, а во втором случае 2E. Если частицы ультрарелятивистские, E >> mc2, то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.Принцип работы всех ускорителей прост — заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля.
Первые эксперименты по изучению атомных ядер проводились вообще без ускорителей. Альфа-частицы (ядра гелия-4), использовавшиеся в таких опытах, получались из распада нестабильных изотопов (например, радия) и сами собой ускорялись в электрическом поле родительского ядра до энергий в несколько МэВ.
Эру ускорительной техники отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году англичанин Джон Кокрофт (John Cockcroft) и ирландец Эрнест Уолтон (Ernest Walton) в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.
Создать разность потенциалов в десятки мегавольт очень непросто, но быстро выяснилось, что это и не обязательно. Вместо этого можно свернуть ускоритель в кольцо, поместив его в магнитное поле. В отличие от электрического, магнитное поле не ускоряет частицы, а лишь искривляет их траекторию. В частности, в однородном магнитном поле траектория заряженной частицы замыкается в окружность. Если теперь частицу время от времени подталкивать вперед электрическим полем, она будет набирать энергию, постепенно увеличивая радиус траектории. При этом автоматически решаются две задачи: частицы можно удерживать на орбите столько времени, сколько нужно, а ускоряющее электрическое поле не обязательно должно быть большим (тысяча проходов через разность потенциалов в один киловольт эквивалентна мегавольтному линейному генератору).
Ускоритель частиц на основе этого принципа — циклотрон — был задуман Эрнестом Лоуренсом (Ernest Lawrence) в 1929 году и сконструирован в 1931 году. Циклотрон состоит из двух полых половинок диска, внутри которых вращаются частицы. На края зазора между половинками подается переменное напряжение, частота которого точно совпадает с частотой обращения частиц. Когда частицы пролетают сквозь зазор в одну сторону, электрическое поле подталкивает их вперед, а через полпериода, когда они вновь пересекают зазор в обратном направлении с другой, диаметрально противоположной стороны диска, поле уже успевает сменить знак и снова их подталкивает, а не тормозит. Так повторяется круг за кругом, пока не будет достигнута максимальная энергия.
Принципиально важно, что, пока скорость частиц существенно меньше скорости света, частота их обращения остается постоянной: рост скорости в точности компенсируется увеличением радиуса орбиты. Благодаря этому частица всегда подлетает к зазору через одинаковые интервалы времени, и поэтому на края зазора можно подавать переменное напряжение известной и строго фиксированной частоты.
Первый построенный Лоуренсом циклотрон был чуть больше 10 см в диаметре и разгонял протоны всего до 80 кэВ (килоэлектронвольт). Быстрый прогресс привел к появлению циклотрона на 8 МэВ в 1936 году и к 200-Мэвному многометровому гиганту в 1946 году. Правда, при такой энергии скорость протонов уже близка к скорости света, поэтому нерелятивистская формула для расчета циклотронной частоты уже не работает. Достичь таких энергий физики сумели, лишь научившись подстраивать частоту переменного электрического поля в зазоре в соответствии с частотой обращения частиц.
Дальнейшее увеличение энергий столкнулось с рядом проблем. Среди них были как чисто конструкторские трудности (необходимо обеспечить однородное магнитное поле, глубокий вакуум и механическую прочность, не мешая при этом частицам раскручиваться по спирали), так и принципиальная проблема — частицы разбегались по камере и попадали в ускорительные зазоры в неправильные моменты времени, из-за чего они не ускорялись.
В 1944 году советский физик Владимир Векслер и независимо от него годом позже американец Эдвин Макмиллан (Edwin McMillan) придумали принцип автофазировки. Их идея состояла в специальной настройке электрического поля в зазоре, которая отстающие частицы подгоняла бы сильнее, а убежавшие вперед — слабее. В результате частицы всегда будут держаться в виде компактного, не расплывающегося сгустка. Наконец, чтобы избавиться от инженерных проблем, частицы стали запускать вместо огромного диска в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов. В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.
Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ (Rolf Wideröe), однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцами под руководством Джерарда О’Нейлла (Gerard K. O'Neill) и Вольфганга Пановски (Wolfgang K. H. Panofsky) и новосибирской группой, возглавляемой Г. И. Будкером.
До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную частицу, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. По формулам релятивистской механики можно вычислить полную энергию в системе центра масс — именно эту часть энергии исходных частиц можно потратить на рождение новых частиц. В первом случае это примерно , а во втором случае 2E. Если частицы ультрарелятивистские, E >> mc2, то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.
В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, — Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ (см. раздел об LHC на «Элементах»). Он находится в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеются, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.
Сейчас ускорители подошли к своему конструкционному пределу. Существенное увеличение энергии частиц станет возможным, только если коллайдеры станут линейными и будет реализована более эффективная методика ускорения частиц. Прорыв обещает лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения. В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет. Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.
Далее: Как работает ускоритель
elementy.ru
Реферат на тему:
История развития ускорителей заряженных частиц
Выполнил студент
Жучков Д.В.
Введение
Ускорители заряженных частиц — устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами). Но возможно ускорение с помощью полей, создаваемых другими заряженными частицами; такой метод ускорения называется коллективным. Ускоритель заряженных частиц следует отличать от плазменных ускорителей, в которых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы).
Описание ускорителя заряженных частиц
Ускоритель заряженных частиц — один из основных инструментов современной физики. Ускорители являются источниками, как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц, в ядерной физике, в физике твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в др. областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение ускорителя заряженных частиц различных диапазонов энергий в металлургии — для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообделочной промышленности — для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности — для стерилизации продуктов, в медицине — для лучевой терапии, для «бескровной хирургии» и в ряде др. отраслей.
Стартовой точкой ускорителя является источник заряженных частиц. Например, источником электронов может служить любой нагретый кусок металла, из которого постоянно выскакивают электроны и тут же возвращаются обратно. Если рядом поместить проволочную сетку и приложить к ней напряжение, эти электроны потянутся к ней и, пролетев насквозь, устремятся к экрану-аноду, образовав пучок частиц невысокой энергии. Именно так работает «домашний ускоритель на 10 кэВ» — электронно-лучевая трубка в старых телевизорах.
10 кэВ — это очень небольшая энергия, для изучения ядерных явлений ее недостаточно. Поэтому эру ускорительной техники физики отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году Джон Дуглас Кокрофт и Эренст Уолтон в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.
Считается, что о машине для ускорения заряженных частиц первым задумался Резерфорд, высказавший эту идею в 1927 году на сессии Лондонского Королевского общества. Но у отца-основателя ядерной физики были предшественники.В 1919 году 17-летний школьник из Осло Рольф Видероэ прочел в газете, что Резерфорд разбил на осколки ядра азота, бомбардируя их альфа-частицами, испускаемыми радиевым источником. Мальчик сообразил, что скорость частиц и, следовательно, сила удара увеличатся, если разогнать их в постоянном электрическом поле. При этом Рольф достаточно разбирался в физике, чтобы понять, что этот путь не самый лучший, так как необходимую разность потенциалов в миллионы вольт получить чрезвычайно трудно. Рольф решил, что для разгона частиц стоит использовать следствия уравнений электродинамики, о которых он кое-что знал. После окончания школы Видероэ поехал в Германию изучать электротехнику в политехническом университете в Карлсруэ, а через три года набросал в блокноте схему кольцевого ускорителя, разгоняющего электроны с помощью вихревого электрического поля, возникающего (в полном соответствии с уравнениями Максвелла!) при периодическом изменении магнитного потока. Фактически это обыкновенный электрический трансформатор, в котором одна из катушек заменена вакуумной камерой. Видероэ определил параметры магнитных полей, необходимые для того, чтобы все электроны могли набирать скорость на одной и той же круговой орбите. Это и был проект первого в мире ускорителя элементарных частиц, причем с точки зрения теории абсолютно безупречный. А до выступления Резерфорда оставалось еще четыре года...После защиты диплома Рольф вернулся на родину для прохождения военной службы, а затем опять поехал в Германию работать над диссертацией. Будучи экспериментатором, он решил воплотить свою схему в железе. Видероэ предполагал построить установку, разгоняющую электроны до 6 МэВ, но тут его постигло разочарование — электроны не желали оставаться на стабильной орбите. Для их фокусировки требовалось дипольное магнитное поле, но физики осознали это лишь десять лет спустя: в 1940 году профессор университета штата Иллинойс Дональд Керст построил первый действующий индукционный ускоритель электронов на 2,3 МэВ (сейчас такие машины называют бетатронами, в память о тех временах, когда электроны именовали бета-частицами; крупнейший в мире бетатрон на 300 МэВ, построенный тем же Керстом, был введен в действие в 1950 году).Поскольку кольцевой ускоритель не действовал, а сроки защиты приближались, Видероэ решил построить линейный ускоритель, схему которого в 1925 году придумал шведский физик Густав Изинг. Машина была недостаточно мощной и потому бесполезной для серьезных экспериментов, но она всё же ускоряла в бегущем электрическом поле ионы натрия до 50 КэВ. Поле было переменным по необходимости, его частота изменялась таким образом, чтобы оставаться в фазе с набирающими скорость частицами. В 1928 году Видероэ благополучно защитился и опубликовал свою работу.В 1943 году он — кажется, первым в мире — понял, что для повышения энергии соударения частиц их можно сталкивать лоб в лоб, предварительно собирая в тороидальных вакуумных камерах, помещенных в магнитное поле. Сегодня такие устройства называют накопительными кольцами, Видероэ же назвал их «ядерными мельницами». Он запатентовал свою конструкцию в Германии, но в условиях военного времени патент засекретили. Обе его идеи были осуществлены, но много позже и другими людьми. Первое в мире накопительное кольцо было построено в 1961 году в Итальянской национальной лаборатории в городе Фраскати под руководством Бруно Тушека, младшего коллеги Видероэ. А сам Видероэ после войны успешно трудился в фирме, которая изготовляла бетатроны, применявшиеся в онкологических больницах как мощные источники рентгеновского излучения. Пришло к нему и научное признание, хотя и с запозданием — он стал консультантом в ЦЕРНе и в немецкой лаборатории физики высоких энергий DESY. Но так уж сложилось, что широкой публике этот ученый известен гораздо меньше, чем прочие классики ускорительных технологий.
