Hiukkaskiihdytin on laite, joka luo sähköisesti varautuneiden atomi- tai subatomisten hiukkasten säteen, jotka liikkuvat lähes valon nopeuksilla. Sen työ perustuu niiden energian lisäykseen sähkökentällä ja liikeradan muutokseen - magneettisella.
Mihin hiukkaskiihdyttimet ovat?
Näitä laitteita käytetään laajasti tieteen ja teollisuuden eri aloilla. Nykyään niitä on yli 30 tuhatta eri puolilla maailmaa. Fyysikolle hiukkaskiihdyttimet toimivat atomien rakenteen, ydinvoimien luonteen ja luonnossa esiintymättömien ytimien ominaisuuksien perustutkimuksessa. Viimeksi mainitut sisältävät transuraania ja muita epävakaita alkuaineita.
Yksittäisen varauksen määrittäminen tuli mahdolliseksi purkausputken avulla. Hiukkaskiihdyttimiä käytetään myös radioisotooppien valmistuksessa, teollisessa radiografiassa, sädehoidossa, biologisten materiaalien steriloinnissa ja radiohiilessäanalyysi. Suurimpia asennuksia käytetään perusvuorovaikutusten tutkimiseen.
Varattujen hiukkasten elinikä levossa suhteessa kiihdytin on lyhyempi kuin hiukkasten, jotka on kiihdytetty lähellä valonnopeutta. Tämä vahvistaa SRT-aikavälien suhteellisuuden. Esimerkiksi CERNissä saavutettiin 29-kertainen myonien eliniän lisäys nopeudella 0,9994c.
Tässä artikkelissa käsitellään hiukkaskiihdyttimen toimintaa, sen kehitystä, eri tyyppejä ja erityispiirteitä.
Kiihdytyksen periaatteet
Riippumatta siitä, mitkä hiukkaskiihdyttimet tiedät, niillä kaikilla on yhteisiä elementtejä. Ensinnäkin niillä kaikilla on oltava elektronien lähde televisiokineskoopin tapauksessa tai elektroneja, protoneja ja niiden antihiukkasia suurempien laitteistojen tapauksessa. Lisäksi niillä kaikilla on oltava sähkökenttiä hiukkasten kiihdyttämiseksi ja magneettikenttien ohjaamiseksi niiden lentorataa. Lisäksi hiukkaskiihdyttimen tyhjiö (10-11 mm Hg), eli pienin jäännösilmamäärä, on välttämätön palkkien pitkän käyttöiän varmistamiseksi. Ja lopuksi, kaikissa asennuksissa on oltava keinot rekisteröidä, laskea ja mitata kiihdytettyjä hiukkasia.
Sukupolvi
Kiihdytinissä yleisimmin käytettyjä elektroneja ja protoneja löytyy kaikista materiaaleista, mutta ensin ne on eristettävä niistä. Yleensä elektroneja syntyyaivan kuten kineskooppi - laitteessa nimeltä "ase". Se on katodi (negatiivinen elektrodi) tyhjiössä, joka kuumennetaan pisteeseen, jossa elektronit alkavat irtautua atomeista. Negatiivisesti varautuneet hiukkaset houkuttelevat anodia (positiivinen elektrodi) ja kulkevat ulostulon läpi. Itse ase on myös yksinkertaisin kiihdytin, koska elektronit liikkuvat sähkökentän vaikutuksesta. Katodin ja anodin välinen jännite on yleensä 50-150 kV.
Elektronien lisäksi kaikki materiaalit sisältävät protoneja, mutta vain vetyatomien ytimet koostuvat yksittäisistä protoneista. Siksi protonikiihdyttimien hiukkasten lähde on kaasumainen vety. Tässä tapauksessa kaasu ionisoituu ja protonit pakenevat reiän läpi. Suurissa kiihdyttimissä protonit tuotetaan usein negatiivisina vetyioneina. Ne ovat atomeja, joissa on ylimääräinen elektroni, ja ne ovat kaksiatomisen kaasun ionisaatiota. Alkuvaiheessa on helpompi työskennellä negatiivisesti varautuneiden vetyionien kanssa. Sitten ne johdetaan ohuen kalvon läpi, joka riistää heiltä elektroneja ennen kiihtyvyyden viimeistä vaihetta.
