Історія розвитку прискорювачів заряджених частинок

Реферат на тему:

Історія розвитку прискорювачів заряджених частинок

виконав студент

Жучков Д.В.

Вступ

Прискорювачі заряджених частинок - пристрої для отримання заряджених частинок (електронів, протонів, атомних ядер, іонів) великих енергій. Прискорення проводиться за допомогою електричного поля, здатного змінювати енергію частинок, що володіють електричним зарядом. Магнітне поле може лише змінити напрямок руху заряджених частинок, не змінюючи величини їх швидкості, тому в прискорювачах воно застосовується для управління рухом частинок (формою траєкторії). Зазвичай прискорює електричне поле створюється зовнішніми пристроями (генераторами). Але можливе прискорення за допомогою полів, створюваних іншими зарядженими частинками; такий метод прискорення називається колективним. Прискорювач заряджених частинок слід відрізняти від плазмових прискорювачів, в яких відбувається прискорення в середньому електрично нейтральних потоків заряджених частинок (плазми).

Опис прискорювача заряджених частинок

Прискорювач заряджених частинок - один з основних інструментів сучасної фізики. Прискорювачі є джерелами, як пучків первинних прискорених заряджених частинок, так і пучків вторинних частинок (мезонів, нейтронів, фотонів і ін.), Одержуваних при взаємодії первинних прискорених частинок з речовиною. Пучки частинок високих енергій використовуються для вивчення природи і властивостей елементарних частинок, в ядерній фізиці, у фізиці твердого тіла. Все більше вживання вони знаходять і при дослідженнях в ін. Областях: в хімії, біофізики, геофізики. Розширюється значення прискорювача заряджених частинок різних діапазонів енергій в металургії - для виявлення дефектів деталей і конструкцій (дефектоскопія), в деревообробній промисловості - для швидкої високоякісної обробки виробів, в харчовій промисловості - для стерилізації продуктів, в медицині - для променевої терапії, для «безкровної хірургії »і в ряді ін. галузей.

Стартовою точкою прискорювача є джерело заряджених частинок. Наприклад, джерелом електронів може служити будь-який нагрітий шматок металу, з якого постійно вискакують електрони і тут же повертаються назад. Якщо поруч помістити дротяну сітку і прикласти до неї напругу, ці електрони потягнуться до неї і, пролетівши наскрізь, кинуться до екрану-анода, утворивши пучок частинок невисокою енергії. Саме так працює «домашній прискорювач на 10 кеВ» - електронно-променева трубка в старих телевізорах.

10 кеВ - це дуже невелика енергія, для вивчення ядерних явищ її недостатньо. Тому еру прискорювальної техніки фізики відраховують від початку 1930-х років, коли з'явилися відразу дві схеми прискорення частинок до енергій близько 1 МеВ. У 1932 році Джон Дуглас Кокрофт і Еренст Уолтон в Кембриджі сконструювали каскадний 800-кіловольтної генератор постійної напруги, який відкрив нову еру в експериментальної ядерної фізики. Уже в першому своєму експерименті вони направили пучок прискорених протонів на мішень з літію-7 і спостерігали справжнісіньку ядерну реакцію: ядро ​​літію захоплювало протон і потім розвалювалося на дві альфа-частинки.