Линейные ускорители
Прибор Видероэ был чисто демонстрационным. Первый «рабочий» линейный ускоритель построили в 1932 году сотрудники Кавендишской лаборатории Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, спустя 19 лет удостоенные Нобелевской премии. Эта машина разгоняла протоны до энергии в 500 КэВ, что позволило взломать ядра лития: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.
В 1930-е годы эта система (так называемый каскадный генератор) использовалась довольно широко, но лишь для получения энергий до 1 МэВ (в этом качестве ее используют и поныне). А вот схема Изинга обладает куда лучшими возможностями. По идее она очень проста. Заряженная частица покидает источник и летит по вакуумной камере сквозь множество соосных полых металлических трубок, расположенных вдоль прямой линии. На эти трубки подается переменное электрическое поле, которое частица «ощущает», лишь когда пролетает через зазор (внутри трубок оно экранируется). Таким образом, в трубках частицы летят по инерции — дрейфуют (поэтому трубки и называют дрейфовыми). Частота колебаний электрического потенциала подобрана так, чтобы при прохождении каждого зазора частица ускорялась, а не тормозилась. Набрав расчетную энергию, частицы попадают на мишень (на практике их приходится дополнительно фокусировать, например, с помощью магнитных линз). Понятно, что параметры дрейфовых трубок определяются видом ускоряемых частиц.
Если это электроны, которые быстро набирают почти световую скорость, длина трубок может быть одинаковой. Тяжелые частицы, протоны и ионы, разгоняются постепенно, поэтому их надо прогонять через дрейфовые трубки возрастающей длины. Именно такую конструкцию и предложил Изинг. Через двадцать лет ее переоткрыл американец Луис Альварес, и теперь схема носит его имя. В 1946 году Альварес и Вольфганг Панофски построили в Беркли первый в мире линейный ускоритель, который разгонял протоны до энергии в 32 МэВ, вполне достаточной для экспериментов в области ядерной физики. Для создания ускоряющего поля они воспользовались деталями радиолокаторов, которых, конечно, не было во времена Изинга. Схема Альвареса хорошо работает для разгона протонов до 200 МэВ. Более высокие энергии получают с помощью волноводов с бегущей волной, которые используют и в электронных линейных ускорителях.Протонная карусельРольф Видероэ косвенным образом приложил руку и к изобретению циклотрона. Как ни странно, стимулом для создания этой машины стала его статья о линейном ускорителе. Эта малоизвестная история хорошо иллюстрирует, сколь непростым путем развивается научное знание. Прибор Видероэ (единственная дрейфовая трубка с парой ускоряющих зазоров по краям) полностью воплощал ключевую идею Изинга — частицы бОльшую часть пути проходят по инерции и только
на определенных участках резонансно разгоняются электрическим полем. В 1929 году статья Видероэ попалась на глаза молодому профессору Калифорнийского университета Эрнесту Орландо Лоуренсу, который понял, что резонансное ускорение частиц не обязательно осуществлять на прямолинейной траектории. Он взял металлический полый цилиндр примерно тех же пропорций, что и банка из-под шпрот, разрезал его вдоль оси и раздвинул половинки (их сейчас называют дуантами). Эту разрезанную банку надо вложить между полюсами электромагнита, а в ее центре поместить источник не особенно быстрых заряженных частиц, подчиняющихся законам ньютоновской механики. В постоянном магнитном поле они станут закручиваться и двигаться по инерции по окружностям фиксированного радиуса (разумеется, в камере должен быть вакуум).
Такое устройство можно превратить в ускоритель. Для этого в зазоры между дуантами надо подать переменное электрическое поле, частота которого совпадает с частотой вращения частиц (последняя зависит от заряда, напряженности магнитного поля и массы частиц и не зависит от их скорости). При надлежащем выборе его фазы оно будет резонансно разгонять частицы при проходе зазоров между дуантами — точно так же, как и в линейном ускорителе Изинга–Альвареса. Те будут уходить на всё большие и большие радиусы по раскручивающейся спирали, покуда не столкнутся со стенкой камеры или не будут выведены на мишень.В 1930 году Лоуренс первым опубликовал схему циклического резонансного ускорителя в журнале Science. Годом позже он совместно с аспирантом Стэнли Ливингстоном собрал демонстрационную модель диаметром 11 см. В камеру подавали сильно разреженный водород, который внутри нее ионизировался электрическим полем. Ионизированные молекулы водорода набирали в ускорителе до 80 КэВ. Весной 1932 года Лоуренс и Ливингстон построили 25-сантиметровый протонный ускоритель на 1,2 МэВ. Еще через год у них была машина, ускорявшая ядра дейтерия до 5 МэВ. С 1934 года такие установки начали эксплуатировать и в других лабораториях. Сам Лоуренс поначалу называл свое изобретение протонной каруселью, но вскоре оно стало именоваться циклотроном.
Циклотрон кардинально изменил экспериментальную базу ядерной физики, и неудивительно, что в 1939 году труды Лоуренса были удостоены Нобелевской премии. А после войны выяснилось, что одновременно с Лоуренсом или даже чуть раньше к такой же идее пришел венгерский физик Шандор Гаал. В мае 1929 года он отправил рукопись, где был изложен принцип циклотрона, в немецкий журнал Zeitschrift für Physic, но редакторы не поняли, о чем идет речь, и отказались ее напечатать.
Синхронные ускорители
Лоуренс хотел построить протонный циклотрон на 100 МэВ, но вмешались законы физики. За порогом 20 МэВ протоны разгоняются столь сильно, что в действие вступают формулы специальной теории относительности. Когда масса частицы начинает расти, частота ее обращения, естественно, снижается, и частица выходит из резонанса. Самые большие циклотроны, построенные в Окриджской национальной лаборатории в США и в Стокгольмском Нобелевском институте, могли разогнать протоны до 22 МэВ, а ядра дейтерия — до 24 МэВ. Для достижения больших энергий нужны циклические ускорители, которые могут обеспечить стабильное соответствие фазы ускоряющего поля движению частицы. Циклотрон на такое не способен.Чтобы релятивистские частицы продолжали разгоняться в резонансном режиме, нужно либо постепенно увеличивать напряженность магнитного поля (тем самым уменьшая радиус их траектории), либо уменьшать частоту колебаний электрического потенциала на дуантах, заставляя ее следовать за снижением частоты обращения частиц, либо согласованно менять параметры обоих полей.Будем, например, действовать с помощью одного электрического поля. Допустим, мы определили, как снижать его частоту. Оказывается, этого мало. Начальные скорости частиц не будут абсолютно одинаковыми; кроме того, во время откачки воздуха некоторая доля частиц столкнется с его молекулами и собьется с курса. Ускоритель сможет работать, лишь если со временем число подобных отклонений будет сокращаться и частицы вернутся на правильные траектории. В противном случае все частицы быстро выйдут из резонанса.И вот тут на помощь приходит эффект автофазировки, открытый независимо друг от друга советским ученым Владимиром Векслером при содействии Евгения Фейнберга и, немногим позже, американцем Эдвином Макмилланом. Они доказали, что кольцевые резонансные ускорители могут выйти за циклотронный предел и разогнать частицы практически до любых энергий — с помощью особого режима колебаний электрического потенциала, который автоматически корректирует не особенно большие отклонения частиц от расчетной фазы (ее называют равновесной) и тем самым сохраняет резонансное ускорение. Если бы не этот режим, возможности кольцевых ускорителей были бы ограничены максимумом циклотронных энергий (стоит заметить, что механизм автофазировки работает и в линейных резонансных ускорителях).После открытия автофазировки были созданы и воплощены в металле различные конструкции ускорителей. Машину с постоянным магнитным полем и электрическим полем переменной частоты в англоязычной литературе принято называть синхроциклотроном, а в советской — фазотроном. В синхроциклотроне, как и в циклотроне, частицы движутся по раскручивающейся спирали. Ускорители, в которых рост энергии частиц сопровождается увеличением напряженности магнитного поля, называются синхротронами. Синхротроны строят в виде кольцевых туннелей, окруженных электромагнитами, так что частицы там движутся по орбитам постоянного радиуса. У электронного синхротрона частота электрического поля неизменна (поскольку электроны там движутся почти со световой скоростью), а вот у протонного синхротрона этот показатель варьирует. Эти ускорители в СССР, с подачи Векслера, назвали синхрофазотронами.Первую такую машину (Космотрон) с вакуумной камерой 23-метрового диаметра запустили в Брукхейвене в 1952 году. Поначалу она ускоряла протоны до 2,3 ГэВ, а после полной доводки — до 3,3 ГэВ. В 1953 году в Бирмингемском университете вступил в действие менее продвинутый протонный синхротрон на 1 ГэВ.В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В 1954 году заработал ускоритель в Беркли, который годом позже вышел на энергию 6,2 ГэВ (именно на нем впервые получили антипротоны). В 1957 году был запущен синхрофазотрон в Дубне на 10 ГэВ. Все самые большие циклические протонные ускорители — синхрофазотроны.