Kiihdytys
Kuinka hiukkaskiihdyttimet toimivat? Jokaisen niistä tärkein ominaisuus on sähkökenttä. Yksinkertaisin esimerkki on tasainen staattinen kenttä positiivisten ja negatiivisten sähköpotentiaalien välillä, samanlainen kuin sähköakun napojen välillä. Tällaisissa-kentässä negatiivista varausta kantavaan elektroniin kohdistuu voima, joka ohjaa sen kohti positiivista potentiaalia. Hän kiihdyttää häntä, ja jos mikään ei estä tätä, hänen nopeus ja energia kasvavat. Elektronit, jotka liikkuvat kohti positiivista potentiaalia johdossa tai jopa ilmassa, törmäävät atomien kanssa ja menettävät energiaa, mutta jos ne ovat tyhjiössä, ne kiihtyvät lähestyessään anodia.
Elektronin alku- ja loppuaseman välinen jännite määrittää sen hankkiman energian. Kun kuljetaan 1 V:n potentiaalieron läpi, se on yhtä suuri kuin 1 elektronivoltti (eV). Tämä vastaa 1,6 × 10-19 joulea. Lentävän hyttysen energia on biljoona kertaa suurempi. Kineskoopissa elektroneja kiihdytetään yli 10 kV jännitteellä. Monet kiihdyttimet saavuttavat paljon suurempia energioita, mitattuna mega-, giga- ja teraelektronivoltteina.
Lajikkeet
Jotkin varhaisimmista hiukkaskiihdytintyypeistä, kuten jännitekerroin ja Van de Graaff -generaattori, käyttivät vakioita sähkökenttiä, joita synnyttivät jopa miljoonan voltin potentiaalit. Ei ole helppoa työskennellä näin korkeilla jännitteillä. Käytännöllisempi vaihtoehto on alhaisten potentiaalien synnyttämien heikkojen sähkökenttien toistuva toiminta. Tätä periaatetta käytetään kahden tyyppisissä nykyaikaisissa kiihdyttimissä - lineaarisissa ja syklisissä (pääasiassa syklotroneissa ja synkrotroneissa). Lyhyesti sanottuna lineaariset hiukkaskiihdyttimet kuljettavat ne kerran sarjan läpikiihdytyskenttiä, kun taas syklisessä ne liikkuvat toistuvasti ympyrämäistä reittiä pitkin suhteellisen pienten sähkökenttien läpi. Molemmissa tapauksissa hiukkasten lopullinen energia riippuu kenttien yhteisvaikutuksesta, joten monet pienet "shokit" laskevat yhteen muodostaen yhden suuren yhteisvaikutuksen.
Lineaarisen kiihdytin toistuva rakenne sähkökenttien luomiseksi sisältää luonnollisesti vaihtovirran käytön tasajännitteen sijaan. Positiivisesti varautuneet hiukkaset kiihtyvät kohti negatiivista potentiaalia ja saavat uuden sysäyksen, jos ne ohittavat positiivisen. Käytännössä jännitteen pitäisi muuttua hyvin nopeasti. Esimerkiksi 1 MeV:n energialla protoni kulkee erittäin suurilla nopeuksilla, 0,46 valon nopeudella ja kulkee 1,4 m 0,01 ms:ssa. Tämä tarkoittaa, että usean metrin pituisessa toistuvassa kuviossa sähkökenttien on vaihdettava suuntaa vähintään 100 MHz taajuudella. Varautuneiden hiukkasten lineaariset ja sykliset kiihdyttimet yleensä kiihdyttävät niitä käyttämällä vuorottelevia sähkökenttiä taajuudella 100 - 3000 MHz, toisin sanoen radioaalloista mikroaalloille.