Вважається, що про машину для прискорення заряджених частинок першим задумався Резерфорд, який висловив цю ідею в 1927 році на сесії Лондонського Королівського товариства. Але у батька-засновника ядерної фізики були предшественнікі.В 1919 році 17-річний школяр з Осло Рольф Відерое прочитав в газеті, що Резерфорд розбив на осколки ядра азоту, бомбардуючи їх альфа-частками, що випускаються радієва джерелом. Хлопчик зрозумів, що швидкість часток і, отже, сила удару збільшаться, якщо розігнати їх в постійному електричному полі. При цьому Рольф досить розбирався в фізиці, щоб зрозуміти, що цей шлях не найкращий, так як необхідну різницю потенціалів в мільйони вольт отримати надзвичайно важко. Рольф вирішив, що для розгону часток варто використовувати слідства рівнянь електродинаміки, про які він дещо знав. Після закінчення школи Відерое поїхав до Німеччини вивчати електротехніку в політехнічному університеті в Карлсруе, а через три роки накидав в блокноті схему кільцевого прискорювача, що розганяє електрони за допомогою вихрового електричного поля, що виникає (в повній відповідності з рівняннями Максвелла!) При періодичній зміні магнітного потоку. Фактично це звичайний електричний трансформатор, в якому одна з котушок замінена вакуумної камерою. Відерое визначив параметри магнітних полів, необхідні для того, щоб всі електрони могли набирати швидкість на одній і тій же круговій орбіті. Це і був проект першого в світі прискорювача елементарних частинок, причому з точки зору теорії абсолютно бездоганний. А до виступу Резерфорда залишалося ще чотири роки ... Після захисту диплома Рольф повернувся на батьківщину для проходження військової служби, а потім знову поїхав до Німеччини працювати над дисертацією. Будучи експериментатором, він вирішив втілити свою схему в залозі. Відерое припускав побудувати установку, розганяє електрони до 6 МеВ, але тут його спіткало розчарування - електрони не бажали залишатися на стабільній орбіті. Для їх фокусування було потрібно дипольне магнітне поле, але фізики усвідомили це лише десять років по тому: в 1940 році професор університету штату Іллінойс Дональд Керст побудував перший діючий індукційний прискорювач електронів на 2,3 МеВ (зараз такі машини називають Бетатрон, в пам'ять про ті часи, коли електрони іменували бета-частинками; найбільший в світі бетатрон на 300 МеВ, побудований тим же Керстен, був введений в дію в 1950 році) .Оскільки кільцевий прискорювач не діяли, а терміни захисту наближалися, Відерое вирішив побудує ь лінійний прискорювач, схему якого в 1925 році придумав шведський фізик Густав Ізинга. Машина була недостатньо потужною і тому марною для серйозних експериментів, але вона все ж прискорювала в біжить електричному полі іони натрію до 50 кеВ. Поле було змінним по необхідності, його частота змінювалася таким чином, щоб залишатися в фазі з набирающими швидкість частинками. У 1928 році Відерое благополучно захистився і опублікував свою работу.В 1943 році він - здається, першим в світі - зрозумів, що для підвищення енергії зіткнення частинок їх можна зіштовхувати лоб в лоб, попередньо збираючи в тороїдальних вакуумних камерах, поміщених в магнітне поле. Сьогодні такі пристрої називають накопичувальними кільцями, Відерое же назвав їх «ядерними млинами». Він запатентував свою конструкцію в Німеччині, але в умовах воєнного часу патент засекретили. Обидві його ідеї були здійснені, але значно пізніше і іншими людьми. Перше в світі накопичувальне кільце було побудовано в 1961 році в Італійській національної лабораторії в місті Фраскаті під керівництвом Бруно тушок, молодшого колеги Відерое. А сам Відерое після війни успішно трудився в фірмі, яка виготовляла Бетатрон, що застосовувалися в онкологічних лікарнях як потужні джерела рентгенівського випромінювання. Прийшов до нього і наукове визнання, хоча і з запізненням - він став консультантом в ЦЕРНі і в німецькій лабораторії фізики високих енергій DESY. Але так уже склалося, що широкій публіці цей вчений відомий набагато менше, ніж інші класики прискорювальних технологій.

лінійні прискорювачі

Прилад Відерое був чисто демонстраційним. Перший «робочий» лінійний прискорювач побудували в 1932 році співробітники Кавендішськой лабораторії Джон Кокрофт і Ернест Уолтон, через 19 років удостоєні Нобелівської премії. Ця машина розганяла протони до енергії в 500 кеВ, що дозволило зламати ядра літію: ядро ​​літію захоплювало протон і потім розвалювалося на дві альфа-частинки.

У 1930-ті роки ця система (так званий каскадний генератор) використовувалася досить широко, але лише для отримання енергій до 1 МеВ (в цій якості її використовують і понині). А ось схема Ізинга володіє куди кращими можливостями. За ідеєю вона дуже проста. Заряджена частинка залишає джерело і летить по вакуумній камері крізь безліч співвісних порожніх металевих трубок, розташованих уздовж прямої лінії. На ці трубки подається змінне електричне поле, яке частка «відчуває», лише коли пролітає через зазор (всередині трубок воно екранується). Таким чином, в трубках частки летять по інерції - дрейфують (тому трубки і називають дрейфовими). Частота коливань електричного потенціалу підібрана так, щоб при проходженні кожного зазору частка прискорювалася, а не гальмувалася. Набравши розрахункову енергію, частинки потрапляють на мішень (на практиці їх доводиться додатково фокусувати, наприклад, за допомогою магнітних лінз). Зрозуміло, що параметри дрейфовий трубок визначаються видом прискорених частинок.