В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.
Фокусы фокусировки
Через несколько лет после прозрений Векслера и Макмиллана физики осуществили новый прорыв на пути к более высоким энергиям.Во всех резонансных циклических ускорителях магнитное поле не только заворачивает частицы, но также их и фокусирует. В Космотроне и других синхротронах первого поколения частицы путешествовали в магнитном поле, которое постепенно спадает при увеличении радиуса. Его силовые линии имеют бочкообразую форму, благодарю чему частицы фокусируются не только по радиусу, но и по вертикали; иначе говоря, такое поле не дает частицам уходить с плоскости орбиты.Подобная конфигурация магнитного поля отнюдь не идеальна. Она позволяет получать лишь довольно широкие пучки (а для обстрела мишеней лучше бы сжимать пучки сильнее, увеличивая их плотность) и к тому же требует строительства очень больших и потому дорогих машин. Масса магнитной системы дубнинского синхрофазотрона, где реализована такая фокусировка, равна 36 000 тонн. Расходы на системы с существенно большей массой зашкаливали бы за все разумные пределы.Эта проблема была решена в середине прошлого века. В 1949 году греческий физик Николас Христофилос показал, что движением частиц можно управлять с помощью большого числа прилегающих друг к другу электромагнитов, чередующих сильное спадание магнитного поля по радиусу вакуумной камеры со столь же сильным его нарастанием. Однако он изложил свои результаты лишь в форме патентной заявки, так что его открытие тогда осталось незамеченным. Три года спустя к той же идее пришли американцы Эрнест Курант, Стэнли Ливингстон и Хартланд Снайдер. Этот метод получил название сильной фокусировки (фокусировка посредством радиально спадающего поля называется слабой). Он ужесточил требования к регулированию ускоряющего электрического поля, но зато позволил лучше фокусировать пучки по радиусу и вертикали и замедлил рост размеров ускорителей.
Коллайдеры
Следующим этапом в истории ускорительной техники стало созданиеколлайдеров — ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ (Rolf Wideröe), однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцами под руководством Джерарда О’Нейлла (Gerard K. O'Neill) и Вольфганга Пановски (Wolfgang K.H. Panofsky) и новосибирской группой, возглавляемой Г.И. Будкером.
До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную частицу, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. По формулам релятивистской механики можно вычислить полную энергию в системе центра масс — именно эту часть энергии исходных частиц можно потратить на рождениеновых частиц. В первом случае это примерно, а во втором случае 2E. Если частицы ультрарелятивистские, E >> mc2, то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.
Схема расположения Большого адронного коллайдера
В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, — Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ. Он находится в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеются, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.
Сейчас ускорители подошли к своему конструкционному пределу. Существенное увеличение энергии частиц станет возможным, только если коллайдеры станут линейными и будет реализована более эффективная методика ускорения частиц. Прорыв обещает лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения. В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет. Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.
superbotanik.net
Циклотрон Лоуренса
Цель работы: 1) познакомиться с устройством и принципом действия циклотрона; 2) определить орбитальное гиромагнитное отношение микрочастицы; 3) определить удельный заряд микрочастицы.
Введение
► В 1931 году американский ученый Е.О. Лоуренс впервые в мире испытал принципиально новый вид ускорителей заряжен-ных частиц - циклотрон. Существенным отличием циклотрона от прежних ускорителей являлось то, что заряженные частицы движутся в однородном магнитном поле по окружности и в течение каждого оборота дважды получают дополнительные порции энергии. Сердце циклотрона – огромный круглый полый диск, разрезанный по диаметру на две половины. Половинки этой камеры назвали дуантами (на рис.1 обозначены D1 и D2). Они немного раздвинуты по диаметру друг от друга и помещены в герметичный корпус, в котором создан глубокий вакуум. Дуанты расположены между плоскими полюсами мощного электромагнита. В области, занимаемой дуантами, создается однородное магнитное поле (индукцией В), силовые линии которого перпендикулярны плоскости дуантов. Дуанты подключены к высокочастотному генератору, работающему на частоте в несколько миллионов герц (МГц). Частота генератора меняется по гармоническому закону:
U = Umcos ωt, (1)
где Um~105 В – амплитудное значение напряжения.
В центре дуантов находится источник ионов.
Предположим, что в начальный момент времени t=0 заряженная частица вылетает из источника ионов со скоростью v0 и попадает в укоряющее электрическое поле, достигающее максимальной величины Um (см. уравнение (1)). Между дуантами частица приобретает кинетическую энергию:
mv2/2 = qUm+ mv02/2, (2)
где q и m – заряд и масса частицы, соответственно.
- 3 -
Рис. 1
Получив порцию энергии, частица влетает внутрь одного из дуантов со скоростью v. Пространство внутри дуанта является эквипотенциальным, следовательно, частица в нем будет находиться под воздействием только магнитного поля. На части-цу действует сила Лоренца
F=qBv. (3)
Так как 
, то эта сила является центростремительной
F=mv2/R. (4)
Из (3) и (4) следует, что частица в дуанте описывает половину окружности радиусом 
, (5)
где q/m – удельный заряд микрочастицы.
Выйдя из дуанта, частица вновь попадает в электрическое поле, напряженность которого через половину периода поменяет
- 4 -
направление и достигнет амплитудного значения. Частица будет снова ускорена и влетит во второй дуант с энергией большей, чем та, с которой она двигалась в первом дуанте. Обладая большей скоростью, частица будет двигаться во втором дуанте по окружности большего радиуса (см. 5). Высокочастотное электри-ческое поле синхронизируют таким образом, что как только частица попадает в зазор между дуантами, поле разгоняет ее до большей скорости. В результате траектория частицы внутри дуантов образует некоторую раскручивающуюся спираль.
Ускоренное движение частицы продолжается до некоторого максимального радиуса траектории. После этого частицу с помощью отклоняющего электрода выводят из циклотрона и направляют на мишень.
Из связи линейной и угловой скоростей следует, что период обращения нерелятивистской частицы не зависит от скорости:
Т= 2πm/qB. (6)
Движение частицы в циклотроне обуславливает перенос заряда Q вдоль траектории и, следовательно, протекание электри-ческого тока
, (7)
где N – число оборотов частицы в циклотроне за время t.
При каждом обороте частицы ее орбитальный магнитный момент 
, где <S>=π<R>2 - средняя площадь, ограниченная траекторией частицы.
С учетом (6) и (7) орбитальный магнитный момент частицы
, (8)
где <R>=(R1+R2)/2– средний радиус траектории частицы в первом и втором дуантах (см. рис.1).
Кроме того, частица в циклотроне обладает орбитальным моментом импульса, который можно определить для одного полного оборота по формуле
, (9)
- 5 -
где <v> и <R> средние значения скорости частицы и ее радиуса траектории за один полный оборот.
Гиромагнитное (магнитомеханическое) отношение частицы при ее вращении определяется формулой
. (10)
► При условии выполнения зависимости (6) с помощью циклотрона можно разогнать протоны до энергий порядка 25 МэВ. При более высоких энергиях проявляются релятивистские эффекты - масса частицы увеличивается (m=m0(1-v2/c2)-1/2), начинает сказываться зависимость периода обращения частицы от скорости, и синхронизм между движением частиц и изменениями ускоряющего поля нарушается.