Sähkömagneettinen a alto on yhdistelmä vuorottelevia sähkö- ja magneettikenttiä, jotka värähtelevät kohtisuorassa toisiinsa nähden. Kiihdyttimen avainkohta on säätää a altoa niin, että hiukkasen saapuessa sähkökenttä suuntautuu kiihtyvyysvektorin mukaisesti. Tämä voidaan tehdä seisovalla aallolla - a altojen yhdistelmällä, jotka kulkevat vastakkaisiin suuntiin suljetussa silmukassa.tilaa, kuten ääniaallot urkupillissä. Vaihtoehto erittäin nopeasti liikkuville elektroneille, jotka lähestyvät valonnopeutta, on liikkuva a alto.
Automaattinen vaiheistus
Tärkeä vaikutus kiihdytettäessä vaihtuvassa sähkökentässä on "automaattinen vaiheistus". Yhdessä värähtelyjaksossa vaihtuva kenttä siirtyy nollasta maksimiarvon kautta jälleen nollaan, putoaa minimiin ja nousee nollaan. Joten se käy läpi kiihtymiseen tarvittavan arvon kahdesti. Jos kiihtyvä hiukkanen saapuu liian aikaisin, riittävän voimakas kenttä ei vaikuta siihen ja työntö on heikko. Kun hän saavuttaa seuraavan osan, hän myöhästyy ja kokee voimakkaamman vaikutuksen. Tämän seurauksena tapahtuu automaattista vaiheistusta, hiukkaset ovat vaiheessa kentän kanssa kullakin kiihtyvällä alueella. Toinen vaikutus olisi ryhmitellä ne ajan myötä ryhmiksi jatkuvan virran sijaan.
Säteen suunta
Magneettikentillä on myös tärkeä rooli varautuneen hiukkaskiihdyttimen toiminnassa, koska ne voivat muuttaa liikesuuntansa. Tämä tarkoittaa, että niillä voidaan "taivuttaa" palkkeja ympyrämäistä reittiä pitkin siten, että ne kulkevat saman kiihdytysosan läpi useita kertoja. Yksinkertaisimmassa tapauksessa tasaisen magneettikentän suuntaan nähden suorassa kulmassa liikkuvaan varautuneeseen hiukkaseen kohdistuu voimakohtisuorassa sekä sen siirtymävektorin että kentän suhteen. Tämä saa säteen liikkumaan ympyrämäistä lentorataa pitkin kohtisuoraan kentälle, kunnes se poistuu toiminta-alueeltaan tai siihen alkaa vaikuttaa jokin muu voima. Tätä vaikutusta käytetään syklisissä kiihdyttimissä, kuten syklotronissa ja synkrotronissa. Syklotronissa vakiokenttä syntyy suurella magneetilla. Hiukkaset, kun niiden energia kasvaa, kiertyvät ulospäin ja kiihtyvät jokaisen kierroksen myötä. Synkrotronissa kimput liikkuvat renkaan ympäri, jonka säde on vakio, ja sähkömagneettien luoma kenttä renkaan ympärille kasvaa hiukkasten kiihtyessä. "Taivuttavat" magneetit ovat dipoleja, joiden pohjois- ja etelänapa on taivutettu hevosenkengän muotoon, jotta säde pääsee kulkemaan niiden välistä.
Sähkömagneettien toinen tärkeä tehtävä on keskittää säteet niin, että ne ovat mahdollisimman kapeita ja voimakkaita. Tarkennusmagneetin yksinkertaisin muoto on neljä napaa (kaksi pohjoista ja kaksi etelää) vastakkain. Ne työntävät hiukkasia kohti keskustaa yhteen suuntaan, mutta sallivat niiden etenemisen kohtisuorassa suunnassa. Quadrupoli magneetit tarkentavat säteen vaakasuoraan, jolloin se voi mennä epätarkkaksi pystysuunnassa. Tätä varten niitä on käytettävä pareittain. Monimutkaisempia magneetteja, joissa on enemmän napoja (6 ja 8), käytetään myös tarkempaan tarkennukseen.
