Zərrəcik sürətləndiricisi elektrik yüklü atom və ya atom altı hissəciklərin işığına yaxın sürətlə hərəkət edən şüa yaradan cihazdır. Onun işi onların enerjisinin elektrik sahəsi ilə artmasına və trayektoriyanın maqnitlə dəyişməsinə əsaslanır.
Zərrəcik sürətləndiriciləri nə üçündür?
Bu cihazlar elm və sənayenin müxtəlif sahələrində geniş istifadə olunur. Bu gün bütün dünyada onların 30 mindən çoxu var. Fizik üçün zərrəciklərin sürətləndiriciləri atomların quruluşunu, nüvə qüvvələrinin təbiətini və nüvələrin təbiətdə baş verməyən xassələrini fundamental tədqiqatlar üçün alət kimi xidmət edir. Sonunculara transuran və digər qeyri-sabit elementlər daxildir.
Boş altma borusunun köməyi ilə xüsusi yükü müəyyən etmək mümkün oldu. Hissəcik sürətləndiriciləri həmçinin radioizotopların istehsalında, sənaye rentgenoqrafiyasında, radiasiya terapiyasında, bioloji materialların sterilizasiyasında və radiokarbonda istifadə olunur.təhlil. Ən böyük quraşdırmalar fundamental qarşılıqlı əlaqənin öyrənilməsində istifadə olunur.
Sürətləndiriciyə nisbətən sükunət halında olan yüklü hissəciklərin ömrü işıq sürətinə yaxın sürətə qədər sürətlənmiş hissəciklərin ömründən azdır. Bu, SRT vaxt intervallarının nisbiliyini təsdiqləyir. Məsələn, CERN-də 0,9994c sürətlə müonların ömründə 29 dəfə artım əldə edilib.
Bu məqalədə hissəcik sürətləndiricisinin necə işlədiyi, inkişafı, müxtəlif növləri və fərqləndirici xüsusiyyətləri müzakirə olunur.
Sürətləndirmə prinsipləri
Hansı hissəcik sürətləndiricilərini tanımağınızdan asılı olmayaraq, onların hamısının ümumi elementləri var. Birincisi, onların hamısının televiziya kineskopunda elektron mənbəyi və ya daha böyük qurğular üçün elektronlar, protonlar və onların antihissəcikləri olmalıdır. Bundan əlavə, onların hamısının hissəcikləri sürətləndirmək üçün elektrik sahələri və trayektoriyasını idarə etmək üçün maqnit sahələri olmalıdır. Bundan əlavə, hissəcik sürətləndiricisindəki vakuum (10-11 mm Hg), yəni minimum qalıq hava miqdarı şüaların uzun ömür müddətini təmin etmək üçün lazımdır. Və nəhayət, bütün qurğular sürətlənmiş hissəcikləri qeydiyyata almaq, saymaq və ölçmək üçün vasitələrə malik olmalıdır.
Nəsil
Sürətləndiricilərdə ən çox istifadə olunan elektronlar və protonlar bütün materiallarda olur, lakin əvvəlcə onlardan təcrid olunmalıdırlar. Elektronlar adətən yaradılıreynilə kineskopda olduğu kimi - "silah" adlanan cihazda. Bu, elektronların atomlardan qopmağa başladığı nöqtəyə qədər qızdırılan vakuumdakı bir katoddur (mənfi elektroddur). Mənfi yüklü hissəciklər anoda (müsbət elektrod) çəkilir və çıxışdan keçir. Silahın özü də ən sadə sürətləndiricidir, çünki elektronlar elektrik sahəsinin təsiri altında hərəkət edir. Katod və anod arasındakı gərginlik adətən 50-150 kV arasında olur.
Elektronlardan əlavə, bütün materiallarda protonlar var, lakin yalnız hidrogen atomlarının nüvələri tək protonlardan ibarətdir. Buna görə də, proton sürətləndiriciləri üçün hissəciklərin mənbəyi qaz halında olan hidrogendir. Bu halda qaz ionlaşır və protonlar dəlikdən qaçır. Böyük sürətləndiricilərdə protonlar çox vaxt mənfi hidrogen ionları şəklində istehsal olunur. Onlar iki atomlu qazın ionlaşmasının məhsulu olan əlavə elektronlu atomlardır. İlkin mərhələdə mənfi yüklü hidrogen ionları ilə işləmək daha asandır. Sonra onlar sürətlənmənin son mərhələsinə qədər onları elektronlardan məhrum edən nazik folqadan keçirilir.