Чтобы предотвратить нарушение синхронизма, используют два подхода: 1) при постоянном магнитном поле уменьшают частоту напряжения, питающего дуанты; 2) при постоянной частоте напряжения увеличивают индукцию магнитного поля. Первый способ реализуется в фазотронах, а второй – в синхротронах. В ускорителе, называемом синхрофазотроном, изменяются и частота ускоряющего напряжения, и индукция магнитного поля. Ускоряемые частицы движутся в синхро-фазотроне не по спирали, а по круговой траектории. Конструктивно синхрофазотрон отличается от циклотрона, но последний стал прародителем целого семейства ускорителей, отличающихся от него в деталях, но сходных в главном. В них используется синхронизированное (согласованное по фазе) высокочастотное электромагнитное поле. Такие ускорители дают пучки заряженных частиц с энергией в десятки миллиардов эВ. Фундаментальная работа Лоуренса была отмечена Нобелевской премией.
► Циклотроны оказались идеальными экспериментальными приборами. Пучок частиц, выводимых из циклотрона, является однонаправленным, их энергию можно регулировать, а интенсивность потока несравненно выше, чем от любого радиоактивного источника.
- 6 -
Высокие энергии частиц, достигнутые Лоуренсом и его сотрудниками, открыли перед физиками обширное новое поле для исследований. Так, например, бомбардировка атомов многих элементов позволила расщепить их ядра на фрагменты, которые оказались изотопами, часто радиоактивными. В продуктах неко-торых ядерных реакций встречались новые элементы, не суще-ствующие на Земле в естественных условиях. Полученные ре-зультаты показали, что с помощью циклотрона можно осущест-вить практически любую ядерную реакцию. Циклотрон использо-вался и для измерения энергии связи многих ядер, и для проверки соотношения Эйнштейна между массой и энергией. С помощью циклотрона Лоуренс получил радиоактивные изотопы, которые с успехом стали применяться в биомедицинской практике.
О программе
Программа знакомит с устройством циклотрона и позволяет продемонстрировать движение заряженных частиц в нем.
Разработана выпускником кафедры «Программное обеспе-чение вычислительной техники и автоматизированных систем» Мызниковым Алексеем.
Подготовка к эксперименту
Последовательно открыть папки «Cyclotron», «Cyclotron1» и файл «Cyclotron.exe». На экран монитора выводится панель для знакомства с основными узлами циклотрона. Нажатие на клавишу «Ок» приводит к выводу на экран монитора панель, с помощью которой осуществляют демонстрационный эксперимент. В левой части панели расположены «органы управления» циклотроном. Регулятором «Um» устанавливают амплитуду напряжения высокочастотных колебаний, а регулятором «В» - величину индукции магнитного поля. Значения установленных амплитуды напряжения и магнитной индукции инициируются в окошках, расположенных над регуляторами.
На усмотрение экспериментатора можно изменять величину
- 7 -
диаметра дуантов (по умолчанию D = 0,144 м).
Предусмотрено введение в циклотрон различных микрочас-тиц (из окошка «Частицы»).
Запуск циклотрона производится клавишей «Go». В процессе движения частицы на панель выводится информация о текущем значении приложенного к дуантам напряжения и циклической частоте напряжения. После каждого пол-оборота вычисляется радиус траектории частицы, ее скорость и относительная погрешность, связанная с изменением массы частицы в процессе ее движения. Кроме того, в нижней части панели приводится график зависимости массы частицы от ее скорости, а справа этого графика - график гармонических колебаний напряжения U=Umcos (ωt), с помощью которого можно оценить в любой момент времени величину и полярность подведенного к дуантам напряжения. Кратковременная остановка работы циклотрона осуществляется клавишей «Пауза», а продолжение работы – клавишей «Продолжить».
Изображение траектории частицы в циклотроне достигается установкой флажка в окошке «Траектория».
Если остановить работу циклотрона клавишей «Stop», то последующий его запуск приведет к потере всей информации о механических характеристиках частицы.
Перед выполнением работы познакомьтесь с дополнительной информацией, предварительно открыв закладку «Теория».
Проведение эксперимента
Задание 1 Определение орбитального гиромагнитного
отношения заряженной частицы
1. Выбрать в окне «Частица» протон (дейтрон, тритий или α – частицу) и записать его массу покоя и заряд. Установите диаметр дуантов – из интервала 0,1- 0,4 м.
2. Подбирая ускоряющее напряжение и индукцию магнитного поля после запуска циклотрона добиться минимум десяти оборотов частицы. Запишите значения магнитной индукции и амплитуды ускоряющего напряжения.
- 8 -
3. Запустить циклотрон в работу. После каждого пол-оборота частицы останавливайте циклотрон, нажатием клавиши «Пауза», и записывайте значения скорости частицы и радиуса ее траектории. Рекомендуется останавливать работу циклотрона, когда частица находится в первом или во втором дуантах. Продолжение работы циклотрона возможно после нажатия клавиши «Продолжить».
4. Для каждого полного оборота N вычислите средние значения скорости < v> и радиуса <R>.
5. По формулам (8) и (9) вычислите орбитальные магнитный и механический моменты для каждого оборота, а по формуле (10) – гиромагнитное (магнитомеханическое) отношение частицы.
6. Вычислите среднее значение гиромагнитного отношения, абсолютную и относительную погрешности.1
7. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу отчета.
| № | v | R | N | < v> | <R> | Pm | L | g | Δg | ε |
| п /п | м / с | м | _ | м / с | м | А м2 | Кг м2/с | Кл/кг | Кл/ кг | % |
| 1 2 3 4 5 6 : | 1 2 3 |
8. Постройте графики зависимостей Pm(N) и L(N).2
9. После прохождения частицей циклотрона записать величину энергии E, полученную частицей в зазорах дуантов, а также циклическую частоту ω, подаваемого на дуанты напряжения.
¹ Для вычислений используйте приложение “Maple 7” или инженерный калькулятор.
² Для построения графиков рекомендуется использовать приложение “Excel”.
- 9 -
10. Вычислите энергию частицы, вылетающей из источника, по формуле: E0= (mv2max)/2 – E.
11. Определите период обращения и время прохождения частицей дуантов циклотрона.
12. Запишите закон изменения напряжения, подаваемого на дуанты циклотрона.
Задание 2. Нахождение частицы по ее удельному заряду
1. По табличным значениям заряда и массы вычислите удельные заряды протона, дейтрона, трития и α – частицы.
2. Установите флажок в окошке «Случайная» и запустите программу в работу, нажатием клавиши «Go».
3. При выходе из циклотрона неизвестной частицы запишите ее скорость, максимальный радиус траектории и индукцию магнитного поля.
4. По формуле (5) вычислите удельный заряд и установите что это за частица.
5. Оцените погрешности измерений по отношению к табличному значению удельного заряда q/m установленной частицы, по формуле: ε=(|q/mэкс- q/m |/ q/m)100% . Сделать вывод.
Контрольные вопросы
1. Каково назначение основных узлов циклотрона?
2. Каковы физические основы работы циклотрона?
3. Как влияют релятивистские эффекты на синхронизм электромагнитного поля? Каким образом предотвращают нарушение синхронизма?
4. Что понимают под орбитальным гиромагнитным отношением и как его определяют в данной работе?
5. Как с помощью кинематических характеристик частицы, ускоренной циклотроном, определить ее удельный заряд?
Литература
1. Савельев И.В. Курс физики. Т 2. М.: Наука. 1989. §§44,50.
2. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа. 1997. §§116,131.
3. Физический энциклопедический словарь. Главный редактор Прохоров А.М., Советская энциклопедия, М. 1983.
-10-
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА ФИЗИКИ
Лабораторная работа № 14В
Циклотрон Лоуренса
Методические указания к виртуальному
эксперименту
Ростов-на-Дону
2007
Составители: А.П. Кудря, А.С. Мызников, И.Н. Егоров,
А.Б. Гордеева
УДК 530.1
Циклотрон Лоуренса. Метод. указания / Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2007. - 10 с.
Указания содержат краткое изложение устройства и принципа действия циклотрона Лоуренса, а также описание виртуального эксперимента, позволяющего определять удельный заряд и орбитальное гиромагнитное отношение микрочастицы.
Методические указания предназначены для организации самостоятельной работы студентов при подготовке и проведении учебного виртуального эксперимента.
Печатается по решению методической комиссии факультета «Автоматизация и информатика»
Научный редактор: проф., д.т.н. В.С.Кунаков
© Издательский центр ДГТУ, 2007
studfiles.net
Содержание
Введение
История развития ускорителей
Циклотрон
Введение.
