Urýchľovač častíc je zariadenie, ktoré vytvára zväzok elektricky nabitých atómových alebo subatomárnych častíc pohybujúcich sa rýchlosťou blízkou svetlu. Jeho práca je založená na zvýšení ich energie elektrickým poľom a zmene trajektórie - o magnetickú.
Na čo slúžia urýchľovače častíc?
Tieto zariadenia sú široko používané v rôznych oblastiach vedy a priemyslu. Dnes ich je po celom svete viac ako 30 tisíc. Pre fyzika urýchľovače častíc slúžia ako nástroj na základný výskum štruktúry atómov, povahy jadrových síl a vlastností jadier, ktoré sa v prírode nevyskytujú. Medzi posledné patria transurán a iné nestabilné prvky.
Pomocou výbojky bolo možné určiť špecifický náboj. Urýchľovače častíc sa používajú aj pri výrobe rádioizotopov, v priemyselnej rádiografii, pri radiačnej terapii, pri sterilizácii biologických materiálov a pri rádiokarbóne.analýza. Najväčšie inštalácie sa používajú pri štúdiu základných interakcií.
Životnosť nabitých častíc v pokoji vzhľadom na urýchľovač je kratšia ako životnosť častíc zrýchlených na rýchlosti blízke rýchlosti svetla. To potvrdzuje relativitu časových intervalov SRT. Napríklad v CERN-e sa dosiahlo 29-násobné predĺženie životnosti miónov pri rýchlosti 0,9994c.
Tento článok sa zaoberá fungovaním urýchľovača častíc, jeho vývojom, rôznymi typmi a charakteristickými vlastnosťami.
Princípy zrýchlenia
Bez ohľadu na to, ktoré urýchľovače častíc poznáte, všetky majú spoločné prvky. Po prvé, všetky musia mať zdroj elektrónov v prípade televíznej obrazovky alebo elektrónov, protónov a ich antičastíc v prípade väčších inštalácií. Okrem toho musia mať všetky elektrické polia na urýchlenie častíc a magnetické polia na riadenie ich trajektórie. Okrem toho je na zabezpečenie dlhej životnosti lúčov potrebné vákuum v urýchľovači častíc (10-11 mm Hg), t.j. minimálne množstvo zvyškového vzduchu. A napokon, všetky zariadenia musia mať prostriedky na registráciu, počítanie a meranie zrýchlených častíc.
Generation
Elektróny a protóny, ktoré sa najčastejšie používajú v urýchľovačoch, sa nachádzajú vo všetkých materiáloch, no najprv ich treba od nich izolovať. Zvyčajne sa generujú elektrónyrovnako ako v kineskopu - v zariadení nazývanom "pištoľ". Je to katóda (záporná elektróda) vo vákuu, ktorá sa zahrieva do bodu, kedy sa elektróny začnú oddeľovať od atómov. Záporne nabité častice sú priťahované k anóde (kladná elektróda) a prechádzajú cez výstup. Samotná pištoľ je tiež najjednoduchším urýchľovačom, pretože elektróny sa pohybujú pod vplyvom elektrického poľa. Napätie medzi katódou a anódou je zvyčajne medzi 50-150 kV.
Okrem elektrónov všetky materiály obsahujú protóny, ale iba jadrá atómov vodíka pozostávajú z jednotlivých protónov. Preto je zdrojom častíc pre protónové urýchľovače plynný vodík. V tomto prípade sa plyn ionizuje a protóny unikajú cez otvor. Vo veľkých urýchľovačoch sa protóny často vytvárajú ako záporné vodíkové ióny. Sú to atómy s elektrónom navyše, ktoré sú produktom ionizácie dvojatómového plynu. V počiatočných štádiách je jednoduchšie pracovať s negatívne nabitými iónmi vodíka. Potom prejdú cez tenkú fóliu, ktorá ich pred konečnou fázou zrýchlenia zbaví elektrónov.