Sürətləndirmə
Zərrəcik sürətləndiriciləri necə işləyir? Onlardan hər hansı birinin əsas xüsusiyyəti elektrik sahəsidir. Ən sadə nümunə, elektrik batareyasının terminalları arasında mövcud olana bənzər müsbət və mənfi elektrik potensialları arasında vahid statik sahədir. Beləsahəsində mənfi yük daşıyan elektron onu müsbət potensiala yönəldən qüvvəyə məruz qalır. Onu sürətləndirir və bunun qarşısını alacaq heç bir şey yoxdursa, sürəti və enerjisi artır. Naqildə və ya hətta havada müsbət potensiala doğru hərəkət edən elektronlar atomlarla toqquşur və enerji itirirlər, lakin vakuumdadırlarsa, anoda yaxınlaşdıqca sürətlənirlər.
Elektronun ilkin və son vəziyyəti arasındakı gərginlik onun əldə etdiyi enerjini təyin edir. 1 V potensial fərqi ilə hərəkət edərkən, 1 elektron volta (eV) bərabərdir. Bu, 1,6 × 10-19 joula bərabərdir. Uçan ağcaqanadın enerjisi trilyon dəfə çoxdur. Kineskopda elektronlar 10 kV-dan çox gərginliklə sürətlənir. Bir çox sürətləndiricilər meqa-, giga- və teraelektronvoltlarla ölçülən daha yüksək enerji əldə edirlər.
çeşidlər
Gərginlik sürətləndiricisi və Van de Qraaff generatoru kimi ən erkən növ hissəcik sürətləndiricilərinin bəziləri milyon volta qədər potensialın yaratdığı sabit elektrik sahələrindən istifadə edirdi. Belə yüksək gərginliklə işləmək asan deyil. Daha praktik bir alternativ, aşağı potensialların yaratdığı zəif elektrik sahələrinin təkrarlanan hərəkətidir. Bu prinsip müasir sürətləndiricilərin iki növündə - xətti və tsiklik (əsasən siklotronlarda və sinxrotronlarda) istifadə olunur. Xətti hissəcik sürətləndiriciləri, bir sözlə, onları ardıcıllıqla bir dəfə keçirsürətləndirici sahələr, tsiklik olanda isə nisbətən kiçik elektrik sahələri vasitəsilə dəfələrlə dairəvi yol boyunca hərəkət edirlər. Hər iki halda, hissəciklərin son enerjisi sahələrin birləşmiş təsirindən asılıdır, beləliklə, bir çox kiçik "zərbələr" birləşərək bir böyük olanın birləşmiş effektini verəcəkdir.
Elektrik sahələri yaratmaq üçün xətti sürətləndiricinin təkrarlanan strukturu təbii olaraq DC gərginliyindən çox AC istifadəsini nəzərdə tutur. Müsbət yüklü hissəciklər mənfi potensiala doğru sürətlənir və müsbət olanın yanından keçərsə, yeni təkan alır. Praktikada gərginlik çox tez dəyişməlidir. Məsələn, 1 MeV enerji ilə bir proton işıq sürətindən 0,46 çox yüksək sürətlə, 0,01 ms-də 1,4 m yol qət edir. Bu o deməkdir ki, bir neçə metr uzunluğunda təkrarlanan sxemdə elektrik sahələri ən azı 100 MHz tezliyində istiqaməti dəyişməlidir. Yüklənmiş hissəciklərin xətti və siklik sürətləndiriciləri, bir qayda olaraq, 100-dən 3000 MHz-ə qədər, yəni radio dalğalarından mikrodalğalara qədər dəyişən elektrik sahələrindən istifadə edərək onları sürətləndirirlər.