Якщо це електрони, які швидко набирають майже світлову швидкість, довжина трубок може бути однаковою. Важкі частинки, протони і іони, розганяються поступово, тому їх треба проганяти через дрейфові трубки зростаючої довжини. Саме таку конструкцію і запропонував Ізинга. Через двадцять років її перевідкрив американець Луїс Альварес, і тепер схема носить його ім'я. У 1946 році Альварес і Вольфганг Панофски побудували в Берклі перший в світі лінійний прискорювач, який розганяв протони до енергії в 32 МеВ, цілком достатньою для експериментів в області ядерної фізики. Для створення прискорює поля вони скористалися деталями радіолокаторів, яких, звичайно, не було за часів Ізинга. Схема Альвареса добре працює для розгону протонів до 200 МеВ. Більш високі енергії отримують за допомогою хвилеводів з хвилею, що біжить, які використовують і в електронних лінійних ускорітелях.Протонная карусельРольф Відерое непрямим чином доклав руку і до винаходу циклотрона. Як не дивно, стимулом для створення цієї машини стала його стаття про лінійний прискорювач. Ця маловідома історія добре ілюструє, наскільки непростим шляхом розвивається наукове знання. Прилад Відерое (єдина дрейфова трубка з парою прискорюють зазорів по краях) повністю втілював ключову ідею Ізинга - частинки більшу частину шляху проходять по інерції і тільки

на певних ділянках резонансно розганяються електричним полем. У 1929 році стаття Відерое попалася на очі молодому професору Каліфорнійського університету Ернесту Орландо Лоуренса, який зрозумів, що резонансне прискорення частинок не обов'язково здійснювати на прямолінійній траєкторії. Він взяв металевий порожній циліндр приблизно тих же пропорцій, що і банку з-під шпротів, розрізав його вздовж осі і розсунув половинки (їх зараз називають дуантами). Цю розрізану банку треба вкласти між полюсами електромагніту, а в її центрі помістити джерело не особливо швидких заряджених частинок, що підкоряються законам ньютонівської механіки. У постійному магнітному полі вони стануть закручуватися і рухатися за інерцією по колах фіксованого радіуса (зрозуміло, в камері повинен бути вакуум).

Такий пристрій можна перетворити в прискорювач. Для цього в зазори між дуантами треба подати змінне електричне поле, частота якого збігається з частотою обертання частинок (остання залежить від заряду, напруженості магнітного поля й маси частинок і не залежить від їх швидкості). При належному виборі його фази воно буде резонансно розганяти частинки при проході зазорів між дуантами - точно так само, як і в лінійному прискорювачі Ізинга-Альвареса. Ті будуть йти на все більші й більші радіуси по розкручування спіралі, поки не зіткнуться зі стінкою камери чи занехають виведені на мішень.В 1930 році Лоуренс першим опублікував схему циклічного резонансного прискорювача в журналі Science. Роком пізніше він спільно з аспірантом Стенлі Ливингстоном зібрав демонстраційну модель діаметром 11 см. У камеру подавали сильно розріджений водень, який всередині неї іонізованого електричним полем. Іонізовані молекули водню набирали в прискорювачі до 80 кеВ. Навесні 1932 року Лоуренс і Лівінгстон побудували 25-сантиметровий протонний прискорювач на 1,2 МеВ. Ще через рік у них була машина, прискорює ядра дейтерію до 5 МеВ. З 1934 року такі установки почали експлуатувати і в інших лабораторіях. Сам Лоуренс спочатку називав свій винахід протонної каруселлю, але незабаром воно стало називатися циклотроном.

Циклотрон кардинально змінив експериментальну базу ядерної фізики, і не дивно, що в 1939 році праці Лоуренса були удостоєні Нобелівської премії.А після війни з'ясувалося, що одночасно з Лоуренсом або навіть трохи раніше до такої ж ідеї прийшов угорський фізик Шандор Гаал. У травні 1929 року він відправив рукопис, де було викладено принцип циклотрона, в німецький журнал Zeitschrift für Physic, але редактори не зрозуміли, про що йде мова, і відмовилися її надрукувати.