Zrýchlenie
Ako fungujú urýchľovače častíc? Kľúčovou vlastnosťou ktoréhokoľvek z nich je elektrické pole. Najjednoduchším príkladom je rovnomerné statické pole medzi kladnými a zápornými elektrickými potenciálmi, podobné tomu, ktoré existuje medzi svorkami elektrickej batérie. V takejpolia je elektrón nesúci záporný náboj vystavený sile, ktorá ho nasmeruje na kladný potenciál. Zrýchľuje ho a ak tomu nič nebráni, jeho rýchlosť a energia stúpajú. Elektróny pohybujúce sa smerom ku kladnému potenciálu v drôte alebo dokonca vo vzduchu sa zrážajú s atómami a strácajú energiu, ale ak sú vo vákuu, zrýchľujú sa, keď sa približujú k anóde.
Napätie medzi počiatočnou a konečnou polohou elektrónu určuje energiu, ktorú elektrón získa. Pri pohybe cez potenciálny rozdiel 1 V sa rovná 1 elektrónvoltu (eV). To zodpovedá 1,6 × 10-19 joulov. Energia lietajúceho komára je biliónkrát väčšia. V kineskopu sú elektróny urýchľované napätím nad 10 kV. Mnohé urýchľovače dosahujú oveľa vyššie energie, merané v mega-, giga- a teraelektrónvoltoch.
Odrody
Niektoré z prvých typov urýchľovačov častíc, ako napríklad multiplikátor napätia a Van de Graaffov generátor, využívali konštantné elektrické polia generované potenciálmi až do milióna voltov. Nie je ľahké pracovať s takým vysokým napätím. Praktickejšou alternatívou je opakované pôsobenie slabých elektrických polí generovaných nízkymi potenciálmi. Tento princíp sa používa v dvoch typoch moderných urýchľovačov - lineárnom a cyklickom (hlavne v cyklotrónoch a synchrotrónoch). Lineárne urýchľovače častíc ich skrátka raz prejdú cez sekvenciuurýchľovacie polia, pričom v cyklickom sa opakovane pohybujú po kruhovej dráhe cez relatívne malé elektrické polia. V oboch prípadoch konečná energia častíc závisí od kombinovaného účinku polí, takže veľa malých „šokov“sa sčítava a dáva kombinovaný účinok jedného veľkého.
Opakujúca sa štruktúra lineárneho urýchľovača na vytváranie elektrických polí prirodzene zahŕňa použitie striedavého namiesto jednosmerného napätia. Kladne nabité častice sa zrýchľujú smerom k zápornému potenciálu a dostanú nový impulz, ak prejdú okolo kladného. V praxi by sa napätie malo meniť veľmi rýchlo. Napríklad pri energii 1 MeV sa protón pohybuje veľmi vysokou rýchlosťou 0,46 rýchlosti svetla, pričom preletí 1,4 m za 0,01 ms. To znamená, že v opakujúcom sa vzore dlhom niekoľko metrov musia elektrické polia meniť smer pri frekvencii najmenej 100 MHz. Lineárne a cyklické urýchľovače nabitých častíc ich spravidla urýchľujú pomocou striedavých elektrických polí s frekvenciou 100 až 3000 MHz, t.j. v rozsahu od rádiových vĺn po mikrovlny.
Elektromagnetická vlna je kombináciou striedavých elektrických a magnetických polí, ktoré oscilujú navzájom kolmo. Kľúčovým bodom urýchľovača je upraviť vlnu tak, aby pri príchode častice bolo elektrické pole nasmerované v súlade s vektorom zrýchlenia. Dá sa to urobiť stojatou vlnou - kombináciou vĺn, ktoré sa pohybujú v opačných smeroch v uzavretej slučke.priestor, ako zvukové vlny v organovej píšťale. Alternatívou pre veľmi rýchlo sa pohybujúce elektróny blížiace sa rýchlosti svetla je putujúca vlna.
Automatické fázovanie
Dôležitým efektom pri zrýchľovaní v striedavom elektrickom poli je „autophasing“. V jednom cykle oscilácie prechádza striedavé pole z nuly cez maximálnu hodnotu opäť na nulu, klesá na minimum a stúpa na nulu. Prejde teda cez hodnotu potrebnú na zrýchlenie dvakrát. Ak zrýchľujúca častica dorazí príliš skoro, nebude ovplyvnená dostatočne silným poľom a tlak bude slabý. Keď sa dostane do ďalšej sekcie, bude meškať a zažije silnejší dopad. V dôsledku toho dôjde k autofázovaniu, častice budú vo fáze s poľom v každej urýchľujúcej oblasti. Ďalším efektom by bolo ich zoskupenie v priebehu času do zhlukov namiesto súvislého prúdu.