Ускорители заряженных частиц — устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами). Но возможно ускорение с помощью полей, создаваемых другими заряженными частицами; такой метод ускорения называется коллективным. Ускорители заряженных частиц следует отличать от плазменных ускорителей, в которых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы).
Ускорители заряженных частиц — один из основных инструментов современной физики. Ускорители являются источниками, как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц, в ядерной физике, в физике твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в других областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение ускорителей заряженных частиц различных диапазонов энергий в металлургии — для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообрабатывающей промышленности — для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности — для стерилизации продуктов, в медицине — для лучевой терапии, для «бескровной хирургии», для получения трековых мембран и в ряде других отраслей.
1 История развития ускорителей.
Толчком к развитию ускорителей заряженных частиц послужили исследования строения атомного ядра, требовавшие потоков заряженных частиц высокой энергии. С момента осуществления первого искусственного превращения ядер (в 1919г. Э. Резерфордом обнаружен протон в реакции: ) с помощью потока α - частиц от радиоактивного источника начались поиски способов получения пучков ускоренных частиц.
В 1931 американским физиком Р. Ван-де-Граафом был построен электростатический генератор, а в 1932 английские физики Дж. Кокрофт и Э. Уолтон из лаборатории Резерфорда разработали каскадный генератор. В 1932 впервые была осуществлена ядерная реакция, возбуждаемая искусственно ускоренными частицами, — расщепление ядра лития протонами.
Период 1931—1944 — время зарождения и расцвета резонансного метода ускорения, при котором ускоряемые частицы многократно проходят ускоряющий промежуток, набирая большую энергию даже при умеренном ускоряющем напряжении. Основанные на этом методе циклические ускорители — циклотроны (Э. О. Лоуренс).
Разработка ускорителей современного типа началась с 1944, когда физики В. И. Векслер и независимо от него (несколько позже) Э. М. Макмиллан открыли механизм автофазировки, действующий в резонансных ускорителях и позволяющий существенно повысить энергию ускоренных частиц.
Вначале 50-х гг. был предложен принцип знакопеременной фокусировки частиц (американские учёные Н. Кристофилос, 1950; Э. Курант, М. Ливингстон, Х. Снайдер, 1952), существенно повысивший технический предел достижимых энергий в циклических и линейных ускорителях заряженных частиц. В 1956г. Векслер опубликовал работу, в которой была выдвинута идея когерентного, или коллективного, метода ускорения частиц.
2 Циклотрон.
Циклотрон — циклический ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов). Частицы двигаются в постоянном и однородном магнитном поле, а для их ускорения используется высокочастотное электрическое поле неизменной частоты.
2.1 Принцип действия
В циклотроне, ускоряемые тяжёлые частицы из инжектора, помещаются в камеру в области её центра. После этого они движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров (дуантов), помещенных в вакуумную камеру между полюсами сильного электромагнита. Магнитное поле этого электромагнита искривляет траекторию частиц. Ускорение движущихся частиц происходит в тот момент, когда они оказываются в зазоре между дуантами. В этом месте на них действует электрическое поле, создаваемое электрическим генератором высокой частоты, которая совпадает с частотой обращения частиц внутри циклотрона. При не слишком больших скоростях эта частота не зависит от радиуса окружности и скорости частиц, так что в зазор между дуантами частицы попадают всегда через один и тот же промежуток времени. Получая каждый раз при этом некоторое приращение скорости, они продолжают своё движение дальше по окружности всё большего радиуса, и траектория их движения превращается в плоскую раскручивающуюся спираль. На последнем витке этой спирали включается дополнительно отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу.
2.2 Основные компоненты.
Магнит.
Магниты ускорителей, строились всевозможных размеров, относительные величины которых в разных измерениях значительно отличаются друг от друга, поэтому установка с наибольшим диаметром полюсов не обязательно является самой тяжелой. Первоначальные эксперименты были проведены на магнитах диаметром 10 и позже 28 см. Обычно магниты ускорителей классифицируют по диаметру полюсных наконечников независимо от размера наибольшей замкнутой орбиты. Величина магнитного поля большей частью выбирается в пределах от 1,4 до 1,8 Тл, хотя есть машины, в которых она составляет 0,6 или 2 Тл.
Рис.1. Вакуумная камера диамет - Рис.2. Вакуумная камера и дуант
ром 10 см с одним дуантом была Берклеевского циклотрона с диа-
использована М.С. Ливингстоном метром полюсов 28 см, на кото-
в 1931 г. для демонстрации справи - ром в 1931 г. были получены по-
дливости принципа работы циклотрона. лучены протоны с энергией 1,2
МэВ
Магниты в основном имеют двухяремную конструкцию: две вертикальные боковые стойки расположены между верхним и нижним горизонтальными блоками, к которым прикреплены цилиндрические полюса. Полюсные наконечники иногда бывают отчасти скошенными до меньшего диаметра. Если же машина настолько большая, что каждая из этих шести основных частей не может быть сделана из одной поковки, то они делаются в виде сборных конструкций из как можно более тяжелых деталей. Для обеспечения параллельности и соосности полюсных наконечников соприкасающиеся поверхности деталей магнита должны быть обработаны с большой точностью. Обычно ось полюсов вертикальна, так что орбиты лежат в горизонтальной плоскости.
Протонный циклотрон для медицинских применений.
Обмотки возбуждения магнита.
Обмотки возбуждения для машин с диаметром полюсов около 150 см обычно изготавливают отдельно и укладывают их в кожуха, а затем ставят в рабочее положение вокруг полюсов уже собранного магнита и закрепляют. Иногда при этом снимают полюсные наконечники, чтобы освободить пространство для введения катушек. При монтаже очень больших машин вокруг полюсов воздвигается временный повторный стол, и намотка катушек производится непосредственно на месте. Обмотки часто изготавливаются из медной или алюминиевой проволоки прямоугольного или квадратного сечения с внутренним каналом для охлаждения воды. Изоляцию витков обычно делают из бумаги, заполняя пространство между слоями какой-либо феноловой смолой. В некоторых случаях используются сплошные проводники, а тепло отводится посредством охлаждаемых водой дисков, расположенных между витками. Иногда намотка катушек делается с небольшими зазорами, а охлаждение ее производится циркулирующим маслом. Если витки катушек соединить не последовательно, а каким- либо смешанным способом, то число ампер-витков в верхней и нижней катушках может быть неодинаковым из-за того, что в процессе изготовления проводников для обмоток рабочие поверхности оборудования изнашиваются и, как следствие этого, площадь поперечного сечения проводников меняется. Отличие в ампер-витках вызовет смещение медианной плоскости магнитного поля относительно средней геометрической. Такое положение может быть исправлено шунтированием соответствующих частей обмоток. Твердо установленных норм на количество материала обмоток, приходящегося на 1 кг железа магнита, не существует; отношение веса железа к весу меди меняется в пределах от 29 до 4,5. Большее постоянство наблюдается в значении отношения весов железа и алюминия, которое выдерживается близким к 10. Такое различие обусловлено конструктивными соображениями, либо сравнительной величиной капитальных затрат и эксплуатационных расходов.
Вакуумная Камера.
В небольших циклотронах вакуумная камера обычно представляет собой коробку из латуни, бронзы или нержавеющей стали, с крышками в виде дисков из железа, которые непосредственно входят в магнитную цепь. Эти крышки должны быть достаточно толстыми, чтобы они заметно не прогибались под совместным действием магнитного поля и атмосферного давления. В циклотроне с диаметром полюсов 150 см их толщина достигает 12—13 см. В больших машинах вся внутренняя поверхность камеры покрывается охлаждаемыми водой медными листами, так называемая плакировка или обшивка, так. как эта поверхность образует часть резонансной цепи. Для установок на небольшую энергию обычно бывает достаточным меднение всех железных поверхностей.
Полная высота собранной камеры на 3—5 см меньше зазора между полюсами магнита. Когда камера установлена на место на три небольших латунных подставки, то между внешними поверхностями крышек и полюсными наконечниками магнита остаются одинаковой высоты зазоры для шиммирования. В эти зазоры могут быть помещены симметрично расположенные диски различных диаметров из листового железа для создания наиболее подходящего спада магнитного поля по радиусу. С этой же целью к внутренней поверхности крышек часто прикрепляют шиммы в виде так называемых колец Розе, представляющих собой железные кольца толщиной от 6 до 12 мм и шириной от 25 до 50 мм, помещаемые на различных радиусах вблизи края магнита. Они обеспечивают уменьшение спада магнитного поля в этой области, что дает возможность увеличить диаметр последней рабочей орбиты. В ряде случаев при условии тщательного изучения топографии магнитного поля на масштабной модели магнита профиль шимм непосредственно вытачивается на .крышках. В зазор могут также помещаться несимметричные куски железных листов, если поле внутри камеры азимутально неоднородно или искажена медианная плоскость. Это может быть связано с необнаруженными раковинами внутри металлаполюсов, различием в качестве железа или невозможностью затянуть полностью крепежные болты из-за их низкого качества. Когда оптимальное положение таких локальных шимм найдено, их приклепывают к вдвигаемым в зазор для шиммирования алюминиевым листам для того, чтобы можно было легко устанавливать их в правильном положении после каждого перемещения вакуумной камеры.