синхронні прискорювачі

Лоуренс хотів побудувати протонний циклотрон на 100 МеВ, але втрутилися закони фізики. За порогом 20 МеВ протони розганяються настільки сильно, що в дію вступають формули спеціальної теорії відносності. Коли маса частинки починає рости, частота її звернення, природно, знижується, і частка виходить з резонансу. Найбільші циклотрони, побудовані в Окриджской національної лабораторії в США і в Стокгольмському Нобелівському інституті, могли розігнати протони до 22 МеВ, а ядра дейтерію - до 24 МеВ. Для досягнення високих енергій потрібні циклічні прискорювачі, які можуть забезпечити стабільне відповідність фази прискорює поля руху частинки. Циклотрон на таке не способен.Чтоби релятивістські частинки продовжували розганятися в резонансному режимі, потрібно або поступово збільшувати напруженість магнітного поля (тим самим зменшуючи радіус їх траєкторії), або зменшувати частоту коливань електричного потенціалу на дуантах, змушуючи її слідувати за зниженням частоти звернення часток, або узгоджено змінювати параметри обох полей.Будем, наприклад, діяти за допомогою одного електричного поля. Припустимо, ми визначили, як знижувати його частоту. Виявляється, цього мало. Початкові швидкості часток не будуть абсолютно однаковими; крім того, під час відкачування повітря деяка частка частинок зіткнеться з його молекулами і зіб'ється з курсу. Прискорювач зможе працювати, лише якщо з часом число подібних відхилень буде скорочуватися і частки повернуться на правильні траєкторії. В іншому випадку всі частинки швидко вийдуть з резонанса.І ось тут на допомогу приходить ефект автофазіровкі, відкритий незалежно один від одного радянським ученим Володимиром Векслером за сприяння Євгена Фейнберг і, трохи пізніше, американцем Едвіном Макмилланом. Вони довели, що кільцеві резонансні прискорювачі можуть вийти за циклотронний межа і розігнати частинки практично до будь-яких енергій - за допомогою особливого режиму коливань електричного потенціалу, який автоматично коригує не дуже великі відхилення частинок від розрахункової фази (її називають рівноважною) і тим самим зберігає резонансне прискорення . Якби не цей режим, можливості кільцевих прискорювачів були б обмежені максимумом циклотронних енергій (варто зауважити, що механізм автофазіровкі працює і в лінійних резонансних прискорювачах) .Після відкриття автофазіровкі були створені і втілені в металі різні конструкції прискорювачів. Машину з постійним магнітним полем і електричним полем змінної частоти в англомовній літературі прийнято називати сінхроціклотроном, а в радянській - ФАЗОТРОН. У синхроциклотроні, як і в циклотроні, частинки рухаються по розкручування спіралі. Прискорювачі, в яких зростання енергії частинок супроводжується збільшенням напруженості магнітного поля, називаються синхротронами. Синхротрони будують у вигляді кільцевих тунелів, оточених електромагнітами, так що частинки там рухаються по орбітах постійного радіусу. У електронного синхротрона частота електричного поля незмінна (оскільки електрони там рухаються майже зі світловою швидкістю), а ось у протонного синхротрона цей показник варіює. Ці прискорювачі в СРСР, з подачі Векслера, назвали сінхрофазотронамі.Первую таку машину (Космотрон) з вакуумної камерою 23-метрового діаметру запустили в Брукхейвені в 1952 році. Спочатку вона прискорювала протони до 2,3 ГеВ, а після повної доведення - до 3,3 ГеВ. У 1953 році в Бірмінгемському університеті вступив в дію менш просунутий протонний синхротрон на 1 ГеВ.В наступні роки їх енергія зросла до кількох ГеВ і на них було скоєно багато відкриттів у фізиці елементарних частинок. У 1954 році заробив прискорювач в Берклі, який роком пізніше вийшов на енергію 6,2 ГеВ (саме на ньому вперше отримали антипротона). У 1957 році був запущений синхрофазотрон в Дубні на 10 ГеВ. Всі найбільші циклічні протонні прискорювачі - синхрофазотрони.

В основі багатьох сучасних прискорювачів, зокрема LHC, лежить принцип синхрофазотрона.