Smer lúča
Magnetické polia tiež hrajú dôležitú úlohu v tom, ako funguje urýchľovač nabitých častíc, pretože môžu meniť smer ich pohybu. To znamená, že pomocou nich možno „ohnúť“lúče po kruhovej dráhe tak, aby niekoľkokrát prešli rovnakým urýchľujúcim úsekom. V najjednoduchšom prípade je nabitá častica, ktorá sa pohybuje v pravom uhle k smeru rovnomerného magnetického poľa, vystavená silekolmý ako na vektor jeho posunutia, tak aj na pole. To spôsobí, že sa lúč pohybuje po kruhovej trajektórii kolmej na pole, kým neopustí svoju oblasť pôsobenia alebo naň nezačne pôsobiť iná sila. Tento efekt sa využíva v cyklických urýchľovačoch, ako sú cyklotrón a synchrotrón. V cyklotróne vytvára konštantné pole veľký magnet. Častice, ako ich energia rastie, sa špirálovito otáčajú smerom von a zrýchľujú sa s každou otáčkou. V synchrotróne sa zhluky pohybujú okolo prstenca s konštantným polomerom a pole vytvorené elektromagnetmi okolo prstenca sa zväčšuje, keď sa častice zrýchľujú. „Ohýbacie“magnety sú dipóly so severným a južným pólom zahnutým do tvaru podkovy tak, aby medzi nimi mohol prechádzať lúč.
Druhou dôležitou funkciou elektromagnetov je sústrediť lúče tak, aby boli čo najužšie a najintenzívnejšie. Najjednoduchšia forma zaostrovacieho magnetu má štyri póly (dva severné a dva južné) oproti sebe. Tlačia častice smerom k stredu v jednom smere, ale umožňujú im šíriť sa v kolmom smere. Štvorpólové magnety zaostrujú lúč horizontálne, čo umožňuje vertikálne rozostrenie. Aby to bolo možné, musia sa používať v pároch. Na presnejšie zaostrenie sa používajú aj zložitejšie magnety s viacerými pólmi (6 a 8).
S rastúcou energiou častíc sa zvyšuje sila magnetického poľa, ktoré ich vedie. To udržuje lúč na rovnakej dráhe. Zrazenina sa zavedie do prstenca a urýchli sapotrebnej energie, než sa môže odobrať a použiť v experimentoch. Zatiahnutie sa dosiahne pomocou elektromagnetov, ktoré sa zapnú, aby vytlačili častice von zo synchrotrónového prstenca.
Kolízia
Urýchľovače častíc používané v medicíne a priemysle produkujú hlavne lúč na špecifické účely, ako je radiačná terapia alebo implantácia iónov. To znamená, že častice sa použijú raz. Dlhé roky to isté platilo pre urýchľovače používané v základnom výskume. Ale v sedemdesiatych rokoch boli vyvinuté prstence, v ktorých dva lúče obiehajú v opačných smeroch a zrážajú sa pozdĺž celého okruhu. Hlavnou výhodou takýchto inštalácií je, že pri čelnej zrážke energia častíc prechádza priamo do energie interakcie medzi nimi. To kontrastuje s tým, čo sa stane, keď sa lúč zrazí s materiálom v pokoji: v tomto prípade sa väčšina energie vynaloží na uvedenie cieľového materiálu do pohybu v súlade s princípom zachovania hybnosti.
Niektoré stroje so zrážkou lúčov sú skonštruované s dvoma prstencami pretínajúcimi sa na dvoch alebo viacerých miestach, v ktorých častice rovnakého typu cirkulujú v opačných smeroch. Častejšie sú urýchľovače s časticami a antičasticami. Antičastica má opačný náboj ako jej pridružená častica. Napríklad pozitrón je nabitý kladne, zatiaľ čo elektrón je nabitý záporne. To znamená, že pole, ktoré urýchľuje elektrón, spomaľuje pozitrón,pohybujúce sa rovnakým smerom. Ak sa však pohne opačným smerom, zrýchli. Podobne sa elektrón pohybujúci sa magnetickým poľom ohne doľava a pozitrón sa ohne doprava. Ak sa však pozitrón pohybuje smerom k nemu, jeho dráha sa bude stále odchyľovať doprava, ale pozdĺž rovnakej krivky ako elektrón. Spoločne to znamená, že tieto častice sa môžu pohybovať pozdĺž synchrotrónového kruhu vďaka rovnakým magnetom a môžu byť urýchľované rovnakými elektrickými poľami v opačných smeroch. Mnohé z najvýkonnejších zrážačov na zrážkových lúčoch boli vytvorené podľa tohto princípu, pretože je potrebný iba jeden urýchľovací prstenec.