В настоящее время никогда не пытаются запустить в работу циклотрон без предварительного тщательного измерения магнитного поля и коррекции всех неоднородностей с точностью до сотых долей процента. Раньше необходимость этого не была известна, так как не была развита теория движения ускоряемых частиц. После каждой повторной сборки вакуумной камеры почти всегда занимались шиммированием магнитного поля, которое заключалось в практически бессистемном размещении в зазоре для шиммирования железных листов произвольной формы да тех пор, пока не получали наилучшие характеристики пучка ускоренных частиц. Так как эти шиммы можно было передвигать только в отсутствие магнитного поля, то это был длительный процесс, отнимающий по крайней мере часы, а иногда и дни. Эта работа усложнялась еще и тем, что не всегда согласовывалось оптимальное размещение шимм с положением ионного источника. При этом часто различные комбинации могли быть одинаково удовлетворительными.
stud24.ru
Реферат на тему:
История развития ускорителей заряженных частиц
Выполнил студент
Жучков Д.В.
Введение
Ускорители заряженных частиц — устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами). Но возможно ускорение с помощью полей, создаваемых другими заряженными частицами; такой метод ускорения называется коллективным. Ускоритель заряженных частиц следует отличать от плазменных ускорителей, в которых происходит ускорение в среднем электрически нейтральных потоков заряженных частиц (плазмы).
Описание ускорителя заряженных частиц
Ускоритель заряженных частиц — один из основных инструментов современной физики. Ускорители являются источниками, как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (мезонов, нейтронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц больших энергий используются для изучения природы и свойств элементарных частиц, в ядерной физике, в физике твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в др. областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение ускорителя заряженных частиц различных диапазонов энергий в металлургии — для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообделочной промышленности — для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности — для стерилизации продуктов, в медицине — для лучевой терапии, для «бескровной хирургии» и в ряде др. отраслей.
Стартовой точкой ускорителя является источник заряженных частиц. Например, источником электронов может служить любой нагретый кусок металла, из которого постоянно выскакивают электроны и тут же возвращаются обратно. Если рядом поместить проволочную сетку и приложить к ней напряжение, эти электроны потянутся к ней и, пролетев насквозь, устремятся к экрану-аноду, образовав пучок частиц невысокой энергии. Именно так работает «домашний ускоритель на 10 кэВ» — электронно-лучевая трубка в старых телевизорах.
10 кэВ — это очень небольшая энергия, для изучения ядерных явлений ее недостаточно. Поэтому эру ускорительной техники физики отсчитывают от начала 1930-х годов, когда появились сразу две схемы ускорения частиц до энергий около 1 МэВ. В 1932 году Джон Дуглас Кокрофт и Эренст Уолтон в Кембридже сконструировали каскадный 800-киловольтный генератор постоянного напряжения, который открыл новую эру в экспериментальной ядерной физике. Уже в первом своем эксперименте они направили пучок ускоренных протонов на мишень из лития-7 и наблюдали самую настоящую ядерную реакцию: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.
Считается, что о машине для ускорения заряженных частиц первым задумался Резерфорд, высказавший эту идею в 1927 году на сессии Лондонского Королевского общества. Но у отца-основателя ядерной физики были предшественники. В 1919 году 17-летний школьник из Осло Рольф Видероэ прочел в газете, что Резерфорд разбил на осколки ядра азота, бомбардируя их альфа-частицами, испускаемыми радиевым источником. Мальчик сообразил, что скорость частиц и, следовательно, сила удара увеличатся, если разогнать их в постоянном электрическом поле. При этом Рольф достаточно разбирался в физике, чтобы понять, что этот путь не самый лучший, так как необходимую разность потенциалов в миллионы вольт получить чрезвычайно трудно. Рольф решил, что для разгона частиц стоит использовать следствия уравнений электродинамики, о которых он кое-что знал. После окончания школы Видероэ поехал в Германию изучать электротехнику в политехническом университете в Карлсруэ, а через три года набросал в блокноте схему кольцевого ускорителя, разгоняющего электроны с помощью вихревого электрического поля, возникающего (в полном соответствии с уравнениями Максвелла!) при периодическом изменении магнитного потока. Фактически это обыкновенный электрический трансформатор, в котором одна из катушек заменена вакуумной камерой. Видероэ определил параметры магнитных полей, необходимые для того, чтобы все электроны могли набирать скорость на одной и той же круговой орбите. Это и был проект первого в мире ускорителя элементарных частиц, причем с точки зрения теории абсолютно безупречный. А до выступления Резерфорда оставалось еще четыре года... После защиты диплома Рольф вернулся на родину для прохождения военной службы, а затем опять поехал в Германию работать над диссертацией. Будучи экспериментатором, он решил воплотить свою схему в железе. Видероэ предполагал построить установку, разгоняющую электроны до 6 МэВ, но тут его постигло разочарование — электроны не желали оставаться на стабильной орбите. Для их фокусировки требовалось дипольное магнитное поле, но физики осознали это лишь десять лет спустя: в 1940 году профессор университета штата Иллинойс Дональд Керст построил первый действующий индукционный ускоритель электронов на 2,3 МэВ (сейчас такие машины называют бетатронами, в память о тех временах, когда электроны именовали бета-частицами; крупнейший в мире бетатрон на 300 МэВ, построенный тем же Керстом, был введен в действие в 1950 году). Поскольку кольцевой ускоритель не действовал, а сроки защиты приближались, Видероэ решил построить линейный ускоритель, схему которого в 1925 году придумал шведский физик Густав Изинг. Машина была недостаточно мощной и потому бесполезной для серьезных экспериментов, но она всё же ускоряла в бегущем электрическом поле ионы натрия до 50 КэВ. Поле было переменным по необходимости, его частота изменялась таким образом, чтобы оставаться в фазе с набирающими скорость частицами. В 1928 году Видероэ благополучно защитился и опубликовал свою работу. В 1943 году он — кажется, первым в мире — понял, что для повышения энергии соударения частиц их можно сталкивать лоб в лоб, предварительно собирая в тороидальных вакуумных камерах, помещенных в магнитное поле. Сегодня такие устройства называют накопительными кольцами, Видероэ же назвал их «ядерными мельницами». Он запатентовал свою конструкцию в Германии, но в условиях военного времени патент засекретили. Обе его идеи были осуществлены, но много позже и другими людьми. Первое в мире накопительное кольцо было построено в 1961 году в Итальянской национальной лаборатории в городе Фраскати под руководством Бруно Тушека, младшего коллеги Видероэ. А сам Видероэ после войны успешно трудился в фирме, которая изготовляла бетатроны, применявшиеся в онкологических больницах как мощные источники рентгеновского излучения. Пришло к нему и научное признание, хотя и с запозданием — он стал консультантом в ЦЕРНе и в немецкой лаборатории физики высоких энергий DESY. Но так уж сложилось, что широкой публике этот ученый известен гораздо меньше, чем прочие классики ускорительных технологий.
Линейные ускорители
Прибор Видероэ был чисто демонстрационным. Первый «рабочий» линейный ускоритель построили в 1932 году сотрудники Кавендишской лаборатории Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон, спустя 19 лет удостоенные Нобелевской премии. Эта машина разгоняла протоны до энергии в 500 КэВ, что позволило взломать ядра лития: ядро лития захватывало протон и затем разваливалось на две альфа-частицы.
В 1930-е годы эта система (так называемый каскадный генератор) использовалась довольно широко, но лишь для получения энергий до 1 МэВ (в этом качестве ее используют и поныне). А вот схема Изинга обладает куда лучшими возможностями. По идее она очень проста. Заряженная частица покидает источник и летит по вакуумной камере сквозь множество соосных полых металлических трубок, расположенных вдоль прямой линии. На эти трубки подается переменное электрическое поле, которое частица «ощущает», лишь когда пролетает через зазор (внутри трубок оно экранируется). Таким образом, в трубках частицы летят по инерции — дрейфуют (поэтому трубки и называют дрейфовыми). Частота колебаний электрического потенциала подобрана так, чтобы при прохождении каждого зазора частица ускорялась, а не тормозилась. Набрав расчетную энергию, частицы попадают на мишень (на практике их приходится дополнительно фокусировать, например, с помощью магнитных линз). Понятно, что параметры дрейфовых трубок определяются видом ускоряемых частиц.