Partikkelien energian kasvaessa niitä ohjaavan magneettikentän voimakkuus kasvaa. Tämä pitää säteen samalla polulla. Hyytymä viedään renkaaseen ja kiihdytetään siihentarvittava energia, ennen kuin se voidaan poistaa ja käyttää kokeissa. Vetäytyminen saadaan aikaan sähkömagneeteilla, jotka käynnistyvät työntämään hiukkasia ulos synkrotronirenkaasta.
törmäys
Lääketieteessä ja teollisuudessa käytettävät hiukkaskiihdyttimet tuottavat pääasiassa säteen tiettyyn tarkoitukseen, kuten sädehoitoon tai ioni-istutuksiin. Tämä tarkoittaa, että hiukkasia käytetään kerran. Sama pätee useiden vuosien ajan perustutkimuksessa käytettyihin kiihdyttimiin. Mutta 1970-luvulla kehitettiin renkaita, joissa kaksi sädettä kiertävät vastakkaisiin suuntiin ja törmäävät koko piirin pitkin. Tällaisten asennuksien tärkein etu on se, että otsatörmäyksessä hiukkasten energia menee suoraan niiden välisen vuorovaikutuksen energiaksi. Tämä on ristiriidassa sen kanssa, mitä tapahtuu, kun säde törmää materiaaliin levossa: tässä tapauksessa suurin osa energiasta kuluu kohdemateriaalin saattamiseksi liikkeelle liikemäärän säilymisen periaatteen mukaisesti.
Joissakin törmäyssädekoneissa on kaksi kahdessa tai useammassa kohdassa leikkaavaa rengasta, joissa samantyyppiset hiukkaset kiertävät vastakkaisiin suuntiin. Hiukkasten ja antihiukkasten törmäyslaitteet ovat yleisempiä. Antihiukkasella on siihen liittyvän hiukkasen päinvastainen varaus. Esimerkiksi positroni on positiivisesti varautunut, kun taas elektroni on negatiivisesti varautunut. Tämä tarkoittaa, että elektronia kiihdyttävä kenttä hidastaa positronia,liikkuvat samaan suuntaan. Mutta jos jälkimmäinen liikkuu vastakkaiseen suuntaan, se kiihtyy. Vastaavasti magneettikentän läpi liikkuva elektroni taipuu vasemmalle ja positroni oikealle. Mutta jos positroni liikkuu sitä kohti, sen polku poikkeaa silti oikealle, mutta samaa käyrää pitkin kuin elektroni. Yhdessä tämä tarkoittaa, että nämä hiukkaset voivat liikkua synkrotronirengasta pitkin samojen magneettien vaikutuksesta ja kiihtyä samojen sähkökenttien vaikutuksesta vastakkaisiin suuntiin. Monet voimakkaimmista törmäyspalkkien törmäyslaitteista on luotu tämän periaatteen mukaisesti, koska tarvitaan vain yksi kaasurengas.
Säde synkrotronissa ei liiku jatkuvasti, vaan se yhdistetään "pakkauksiksi". Ne voivat olla useita senttejä pitkiä ja millimetrin kymmenesosa halkaisij altaan ja sisältää noin 1012 hiukkasta. Tämä on pieni tiheys, koska tämän kokoinen aine sisältää noin 1023 atomia. Siksi, kun säteet leikkaavat vastaantulevien säteiden kanssa, on vain pieni mahdollisuus, että hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Käytännössä niput jatkavat liikkumista kehää pitkin ja kohtaavat uudelleen. Hiukkaskiihdyttimen syvä tyhjiö (10-11 mmHg) on välttämätön, jotta hiukkaset voivat kiertää useita tunteja törmäämättä ilmamolekyyleihin. Siksi renkaita kutsutaan myös kumulatiivisiksi, koska nippuja säilytetään niissä useita tunteja.