Lúč v synchrotróne sa nepohybuje nepretržite, ale spája sa do „zhlukov“. Môžu byť dlhé niekoľko centimetrov a mať v priemere desatinu milimetra a môžu obsahovať asi 1012 častíc. Toto je malá hustota, pretože látka tejto veľkosti obsahuje asi 1023 atómov. Preto, keď sa lúče pretínajú s protiidúcimi lúčmi, existuje len malá šanca, že častice budú navzájom interagovať. V praxi sa trsy ďalej pohybujú po kruhu a znova sa stretávajú. Hlboké vákuum v urýchľovači častíc (10-11 mmHg) je nevyhnutné na to, aby častice mohli cirkulovať mnoho hodín bez toho, aby sa zrazili s molekulami vzduchu. Preto sa prstene nazývajú aj akumulačné, keďže zväzky sú v nich v skutočnosti uložené niekoľko hodín.
Registrovať
Urýchľovače častíc väčšinou dokážu zaregistrovať, čo sa kedy stanekeď častice zasiahnu cieľ alebo iný lúč pohybujúci sa v opačnom smere. V televíznom kineskopu dopadajú elektróny z pištole na fosfor na vnútorný povrch obrazovky a vyžarujú svetlo, ktoré tak znovu vytvára prenášaný obraz. V urýchľovačoch takéto špecializované detektory reagujú na rozptýlené častice, ale zvyčajne sú navrhnuté tak, aby generovali elektrické signály, ktoré možno previesť na počítačové dáta a analyzovať pomocou počítačových programov. Iba nabité prvky vytvárajú elektrické signály prechodom cez materiál, napríklad excitáciou alebo ionizáciou atómov, a možno ich priamo detegovať. Neutrálne častice, ako sú neutróny alebo fotóny, môžu byť detekované nepriamo prostredníctvom správania nabitých častíc, ktoré uvádzajú do pohybu.
Existuje veľa špecializovaných detektorov. Niektoré z nich, ako napríklad Geigerov počítač, jednoducho počítajú častice, iné sa používajú napríklad na zaznamenávanie stôp, meranie rýchlosti alebo množstvo energie. Moderné detektory siahajú čo do veľkosti a technológie, od malých zariadení s nábojovou väzbou až po veľké drôtom naplnené plynom naplnené komory, ktoré detegujú ionizované stopy vytvorené nabitými časticami.
História
Urýchľovače častíc boli vyvinuté hlavne na štúdium vlastností atómových jadier a elementárnych častíc. Od objavu reakcie medzi jadrom dusíka a časticami alfa britským fyzikom Ernestom Rutherfordom v roku 1919 celý výskum v jadrovej fyzike až po1932 strávil s jadrami hélia uvoľnenými z rozpadu prírodných rádioaktívnych prvkov. Prirodzené častice alfa majú kinetickú energiu 8 MeV, no Rutherford veril, že na to, aby bolo možné pozorovať rozpad ťažkých jadier, musia byť umelo urýchlené na ešte väčšie hodnoty. Vtedy sa to zdalo ťažké. Výpočet, ktorý v roku 1928 vykonal Georgy Gamow (na univerzite v Göttingene, Nemecko), však ukázal, že je možné použiť ióny s oveľa nižšími energiami, čo podnietilo pokusy vybudovať zariadenie, ktoré by poskytovalo lúč dostatočný pre jadrový výskum.