Если это электроны, которые быстро набирают почти световую скорость, длина трубок может быть одинаковой. Тяжелые частицы, протоны и ионы, разгоняются постепенно, поэтому их надо прогонять через дрейфовые трубки возрастающей длины. Именно такую конструкцию и предложил Изинг. Через двадцать лет ее переоткрыл американец Луис Альварес, и теперь схема носит его имя. В 1946 году Альварес и Вольфганг Панофски построили в Беркли первый в мире линейный ускоритель, который разгонял протоны до энергии в 32 МэВ, вполне достаточной для экспериментов в области ядерной физики. Для создания ускоряющего поля они воспользовались деталями радиолокаторов, которых, конечно, не было во времена Изинга. Схема Альвареса хорошо работает для разгона протонов до 200 МэВ. Более высокие энергии получают с помощью волноводов с бегущей волной, которые используют и в электронных линейных ускорителях. Протонная карусель Рольф Видероэ косвенным образом приложил руку и к изобретению циклотрона. Как ни странно, стимулом для создания этой машины стала его статья о линейном ускорителе. Эта малоизвестная история хорошо иллюстрирует, сколь непростым путем развивается научное знание. Прибор Видероэ (единственная дрейфовая трубка с парой ускоряющих зазоров по краям) полностью воплощал ключевую идею Изинга — частицы бОльшую часть пути проходят по инерции и только
на определенных участках резонансно разгоняются электрическим полем. В 1929 году статья Видероэ попалась на глаза молодому профессору Калифорнийского университета Эрнесту Орландо Лоуренсу, который понял, что резонансное ускорение частиц не обязательно осуществлять на прямолинейной траектории. Он взял металлический полый цилиндр примерно тех же пропорций, что и банка из-под шпрот, разрезал его вдоль оси и раздвинул половинки (их сейчас называют дуантами). Эту разрезанную банку надо вложить между полюсами электромагнита, а в ее центре поместить источник не особенно быстрых заряженных частиц, подчиняющихся законам ньютоновской механики. В постоянном магнитном поле они станут закручиваться и двигаться по инерции по окружностям фиксированного радиуса (разумеется, в камере должен быть вакуум).
Такое устройство можно превратить в ускоритель. Для этого в зазоры между дуантами надо подать переменное электрическое поле, частота которого совпадает с частотой вращения частиц (последняя зависит от заряда, напряженности магнитного поля и массы частиц и не зависит от их скорости). При надлежащем выборе его фазы оно будет резонансно разгонять частицы при проходе зазоров между дуантами — точно так же, как и в линейном ускорителе Изинга–Альвареса. Те будут уходить на всё большие и большие радиусы по раскручивающейся спирали, покуда не столкнутся со стенкой камеры или не будут выведены на мишень. В 1930 году Лоуренс первым опубликовал схему циклического резонансного ускорителя в журнале Science. Годом позже он совместно с аспирантом Стэнли Ливингстоном собрал демонстрационную модель диаметром 11 см. В камеру подавали сильно разреженный водород, который внутри нее ионизировался электрическим полем. Ионизированные молекулы водорода набирали в ускорителе до 80 КэВ. Весной 1932 года Лоуренс и Ливингстон построили 25-сантиметровый протонный ускоритель на 1,2 МэВ. Еще через год у них была машина, ускорявшая ядра дейтерия до 5 МэВ. С 1934 года такие установки начали эксплуатировать и в других лабораториях. Сам Лоуренс поначалу называл свое изобретение протонной каруселью, но вскоре оно стало именоваться циклотроном.
Циклотрон кардинально изменил экспериментальную базу ядерной физики, и неудивительно, что в 1939 году труды Лоуренса были удостоены Нобелевской премии. А после войны выяснилось, что одновременно с Лоуренсом или даже чуть раньше к такой же идее пришел венгерский физик Шандор Гаал. В мае 1929 года он отправил рукопись, где был изложен принцип циклотрона, в немецкий журнал Zeitschrift für Physic, но редакторы не поняли, о чем идет речь, и отказались ее напечатать.
Синхронные ускорители
Лоуренс хотел построить протонный циклотрон на 100 МэВ, но вмешались законы физики. За порогом 20 МэВ протоны разгоняются столь сильно, что в действие вступают формулы специальной теории относительности. Когда масса частицы начинает расти, частота ее обращения, естественно, снижается, и частица выходит из резонанса. Самые большие циклотроны, построенные в Окриджской национальной лаборатории в США и в Стокгольмском Нобелевском институте, могли разогнать протоны до 22 МэВ, а ядра дейтерия — до 24 МэВ. Для достижения больших энергий нужны циклические ускорители, которые могут обеспечить стабильное соответствие фазы ускоряющего поля движению частицы. Циклотрон на такое не способен. Чтобы релятивистские частицы продолжали разгоняться в резонансном режиме, нужно либо постепенно увеличивать напряженность магнитного поля (тем самым уменьшая радиус их траектории), либо уменьшать частоту колебаний электрического потенциала на дуантах, заставляя ее следовать за снижением частоты обращения частиц, либо согласованно менять параметры обоих полей. Будем, например, действовать с помощью одного электрического поля. Допустим, мы определили, как снижать его частоту. Оказывается, этого мало. Начальные скорости частиц не будут абсолютно одинаковыми; кроме того, во время откачки воздуха некоторая доля частиц столкнется с его молекулами и собьется с курса. Ускоритель сможет работать, лишь если со временем число подобных отклонений будет сокращаться и частицы вернутся на правильные траектории. В противном случае все частицы быстро выйдут из резонанса. И вот тут на помощь приходит эффект автофазировки, открытый независимо друг от друга советским ученым Владимиром Векслером при содействии Евгения Фейнберга и, немногим позже, американцем Эдвином Макмилланом. Они доказали, что кольцевые резонансные ускорители могут выйти за циклотронный предел и разогнать частицы практически до любых энергий — с помощью особого режима колебаний электрического потенциала, который автоматически корректирует не особенно большие отклонения частиц от расчетной фазы (ее называют равновесной) и тем самым сохраняет резонансное ускорение. Если бы не этот режим, возможности кольцевых ускорителей были бы ограничены максимумом циклотронных энергий (стоит заметить, что механизм автофазировки работает и в линейных резонансных ускорителях). После открытия автофазировки были созданы и воплощены в металле различные конструкции ускорителей. Машину с постоянным магнитным полем и электрическим полем переменной частоты в англоязычной литературе принято называть синхроциклотроном, а в советской — фазотроном. В синхроциклотроне, как и в циклотроне, частицы движутся по раскручивающейся спирали. Ускорители, в которых рост энергии частиц сопровождается увеличением напряженности магнитного поля, называются синхротронами. Синхротроны строят в виде кольцевых туннелей, окруженных электромагнитами, так что частицы там движутся по орбитам постоянного радиуса. У электронного синхротрона частота электрического поля неизменна (поскольку электроны там движутся почти со световой скоростью), а вот у протонного синхротрона этот показатель варьирует. Эти ускорители в СССР, с подачи Векслера, назвали синхрофазотронами. Первую такую машину (Космотрон) с вакуумной камерой 23-метрового диаметра запустили в Брукхейвене в 1952 году. Поначалу она ускоряла протоны до 2,3 ГэВ, а после полной доводки — до 3,3 ГэВ. В 1953 году в Бирмингемском университете вступил в действие менее продвинутый протонный синхротрон на 1 ГэВ. В последующие годы их энергия выросла до нескольких ГэВ и на них были совершены многие открытия в физике элементарных частиц. В 1954 году заработал ускоритель в Беркли, который годом позже вышел на энергию 6,2 ГэВ (именно на нем впервые получили антипротоны). В 1957 году был запущен синхрофазотрон в Дубне на 10 ГэВ. Все самые большие циклические протонные ускорители — синхрофазотроны.
В основе многих современных ускорителей, в частности LHC, лежит принцип синхрофазотрона.
Фокусы фокусировки
Через несколько лет после прозрений Векслера и Макмиллана физики осуществили новый прорыв на пути к более высоким энергиям. Во всех резонансных циклических ускорителях магнитное поле не только заворачивает частицы, но также их и фокусирует. В Космотроне и других синхротронах первого поколения частицы путешествовали в магнитном поле, которое постепенно спадает при увеличении радиуса. Его силовые линии имеют бочкообразую форму, благодарю чему частицы фокусируются не только по радиусу, но и по вертикали; иначе говоря, такое поле не дает частицам уходить с плоскости орбиты. Подобная конфигурация магнитного поля отнюдь не идеальна. Она позволяет получать лишь довольно широкие пучки (а для обстрела мишеней лучше бы сжимать пучки сильнее, увеличивая их плотность) и к тому же требует строительства очень больших и потому дорогих машин. Масса магнитной системы дубнинского синхрофазотрона, где реализована такая фокусировка, равна 36 000 тонн. Расходы на системы с существенно большей массой зашкаливали бы за все разумные пределы. Эта проблема была решена в середине прошлого века. В 1949 году греческий физик Николас Христофилос показал, что движением частиц можно управлять с помощью большого числа прилегающих друг к другу электромагнитов, чередующих сильное спадание магнитного поля по радиусу вакуумной камеры со столь же сильным его нарастанием. Однако он изложил свои результаты лишь в форме патентной заявки, так что его открытие тогда осталось незамеченным. Три года спустя к той же идее пришли американцы Эрнест Курант, Стэнли Ливингстон и Хартланд Снайдер. Этот метод получил название сильной фокусировки (фокусировка посредством радиально спадающего поля называется слабой). Он ужесточил требования к регулированию ускоряющего электрического поля, но зато позволил лучше фокусировать пучки по радиусу и вертикали и замедлил рост размеров ускорителей.