Rekisteröidy
Partikkelikiihdyttimet voivat useimmiten rekisteröidä mitä tapahtuu milloinkun hiukkaset osuvat kohteeseen tai toiseen vastakkaiseen suuntaan liikkuvaan säteeseen. Televisiokineskoopissa aseen elektronit iskevät näytön sisäpinnalla olevaan loisteaineeseen ja säteilevät valoa, joka siten luo uudelleen lähetetyn kuvan. Kiihdyttimissä tällaiset erikoistuneet ilmaisimet reagoivat hajallaan oleviin hiukkasiin, mutta ne on yleensä suunniteltu tuottamaan sähköisiä signaaleja, jotka voidaan muuntaa tietokonedataksi ja analysoida tietokoneohjelmien avulla. Vain varautuneet elementit luovat sähköisiä signaaleja kulkemalla materiaalin läpi, esimerkiksi virittämällä tai ionisoivia atomeja, ja ne voidaan havaita suoraan. Neutraalit hiukkaset, kuten neutronit tai fotonit, voidaan havaita epäsuorasti niiden liikkeelle panemien varautuneiden hiukkasten käyttäytymisen kautta.
On olemassa monia erikoistuneita ilmaisimia. Jotkut niistä, kuten Geiger-laskuri, yksinkertaisesti laskevat hiukkasia, kun taas toisia käytetään esimerkiksi jälkien tallentamiseen, nopeuden mittaamiseen tai energian määrän mittaamiseen. Nykyaikaiset ilmaisimet vaihtelevat kooltaan ja tekniik altaan pienistä varaukseen kytketyistä laitteista suuriin lankatäytteisiin kaasutäytteisiin kammioihin, jotka havaitsevat varautuneiden hiukkasten luomat ionisoidut jäljet.
Historia
Partikkelikiihdyttimet kehitettiin pääasiassa atomiytimien ja alkuainehiukkasten ominaisuuksien tutkimiseen. Siitä lähtien, kun brittiläinen fyysikko Ernest Rutherford löysi typen ytimen ja alfahiukkasen välisen reaktion vuonna 1919, kaikki ydinfysiikan tutkimus1932 vietettiin heliumytimien kanssa, jotka vapautuivat luonnollisten radioaktiivisten alkuaineiden hajoamisesta. Luonnollisten alfahiukkasten kineettinen energia on 8 MeV, mutta Rutherford uskoi, että raskaiden ytimien hajoamisen havaitsemiseksi ne on kiihdytettävä keinotekoisesti vielä suurempiin arvoihin. Silloin se tuntui vaike alta. Kuitenkin Georgy Gamow'n (Göttingenin yliopistossa, Saksassa) vuonna 1928 tekemä laskelma osoitti, että paljon pienempienergisiä ioneja voitiin käyttää, ja tämä stimuloi yrityksiä rakentaa laitos, joka tarjosi riittävän säteen ydintutkimukseen.
Muut tämän ajanjakson tapahtumat osoittivat periaatteet, joilla hiukkaskiihdyttimiä rakennetaan tähän päivään asti. Ensimmäiset onnistuneet kokeet keinotekoisesti kiihdytetyillä ioneilla suorittivat Cockcroft ja W alton vuonna 1932 Cambridgen yliopistossa. He kiihdyttivät protonit 710 keV:iin jännitteenkerrointa käyttämällä ja osoittivat, että viimeksi mainitut reagoivat litiumytimen kanssa muodostaen kaksi alfahiukkasta. Vuoteen 1931 mennessä Princetonin yliopistossa New Jerseyssä Robert van de Graaff oli rakentanut ensimmäisen suuripotentiaalisen sähköstaattisen hihnageneraattorin. Cockcroft-W alton-jännitekertoimia ja Van de Graaff -generaattoreita käytetään edelleen kiihdyttimien virtalähteinä.