Iné udalosti tohto obdobia demonštrovali princípy, podľa ktorých sú urýchľovače častíc stavané dodnes. Prvé úspešné experimenty s umelo zrýchlenými iónmi uskutočnili Cockcroft a W alton v roku 1932 na univerzite v Cambridge. Pomocou multiplikátora napätia urýchlili protóny na 710 keV a ukázali, že tieto reagujú s jadrom lítia za vzniku dvoch častíc alfa. Do roku 1931 na Princetonskej univerzite v New Jersey Robert van de Graaff zostrojil prvý vysokopotenciálový pásový elektrostatický generátor. Násobiče napätia Cockcroft-W alton a generátory Van de Graaff sa stále používajú ako zdroje energie pre urýchľovače.
Princíp lineárneho rezonančného urýchľovača predviedol Rolf Wideröe v roku 1928. Na Technologickej univerzite v Porýní-Vestfálsku v nemeckom Aachene použil vysoké striedavé napätie na zrýchlenie sodíkových a draselných iónov na energie dvakrátpresahujúce tie, ktoré nahlásili. V roku 1931 v Spojených štátoch Ernest Lawrence a jeho asistent David Sloan z Kalifornskej univerzity v Berkeley použili vysokofrekvenčné polia na urýchlenie ortuťových iónov na energie presahujúce 1,2 MeV. Táto práca doplnila urýchľovač ťažkých častíc Wideröe, ale iónové lúče neboli užitočné v jadrovom výskume.
Urýchľovač magnetickej rezonancie, alebo cyklotrón, vymyslel Lawrence ako modifikáciu inštalácie Wideröe. Študent Lawrence Livingston demonštroval princíp cyklotrónu v roku 1931 produkciou 80 keV iónov. V roku 1932 Lawrence a Livingston oznámili zrýchlenie protónov na viac ako 1 MeV. Neskôr v tridsiatych rokoch dosiahla energia cyklotrónov asi 25 MeV a energia Van de Graaffových generátorov asi 4 MeV. V roku 1940 Donald Kerst, aplikujúc výsledky starostlivých orbitálnych výpočtov na konštrukciu magnetov, zostrojil prvý betatrón, urýchľovač elektrónov s magnetickou indukciou, na University of Illinois.
Moderná fyzika: urýchľovače častíc
Po druhej svetovej vojne urobila veda o urýchľovaní častíc na vysoké energie rýchly pokrok. Začali to Edwin Macmillan v Berkeley a Vladimir Veksler v Moskve. V roku 1945 obaja nezávisle opísali princíp fázovej stability. Tento koncept ponúka prostriedok na udržanie stabilných dráh častíc v cyklickom urýchľovači, čím sa odstránilo obmedzenie energie protónov a umožnilo sa vytvoriť urýchľovače magnetickej rezonancie (synkrotróny) pre elektróny. Po výstavbe bolo potvrdené automatické fázovanie, implementácia princípu fázovej stabilitymalý synchrocyklotrón na Kalifornskej univerzite a synchrotrón v Anglicku. Krátko nato bol vytvorený prvý protónový lineárny rezonančný urýchľovač. Tento princíp bol odvtedy použitý vo všetkých veľkých protónových synchrotrónoch.
V roku 1947 William Hansen na Stanfordskej univerzite v Kalifornii zostrojil prvý lineárny urýchľovač elektrónových vĺn s použitím mikrovlnnej technológie, ktorý bol vyvinutý pre radary počas druhej svetovej vojny.
Pokrok vo výskume bol možný vďaka zvýšeniu energie protónov, čo viedlo ku konštrukcii stále väčších urýchľovačov. Tento trend zastavili vysoké náklady na výrobu obrovských prstencových magnetov. Najväčší váži asi 40 000 ton. Spôsoby zvýšenia energie bez zväčšenia rozmerov strojov demonštrovali v roku 1952 Livingston, Courant a Snyder v technike striedavého zaostrovania (niekedy nazývanej silné zaostrovanie). Synchrotróny založené na tomto princípe využívajú magnety 100-krát menšie ako doteraz. Takéto zaostrovanie sa používa vo všetkých moderných synchrotrónoch.
V roku 1956 si Kerst uvedomil, že ak sa dve sady častíc udržia na pretínajúcich sa dráhach, možno pozorovať ich zrážku. Aplikácia tejto myšlienky si vyžadovala akumuláciu zrýchlených lúčov v cykloch nazývaných skladovanie. Táto technológia umožnila dosiahnuť maximálnu interakčnú energiu častíc.