фокуси фокусування

Через кілька років після прозрінь Векслера і Макміллана фізики здійснили новий прорив на шляху до більш високих енергіям.Во всіх резонансних циклічних прискорювачах магнітне поле не тільки загортає частки, але також їх і фокусує. У Космотрон і інших синхротронах першого покоління частки подорожували в магнітному полі, яке поступово спадає при збільшенні радіуса. Його силові лінії мають бочкообразую форму, дякую чого частки фокусуються не тільки по радіусу, але і по вертикалі; інакше кажучи, таке поле не дає часткам іти з площини орбіти.Подобная конфігурація магнітного поля аж ніяк не ідеальна. Вона дозволяє отримувати лише досить широкі пучки (а для обстрілу мішеней краще б стискати пучки сильніше, збільшуючи їх щільність) і до того ж вимагає будівництва дуже великих і тому дорогих машин. Маса магнітної системи Дубнинська синхрофазотрона, де реалізована така фокусування, дорівнює 36 000 тон. Витрати на системи з істотно більшою масою зашкалювали б за всі розумні предели.Ета проблема була вирішена в середині минулого століття. У 1949 році грецький фізик Ніколас Хрістофілос показав, що рухом частинок можна керувати за допомогою великого числа прилеглих один до одного електромагнітів, що чергуються сильне спадання магнітного поля по радіусу вакуумної камери з настільки ж сильним його наростанням. Однак він виклав свої результати лише в формі патентної заявки, так що його відкриття тоді пройшло повз увагу. Три роки по тому до тієї ж ідеї прийшли американці Ернест Курант, Стенлі Лівінгстон і Хартланд Снайдер. Цей метод отримав назву сильної фокусування (фокусування за допомогою радіально спадаючого поля називається слабкою). Він посилив вимоги до регулювання прискорювального електричного поля, але зате дозволив краще фокусувати пучки по радіусу і вертикалі і уповільнив зростання розмірів прискорювачів.

колайдери

Наступним етапом в історії прискорювальної техніки стало созданіеколлайдеров - прискорювачів із зустрічними пучками, де два пучки часток розкручуються в протилежних напрямках і стикаються один з одним. Спочатку цю ідею висловив і навіть запатентував в 1943 році норвезький фізик Рольф Відерое (Rolf Wideröe), однак реалізована вона була лише на початку 1960-х років трьома незалежними командами дослідників: італійською групою під керівництвом австрійця Бруно тушок (Bruno Touschek), американцями під керівництвом Джерарда О'Нейлл (Gerard K. O'Neill) і Вольфганга Пановскі (Wolfgang KH Panofsky) і новосибірської групою, очолюваною Г.І. Будкером.

До того моменту всі експерименти проводилися з нерухомою мішенню. Коли високоенергетична частка налітає на нерухому частку, народжені продукти зіткнення летять вперед з великою швидкістю, і саме на їх кінетичну енергію витрачається основна частка енергії пучків. Якщо ж стикаються летять назустріч один одному однакові частки, то велика частина їх енергії витрачається за прямим призначенням: на народження частинок. За формулами релятивістської механіки можна обчислити повну енергію в системі центру мас - саме цю частину енергії вихідних частинок можна витратити на рожденіенових частинок. У першому випадку це приблизно, а в другому випадку 2E. Якщо частинки ультрарелятивістських, E >> mc ^2, то в коллайдерах на зустрічних пучках можуть народжуватися набагато важчі частинки, ніж в експериментах з нерухомою мішенню при тій же енергії пучка.

Схема розташування Великого адронного коллайдера

У 2008 році в лад вступає найпотужніший прискорювач, коли-небудь побудований людиною, - Великий адронний коллайдер, LHC, з енергією протонів 7 ТеВ. Він знаходиться в підземному кільцевому тунелі довжиною 27 км на кордоні Швейцарії та Франції. Фізики сподіваються, що результати LHC приведуть до нового прориву в розумінні глибинного будови нашого світу.

Зараз прискорювачі підійшли до свого конструкционному межі. Істотне збільшення енергії частинок стане можливим, тільки якщо колайдери стануть лінійними і буде реалізована більш ефективна методика прискорення частинок. Прорив обіцяє лазерна або лазерно-плазмова методика прискорення. У ній короткий, але потужний лазерний імпульс або безпосередньо розганяє заряджені частинки, або створює обурення в хмарі плазми, яке підхоплює пролітає потік електронів і різко його прискорює. Для успішного застосування цієї схеми в прискорювачі потрібно подолати ще чимало труднощів (навчитися стикувати один з одним кілька прискорюють елементів, впоратися з великим кутовим розбіжністю, а також розкидом по енергії прискорених частинок), але перші результати дуже обнадійливі.