Lineaarisen resonanssikiihdytin periaatteen osoitti Rolf Wideröe vuonna 1928. Rein-Westfalenin teknillisessä yliopistossa Aachenissa Saksassa hän käytti suurta vaihtojännitettä kiihdyttääkseen natrium- ja kalium-ioneja energioihin kahdesti.ylittää niiden ilmoittamat. Vuonna 1931 Yhdysvalloissa Ernest Lawrence ja hänen assistenttinsa David Sloan Kalifornian yliopistosta Berkeleyssä käyttivät suurtaajuuskenttiä kiihdyttääkseen elohopea-ioneja yli 1,2 MeV:n energioihin. Tämä työ täydensi Wideröe-raskasta hiukkaskiihdytintä, mutta ionisäteet eivät olleet hyödyllisiä ydintutkimuksessa.
Magneettiresonanssikiihdytin eli syklotroni on Lawrencein suunnittelema muunnelma Wideröe-asennuksesta. Lawrence Livingstonin oppilas osoitti syklotronin periaatteen vuonna 1931 tuottamalla 80 keV ioneja. Vuonna 1932 Lawrence ja Livingston ilmoittivat protonien kiihtymisestä yli 1 MeV:iin. Myöhemmin 1930-luvulla syklotronien energia saavutti noin 25 MeV ja Van de Graaff -generaattoreiden noin 4 MeV. Vuonna 1940 Donald Kerst rakensi Illinoisin yliopistoon ensimmäisen betatronin, magneettisen induktioelektronikiihdyttimen, soveltaen huolellisten kiertoratalaskelmien tuloksia magneettien suunnitteluun.
Moderni fysiikka: hiukkaskiihdyttimet
Toisen maailmansodan jälkeen tiede hiukkasten kiihdyttämisestä suuriin energioihin edistyi nopeasti. Sen aloittivat Edwin Macmillan Berkeleyssä ja Vladimir Veksler Moskovassa. Vuonna 1945 molemmat kuvasivat itsenäisesti vaihestabiilisuuden periaatetta. Tämä konsepti tarjoaa tavan säilyttää vakaat hiukkasradat syklisessä kiihdyttimessä, mikä poisti protonien energian rajoituksen ja mahdollisti magneettiresonanssikiihdyttimien (synkrotronien) luomisen elektroneille. Autophasing, vaihestabiilisuuden periaatteen toteutus, on vahvistettu rakentamisen jälkeenpieni synkrosyklotroni Kalifornian yliopistossa ja synkrotroni Englannissa. Pian sen jälkeen luotiin ensimmäinen protoni lineaarinen resonanssikiihdytin. Tätä periaatetta on käytetty kaikissa sen jälkeen rakennetuissa suurissa protonisynkrotroneissa.
Vuonna 1947 William Hansen Kalifornian Stanfordin yliopistossa rakensi ensimmäisen lineaarisen liikkuvan aallon elektronikiihdytin käyttämällä mikroa altoteknologiaa, joka kehitettiin tutkaa varten toisen maailmansodan aikana.
Tutkimuksen edistyminen mahdollisti protonien energian lisäämisen, mikä johti yhä suurempien kiihdyttimien rakentamiseen. V altavien rengasmagneettien valmistuksen korkeat kustannukset ovat pysäyttäneet tämän suuntauksen. Suurin painaa noin 40 000 tonnia. Livingston, Courant ja Snyder esittelivät vuonna 1952 tapoja lisätä energiaa lisäämättä koneiden kokoa vuorottelevan tarkennuksen tekniikassa (jota joskus kutsutaan vahvaksi tarkentamiseksi). Tähän periaatteeseen perustuvat synkrotronit käyttävät 100 kertaa pienempiä magneetteja kuin ennen. Tällaista tarkennusta käytetään kaikissa nykyaikaisissa synkrotroneissa.
Vuonna 1956 Kerst tajusi, että jos kahta hiukkassarjaa pidettäisiin risteävillä kiertoradoilla, niiden voitaisiin havaita törmäävän. Tämän idean soveltaminen edellytti kiihdytettyjen säteiden keräämistä sykleissä, joita kutsutaan varastoinniksi. Tämä tekniikka mahdollisti hiukkasten suurimman vuorovaikutusenergian saavuttamisen.