Elektromaqnit dalğası bir-birinə perpendikulyar salınan alternativ elektrik və maqnit sahələrinin birləşməsidir. Sürətləndiricinin əsas məqamı dalğanı elə tənzimləməkdir ki, hissəcik gələndə elektrik sahəsi sürətlənmə vektoruna uyğun olaraq istiqamətlənsin. Bu, dayanan bir dalğa ilə edilə bilər - qapalı bir döngədə əks istiqamətlərdə hərəkət edən dalğaların birləşməsi.kosmos, orqan borusundakı səs dalğaları kimi. İşıq sürətinə yaxınlaşan çox sürətli hərəkət edən elektronlar üçün alternativ səyahət dalğasıdır.
Avtofaza
Dəyişən elektrik sahəsində sürətlənmə zamanı vacib təsir "avtofazlama"dır. Bir salınım dövründə alternativ sahə sıfırdan maksimum dəyərə keçir, yenidən sıfıra keçir, minimuma enir və sıfıra yüksəlir. Beləliklə, iki dəfə sürətləndirmək üçün lazım olan dəyərdən keçir. Sürətləndirici hissəcik çox tez çatarsa, o zaman kifayət qədər güclü bir sahədən təsirlənməyəcək və təkan zəif olacaq. Növbəti hissəyə çatdıqda gecikəcək və daha güclü təsir yaşayacaq. Nəticədə avtofaza baş verəcək, hissəciklər hər bir sürətlənən bölgədə sahə ilə fazada olacaq. Başqa bir təsir, onları davamlı axın deyil, zamanla qruplar şəklində toplamaq olardı.
Şüa istiqaməti
Maqnit sahələri yüklü hissəcik sürətləndiricisinin necə işləməsində də mühüm rol oynayır, çünki onlar hərəkət istiqamətini dəyişə bilirlər. Bu o deməkdir ki, onlar bir neçə dəfə eyni sürətləndirici hissədən keçmək üçün dairəvi bir yol boyunca şüaları "əymək" üçün istifadə edilə bilər. Ən sadə halda, vahid maqnit sahəsinin istiqamətinə düz bucaq altında hərəkət edən yüklü hissəcik qüvvəyə məruz qalır.həm onun yerdəyişmə vektoruna, həm də sahəyə perpendikulyardır. Bu, şüanın sahəyə perpendikulyar olan dairəvi trayektoriya boyunca hərəkət etmə sahəsini tərk edənə və ya başqa bir qüvvə ona təsir etməyə başlayana qədər hərəkət etməsinə səbəb olur. Bu təsir siklotron və sinkrotron kimi siklik sürətləndiricilərdə istifadə olunur. Siklotronda böyük bir maqnit tərəfindən sabit bir sahə yaranır. Hissəciklər, enerjiləri artdıqca, hər bir inqilabla sürətlənərək xaricə doğru spirallənir. Sinxrotronda dəstələr sabit radiuslu bir halqa ətrafında hərəkət edir və hissəciklər sürətləndikcə halqanın ətrafındakı elektromaqnitlərin yaratdığı sahə artır. "Əyilmə" maqnitləri şüanın onların arasından keçə bilməsi üçün şimal və cənub qütbləri at nalı şəklində əyilmiş dipollardır.
Elektromaqnitlərin ikinci mühüm funksiyası şüaları mümkün qədər dar və sıx olmaq üçün cəmləşdirməkdir. Fokuslama maqnitinin ən sadə forması bir-birinə qarşı olan dörd qütbdür (iki şimal və iki cənub). Onlar hissəcikləri bir istiqamətdə mərkəzə doğru itələyirlər, lakin onlara perpendikulyar istiqamətdə yayılmağa imkan verirlər. Dördqütblü maqnitlər şüanı üfüqi olaraq fokuslayaraq, şaquli olaraq fokusdan çıxmağa imkan verir. Bunun üçün onlar cüt-cüt istifadə edilməlidir. Daha dəqiq fokuslama üçün daha çox qütblü (6 və 8) daha mürəkkəb maqnitlər də istifadə olunur.
Zərrəciklərin enerjisi artdıqca onları istiqamətləndirən maqnit sahəsinin gücü də artır. Bu, şüanı eyni yolda saxlayır. Laxta halqaya daxil edilir və sürətləndirilirgeri çəkilmək və təcrübələrdə istifadə edilməzdən əvvəl tələb olunan enerji. Geri çəkilmə hissəcikləri sinxrotron halqasından itələmək üçün işə salınan elektromaqnitlər vasitəsilə əldə edilir.