Коллайдеры
Следующим этапом в истории ускорительной техники стало создание коллайдеров — ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Изначально эту идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ (Rolf Wideröe), однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов тремя независимыми командами исследователей: итальянской группой под руководством австрийца Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцами под руководством Джерарда О’Нейлла (Gerard K. O'Neill) и Вольфганга Пановски (Wolfgang K.H. Panofsky) и новосибирской группой, возглавляемой Г.И. Будкером.
До того момента все эксперименты проводились с неподвижной мишенью. Когда высокоэнергетическая частица налетает на неподвижную частицу, рожденные продукты столкновения летят вперед с большой скоростью, и именно на их кинетическую энергию тратится основная доля энергии пучков. Если же сталкиваются летящие навстречу друг другу одинаковые частицы, то большая часть их энергии расходуется по прямому назначению: на рождение частиц. По формулам релятивистской механики можно вычислить полную энергию в системе центра масс — именно эту часть энергии исходных частиц можно потратить на рождениеновых частиц. В первом случае это примерно, а во втором случае 2E. Если частицы ультрарелятивистские, E >> mc2, то в коллайдерах на встречных пучках могут рождаться гораздо более тяжелые частицы, чем в экспериментах с неподвижной мишенью при той же энергии пучка.
Схема расположения Большого адронного коллайдера
В 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком, — Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ. Он находится в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеются, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.
Сейчас ускорители подошли к своему конструкционному пределу. Существенное увеличение энергии частиц станет возможным, только если коллайдеры станут линейными и будет реализована более эффективная методика ускорения частиц. Прорыв обещает лазерная или лазерно-плазменная методика ускорения. В ней короткий, но мощный лазерный импульс либо непосредственно разгоняет заряженные частицы, либо создает возмущение в облаке плазмы, которое подхватывает пролетающий сгусток электронов и резко его ускоряет. Для успешного применения этой схемы в ускорителе потребуется преодолеть еще немало трудностей (научиться состыковывать друг с другом несколько ускоряющих элементов, справиться с большим угловым расхождением, а также разбросом по энергии ускоренных частиц), но первые результаты очень обнадеживают.
www.neuch.ru
Реферат на тему:
Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо-инжектор.
Ускори́тель заря́женных части́ц — класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Современные ускорители, подчас, являются огромными дорогостоящими комплексами, которые не может позволить себе даже крупное государство. К примеру, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе представляет собой кольцо длиной почти 27 километров.
В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.
Конструктивно ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители.
Генератор Ван де Граафа для первого в Венгрии линейного ускорителя. На нём было получено напряжение 1 МВ в 1952 году.
Линейный ускоритель электронов для Австралийского синхротрона.
Схема устройства линейного ускорителя частиц
Идеологически наиболее простой, линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество В. У. по сравнению с другими типами ускорителей — возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95 %) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше), что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.
Высоковольтные ускорители можно разделить на три группы по типу генераторов, создающих высокое напряжение:
Ускорение в таком типе машин происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферромагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка.
Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускорение происходит электрическим полем высокочастотных резонаторов. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени энергии частиц.
Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10—100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).
Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в 1928 году, который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан Д. В. Керстом лишь в 1940—1941 гг. в США.
Устройство циклотрона. 1 — место поступления частиц, 2 — траектория их движения, 3 — электроды, 4 — источник переменного напряжения. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.
В циклотроне частицы инжектируются вблизи центра магнита с однородным полем с небольшой начальной скоростью. Далее, частицы вращаются в магнитном поле по окружности внутри двух полых электродов, т. н. дуантов, к которым приложено переменное электрическое напряжение. Частица ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем. Понятно, что с увеличением энергии радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы магнита.
Циклотрон — первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в 1930 году Лоуренсом и Ливингстоном, за что первому была присуждена Нобелевская премия в 1939 году. До сих пор циклотроны применяются для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий, до 50 МэВ/нуклон.
Он же — ускоритель с переменной кратностью. Резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения.
Ускоритель с постоянным (как в циклотроне), но неоднородным полем, и переменной частотой ускоряющего поля.
Принципиальное отличие от циклотрона — изменяемая в процессе ускорения частота электрического поля. Это позволяет, за счёт автофазировки, поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает 600—700 МэВ.
Циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля.
Небольшой 900 МэВ синхротрон — бустер электронов и позитронов БЭП в ИЯФ СО РАН, Новосибирск.
Циклический ускоритель с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего электрического поля, но изменяющимся ведущим магнитным полем.
По существу — это линак, но пучок после использования не сбрасывается, а направляется в ускоряющую структуру в «неправильной» фазе и замедляется, отдавая обратно энергию. Кроме того, бывают многопроходные ускорители-рекуператоры, где пучок, по принципу микротрона, совершает несколько проходов через ускоряющую структуру (возможно — по разным дорожкам), сперва набирая энергию, потом её возвращая.
Специализированный источник когерентного рентгеновского излучения.
Он же ускоритель на встречных пучках. Чисто экспериментальные установки, цель которых — изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.
wreferat.baza-referat.ru
Реферат на тему:
Вид на ускорительный центр Fermilab, США. Теватрон (кольцо на заднем плане) и кольцо-инжектор.
Ускори́тель заря́женных части́ц — класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Современные ускорители, подчас, являются огромными дорогостоящими комплексами, которые не может позволить себе даже крупное государство. К примеру, Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе представляет собой кольцо длиной почти 27 километров.
В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.
Конструктивно ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители.
Генератор Ван де Граафа для первого в Венгрии линейного ускорителя. На нём было получено напряжение 1 МВ в 1952 году.
Линейный ускоритель электронов для Австралийского синхротрона.
Схема устройства линейного ускорителя частиц
Идеологически наиболее простой, линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество В. У. по сравнению с другими типами ускорителей — возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95 %) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше), что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.
Высоковольтные ускорители можно разделить на три группы по типу генераторов, создающих высокое напряжение:
Ускорение в таком типе машин происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферромагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка.
Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускорение происходит электрическим полем высокочастотных резонаторов. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени энергии частиц.
Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10—100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).
Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в 1928 году, который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан Д. В. Керстом лишь в 1940—1941 гг. в США.
Устройство циклотрона. 1 — место поступления частиц, 2 — траектория их движения, 3 — электроды, 4 — источник переменного напряжения. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.
В циклотроне частицы инжектируются вблизи центра магнита с однородным полем с небольшой начальной скоростью. Далее, частицы вращаются в магнитном поле по окружности внутри двух полых электродов, т. н. дуантов, к которым приложено переменное электрическое напряжение. Частица ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем. Понятно, что с увеличением энергии радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы магнита.
Циклотрон — первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в 1930 году Лоуренсом и Ливингстоном, за что первому была присуждена Нобелевская премия в 1939 году. До сих пор циклотроны применяются для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий, до 50 МэВ/нуклон.
Он же — ускоритель с переменной кратностью. Резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения.
Ускоритель с постоянным (как в циклотроне), но неоднородным полем, и переменной частотой ускоряющего поля.
Принципиальное отличие от циклотрона — изменяемая в процессе ускорения частота электрического поля. Это позволяет, за счёт автофазировки, поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает 600—700 МэВ.
Циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля.
Небольшой 900 МэВ синхротрон — бустер электронов и позитронов БЭП в ИЯФ СО РАН, Новосибирск.
Циклический ускоритель с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего электрического поля, но изменяющимся ведущим магнитным полем.
По существу — это линак, но пучок после использования не сбрасывается, а направляется в ускоряющую структуру в «неправильной» фазе и замедляется, отдавая обратно энергию. Кроме того, бывают многопроходные ускорители-рекуператоры, где пучок, по принципу микротрона, совершает несколько проходов через ускоряющую структуру (возможно — по разным дорожкам), сперва набирая энергию, потом её возвращая.
Специализированный источник когерентного рентгеновского излучения.
Он же ускоритель на встречных пучках. Чисто экспериментальные установки, цель которых — изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.
wreferat.baza-referat.ru
