenovi nazivaju i akumulativnim, jer su snopovi zapravo pohranjeni u njima nekoliko sati.
Registracija
Akceleratori čestica uglavnom mogu registrovati šta se dešava kadakada čestice udare u metu ili drugi snop koji se kreće u suprotnom smjeru. U televizijskom kineskopu, elektroni iz pištolja udaraju u fosfor na unutrašnjoj površini ekrana i emituju svjetlost, koja na taj način rekreira prenesenu sliku. U akceleratorima, takvi specijalizovani detektori reaguju na rasute čestice, ali su obično dizajnirani da generišu električne signale koji se mogu pretvoriti u kompjuterske podatke i analizirati pomoću kompjuterskih programa. Samo nabijeni elementi stvaraju električne signale prolazeći kroz materijal, na primjer uzbudljivim ili ionizirajućim atomima, i mogu se direktno detektirati. Neutralne čestice kao što su neutroni ili fotoni mogu se otkriti indirektno kroz ponašanje nabijenih čestica koje pokreću.
Postoji mnogo specijalizovanih 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 se razlikuju po veličini i tehnologiji, od malih uređaja sa spojenim punjenjem do velikih komora ispunjenih žicom plinom koje detektuju jonizirane tragove stvorene nabijenim česticama.
Historija
Ubrzivači čestica su uglavnom razvijeni za proučavanje svojstava atomskih jezgara i elementarnih čestica. Od otkrića reakcije između jezgra dušika i alfa čestice od strane britanskog fizičara Ernesta Rutherforda 1919., sva istraživanja u nuklearnoj fizici do1932. je potrošena sa jezgrima helijuma oslobođenim raspadanjem prirodnih radioaktivnih elemenata. Prirodne alfa čestice imaju kinetičku energiju od 8 MeV, ali Rutherford je vjerovao da se one moraju umjetno ubrzati do još većih vrijednosti kako bi se promatrao raspad teških jezgara. U to vrijeme se činilo teškim. Međutim, proračun koji je 1928. napravio Georgy Gamow (na Univerzitetu u Getingenu, Nemačka) pokazao je da se mogu koristiti joni sa mnogo nižim energijama, što je podstaklo pokušaje da se izgradi postrojenje koje bi obezbedilo snop dovoljan za nuklearna istraživanja.
Drugi događaji iz ovog perioda demonstrirali 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 Univerzitetu u Cambridgeu. Koristeći množitelj napona, ubrzali su protone do 710 keV i pokazali da potonji reagiraju s jezgrom litijuma i formiraju dvije alfa čestice. Do 1931. godine, na Univerzitetu Princeton u New Jerseyu, Robert van de Graaff je izgradio prvi elektrostatički generator visokog potencijala. Cockcroft-W alton množitelji napona i Van de Graaffovi generatori se još uvijek koriste kao izvori energije za akceleratore.
Princip linearnog rezonantnog akceleratora demonstrirao je Rolf Wideröe 1928. Na Tehnološkom univerzitetu Rajna-Vestfalija u Aachenu, Njemačka, koristio je visoki naizmjenični napon da dva puta ubrza ione natrijuma i kalija do energijepremašuju one koje su oni prijavili. Godine 1931. u Sjedinjenim Državama, Ernest Lawrence i njegov pomoćnik David Sloan sa Univerziteta u Kaliforniji, Berkeley, koristili su visokofrekventna polja da ubrzaju živine jone do energije veće od 1,2 MeV. Ovaj rad je dopunio Wideröe akcelerator teških čestica, ali snopovi jona nisu bili korisni u nuklearnim istraživanjima.
Magnetni rezonantni akcelerator, ili ciklotron, osmislio je Lawrence kao modifikaciju Wideröe instalacije. Učenik Lawrencea Livingstona demonstrirao je princip rada ciklotrona 1931. proizvodeći jone od 80 keV. Godine 1932. Lawrence i Livingston objavili su ubrzanje protona na preko 1 MeV. Kasnije, 1930-ih, energija ciklotrona dostigla je oko 25 MeV, a energija Van de Graaffovih generatora oko 4 MeV. Godine 1940. Donald Kerst je, primjenjujući rezultate pažljivih orbitalnih proračuna na dizajn magneta, izgradio prvi betatron, akcelerator elektrona s magnetskom indukcijom, na Univerzitetu u Ilinoisu.
Moderna fizika: akceleratori čestica
Nakon Drugog svetskog rata, nauka o ubrzavanju čestica do visokih energija brzo je napredovala. Pokrenuli su ga Edwin Macmillan na Berkeleyu i Vladimir Veksler u Moskvi. 1945. obojica su nezavisno opisali princip fazne stabilnosti. Ovaj koncept nudi način održavanja stabilnih orbita čestica u cikličnom 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 sinhrociklotron na Univerzitetu u Kaliforniji i sinhrotron u Engleskoj. Ubrzo nakon toga, stvoren je prvi protonski linearni rezonantni akcelerator. Ovaj princip se koristi u svim velikim protonskim sinhrotronima napravljenim od tada.
Godine 1947. William Hansen, na Univerzitetu Stanford u Kaliforniji, izgradio je prvi linearni putujući talasni akcelerator elektrona koristeći mikrotalasnu tehnologiju koja je razvijena za radar tokom Drugog svetskog rata.
Napredak u istraživanju je omogućen 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 mašina demonstrirali su 1952. Livingston, Courant i Snyder u tehnici naizmjeničnog fokusiranja (ponekad nazvanog snažno fokusiranje). Sinhrotroni zasnovani na ovom principu koriste magnete 100 puta manje nego ranije. Takvo fokusiranje se koristi u svim modernim sinhrotronima.
Godine 1956. Kerst je shvatio da ako se dva skupa čestica drže u orbitama koje se ukrštaju, mogu se posmatrati sudare. Primjena ove ideje zahtijevala je akumulaciju ubrzanih zraka u ciklusima koji se nazivaju skladištenje. Ova tehnologija je omogućila postizanje maksimalne energije interakcije čestica.