Toqquşma
Tibbdə və sənayedə istifadə edilən hissəcik sürətləndiriciləri əsasən radiasiya terapiyası və ya ion implantasiyası kimi xüsusi məqsədlər üçün şüa istehsal edir. Bu o deməkdir ki, hissəciklər bir dəfə istifadə olunur. Uzun illər eyni şey əsas tədqiqatlarda istifadə olunan sürətləndiricilər üçün də keçərlidir. Lakin 1970-ci illərdə iki şüanın əks istiqamətlərdə dövr etdiyi və bütün dövrə boyunca toqquşduğu halqalar hazırlanmışdır. Belə qurğuların əsas üstünlüyü ondan ibarətdir ki, baş-başa toqquşma zamanı hissəciklərin enerjisi bilavasitə onların arasındakı qarşılıqlı təsir enerjisinə keçir. Bu, şüa sükunət halında olan materialla toqquşduqda baş verənlərlə ziddiyyət təşkil edir: bu halda, enerjinin çox hissəsi impulsun saxlanması prinsipinə uyğun olaraq hədəf materialı hərəkətə gətirməyə sərf olunur.
Bəzi toqquşan şüa maşınları eyni tipli hissəciklərin əks istiqamətlərdə dövr etdiyi iki və ya daha çox yerdə kəsişən iki halqa ilə qurulur. Hissəciklər və antihissəciklərlə toqquşduruculara daha çox rast gəlinir. Antihissəcik, əlaqəli hissəciyin əks yükünə malikdir. Məsələn, pozitron müsbət, elektron isə mənfi yüklüdür. Bu o deməkdir ki, elektronu sürətləndirən sahə pozitronu yavaşlatır,eyni istiqamətdə hərəkət edir. Ancaq sonuncu əks istiqamətdə hərəkət edərsə, sürətlənəcəkdir. Eynilə, maqnit sahəsindən keçən elektron sola, pozitron isə sağa əyiləcək. Lakin pozitron ona doğru hərəkət edərsə, onun yolu hələ də sağa, lakin elektronla eyni əyri boyunca sapacaq. Birlikdə bu o deməkdir ki, bu hissəciklər eyni maqnitlər hesabına sinxrotron halqası boyunca hərəkət edə bilər və əks istiqamətlərdə eyni elektrik sahələri ilə sürətləndirilə bilər. Toqquşan şüalar üzərindəki ən güclü toqquşdurucuların çoxu bu prinsipə uyğun olaraq yaradılmışdır, çünki yalnız bir sürətləndirici halqa tələb olunur.
Sinxrotrondakı şüa davamlı olaraq hərəkət etmir, lakin "toplara" birləşir. Onların uzunluğu bir neçə santimetr və diametri millimetrin onda biri ola bilər və təxminən 1012 hissəcikdən ibarətdir. Bu kiçik bir sıxlıqdır, çünki bu ölçüdə bir maddə təxminən 1023 atom ehtiva edir. Buna görə də, şüalar qarşıdan gələn şüalarla kəsişdikdə, hissəciklərin bir-biri ilə qarşılıqlı əlaqəyə girməsi şansı yalnız kiçikdir. Təcrübədə dəstələr üzük boyunca hərəkət etməyə və yenidən görüşməyə davam edir. Hissəciklərin sürətləndiricisindəki dərin vakuum (10-11 mmHg) lazımdır ki, hissəciklər hava molekulları ilə toqquşmadan uzun müddət dövr edə bilsinlər. Buna görə də, üzüklər toplayıcı adlanır, çünki bağlamalar əslində bir neçə saat ərzində onlarda saxlanılır.
Qeydiyyatdan keçin
Zərrəcik sürətləndiriciləri əksər hallarda nə baş verdiyini qeyd edə bilirhissəciklər əks istiqamətdə hərəkət edən hədəfə və ya başqa bir şüaya dəydikdə. Televiziya kineskopunda tapançadan gələn elektronlar ekranın daxili səthindəki fosfora dəyir və işıq saçır və bununla da ötürülən təsviri yenidən yaradır. Sürətləndiricilərdə bu cür ixtisaslaşmış detektorlar səpələnmiş hissəciklərə cavab verir, lakin onlar adətən kompüter məlumatlarına çevrilə bilən və kompüter proqramlarından istifadə edərək təhlil edilə bilən elektrik siqnalları yaratmaq üçün nəzərdə tutulmuşdur. Yalnız yüklənmiş elementlər bir materialdan keçərək, məsələn, həyəcan verici və ya ionlaşdırıcı atomlar vasitəsilə elektrik siqnalları yaradır və birbaşa aşkar edilə bilər. Neytronlar və ya fotonlar kimi neytral hissəciklər, hərəkətə gətirdikləri yüklü hissəciklərin davranışı vasitəsilə dolayı yolla aşkar edilə bilər.
Bir çox xüsusi detektorlar var. Onların bəziləri, məsələn, Geiger sayğacı, sadəcə hissəcikləri hesablayır, digərləri isə, məsələn, izləri qeyd etmək, sürəti ölçmək və ya enerji miqdarını ölçmək üçün istifadə olunur. Müasir detektorların ölçüləri və texnologiyası kiçik yüklə birləşdirilən cihazlardan tutmuş, yüklü hissəciklərin yaratdığı ionlaşmış izləri aşkar edən böyük naqillə doldurulmuş qazla doldurulmuş kameralara qədər dəyişir.
Tarix
Zərrəcik sürətləndiriciləri əsasən atom nüvələrinin və elementar hissəciklərin xassələrini öyrənmək üçün hazırlanmışdır. 1919-cu ildə ingilis fiziki Ernest Ruterford tərəfindən azot nüvəsi ilə alfa hissəciyi arasındakı reaksiyanın kəşfindən başlayaraq nüvə fizikasında aparılan bütün tədqiqatlar1932-ci il təbii radioaktiv elementlərin parçalanmasından çıxan helium nüvələri ilə keçdi. Təbii alfa hissəciklərinin kinetik enerjisi 8 MeV-dir, lakin Ruterford hesab edirdi ki, ağır nüvələrin parçalanmasını müşahidə etmək üçün onları daha da böyük dəyərlərə süni surətdə sürətləndirmək lazımdır. O vaxt çətin görünürdü. Bununla belə, 1928-ci ildə Georgi Qamov (Almaniya, Göttingen Universitetində) tərəfindən edilən hesablama, daha aşağı enerjiyə malik ionların istifadə oluna biləcəyini göstərdi və bu, nüvə tədqiqatları üçün kifayət qədər şüa təmin edən obyekt tikmək cəhdlərini stimullaşdırdı.
Bu dövrün digər hadisələri hissəcik sürətləndiricilərinin bu günə qədər qurulma prinsiplərini nümayiş etdirdi. Süni sürətləndirilmiş ionlarla ilk uğurlu təcrübələr 1932-ci ildə Kembric Universitetində Cockcroft və W alton tərəfindən aparılmışdır. Gərginlik çarpanından istifadə edərək protonları 710 keV-ə qədər sürətləndirdilər və sonuncunun litium nüvəsi ilə reaksiyaya girərək iki alfa hissəciyi əmələ gətirdiyini göstərdilər. 1931-ci ildə Nyu-Cersidəki Prinston Universitetində Robert van de Qraff ilk yüksək potensiallı kəmər elektrostatik generatoru qurdu. Cockcroft-W alton gərginlik çarpanları və Van de Graaff generatorları hələ də sürətləndiricilər üçün enerji mənbələri kimi istifadə olunur.
Xətti rezonans sürətləndiricinin prinsipi 1928-ci ildə Rolf Wideröe tərəfindən nümayiş etdirildi. Almaniyanın Axen şəhərindəki Reyn-Vestfaliya Texnologiya Universitetində o, natrium və kalium ionlarını iki dəfə enerjiyə çevirmək üçün yüksək alternativ gərginlikdən istifadə etdi.bildirdiklərini üstələyir. 1931-ci ildə ABŞ-da Berkli Kaliforniya Universitetindən Ernest Lourens və onun köməkçisi David Sloan civə ionlarını 1,2 MeV-dən çox enerjiyə qədər sürətləndirmək üçün yüksək tezlikli sahələrdən istifadə etdilər. Bu iş Wideröe ağır hissəcik sürətləndiricisini tamamladı, lakin ion şüaları nüvə tədqiqatlarında faydalı olmadı.
Maqnit rezonans sürətləndiricisi və ya siklotron Lourens tərəfindən Wideröe qurğusunun modifikasiyası kimi yaradılmışdır. Lourens Livinqstonun tələbəsi 1931-ci ildə 80 keV ion istehsal edərək siklotronun iş prinsipini nümayiş etdirdi. 1932-ci ildə Lourens və Livinqston protonların 1 MeV-dən yuxarı sürətlənməsini elan etdilər. Daha sonra 1930-cu illərdə siklotronların enerjisi təqribən 25 MeV, Van de Graaff generatorlarının enerjisi isə təxminən 4 MeV-ə çatdı. 1940-cı ildə Donald Kerst diqqətli orbital hesablamaların nəticələrini maqnitlərin dizaynına tətbiq edərək İllinoys Universitetində ilk betatronu, maqnit induksiya elektron sürətləndiricisini qurdu.
Müasir fizika: hissəcik sürətləndiriciləri
İkinci Dünya Müharibəsindən sonra hissəcikləri yüksək enerjilərə qədər sürətləndirmək elmi sürətlə inkişaf etdi. Berklidə Edvin Makmillan və Moskvada Vladimir Veksler tərəfindən başlamışdır. 1945-ci ildə onların hər ikisi müstəqil olaraq faza sabitliyi prinsipini təsvir etdilər. Bu konsepsiya protonların enerjisinə olan məhdudiyyəti aradan qaldıran və elektronlar üçün maqnit rezonans sürətləndiricilərini (sinkrotronları) yaratmağa imkan verən tsiklik sürətləndiricidə sabit hissəcik orbitlərini saxlamaq üçün bir vasitə təklif edir. Avtofaza, faza sabitliyi prinsipinin həyata keçirilməsi tikintidən sonra təsdiq edilmişdirKaliforniya Universitetində kiçik bir sinkrosiklotron və İngiltərədə bir sinkrotron. Qısa müddətdən sonra ilk proton xətti rezonans sürətləndiricisi yaradıldı. Bu prinsip o vaxtdan bəri qurulmuş bütün böyük proton sinxrotronlarında istifadə edilmişdir.
1947-ci ildə Kaliforniyadakı Stanford Universitetində William Hansen İkinci Dünya Müharibəsi zamanı radar üçün hazırlanmış mikrodalğalı texnologiyadan istifadə edərək ilk xətti hərəkət edən dalğa elektron sürətləndiricisini qurdu.
Tədqiqatda irəliləyiş protonların enerjisini artırmaqla mümkün oldu və bu, getdikcə daha böyük sürətləndiricilərin qurulmasına səbəb oldu. Bu tendensiya nəhəng üzük maqnitlərinin istehsalının yüksək qiyməti ilə dayandırıldı. Ən böyüyünün çəkisi təxminən 40.000 tondur. Maşınların ölçüsünü artırmadan enerjinin artırılması yolları 1952-ci ildə Livinqston, Kurant və Snayder tərəfindən alternativ fokuslama (bəzən güclü fokuslama adlanır) texnikasında nümayiş etdirilmişdir. Bu prinsipə əsaslanan sinxrotronlar əvvəlkindən 100 dəfə kiçik maqnitlərdən istifadə edir. Belə fokuslama bütün müasir sinxrotronlarda istifadə olunur.
1956-cı ildə Kerst başa düşdü ki, iki hissəcik dəsti kəsişən orbitlərdə saxlanılarsa, onların toqquşması müşahidə edilə bilər. Bu ideyanın tətbiqi sürətləndirilmiş şüaların saxlama adlanan dövrlərdə yığılmasını tələb edirdi. Bu texnologiya hissəciklərin maksimum qarşılıqlı təsir enerjisinə nail olmağa imkan verdi.
