Электростатический ускоритель частиц

Westinghouse Atom Smasher — один из первых ускорителей Ван де Граафа, построенный в 1937 году в Исследовательском центре Вестингауза в Форест-Хиллз, штат Пенсильвания. В разрезе показаны тканевые ленты, которые передают заряд к грибовидному высоковольтному электроду. Для улучшения изоляции машина была заключена в сосуд высокого давления длиной 65 футов, в котором во время работы находилось давление 120 фунтов на квадратный дюйм. Воздух под высоким давлением увеличил напряжение на машине с 1 МВ до 5 МВ.

750 кэВ ускорителя Кокрофта-Уолтона на энергию Начальная ступень ускорителя КЕК в Цукубе, Япония. Генератор высокого напряжения справа, источник ионов и лучевая трубка слева.

Электростатический ускоритель частиц — это ускоритель частиц , в котором заряженные частицы ускоряются до высокой энергии с помощью статического потенциала высокого напряжения . Это контрастирует с другой основной категорией ускорителей частиц — ускорителями частиц с осциллирующим полем , в которых частицы ускоряются с помощью осциллирующих электрических полей.

Благодаря более простой конструкции электростатические ускорители частиц были первыми. Двумя наиболее распространенными типами являются генератор Ван де Граафа, изобретенный Робертом Ван де Граафом в 1929 году, и ускоритель Кокрофта-Уолтона, изобретенный Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном в 1932 году. Максимальная энергия частиц, производимая электростатическими ускорителями, ограничена максимальным напряжением. чего можно достичь машиной. Это, в свою очередь, ограничено пробоем изоляции до нескольких мегавольт . Колебательные ускорители не имеют этого ограничения, поэтому они могут достигать более высоких энергий частиц, чем электростатические машины.

Преимущества электростатических ускорителей перед машинами с колебательным полем включают более низкую стоимость, способность производить непрерывные пучки и более высокие токи пучков, что делает их полезными для промышленности. По существу, они являются наиболее широко используемыми ускорителями частиц и имеют промышленное применение, например, в производстве пластиковой термоусадочной пленки , мощных рентгеновских аппаратах , лучевой терапии в медицине, радиоизотопов производстве , ионных имплантаторах в производстве полупроводников и стерилизации. Многие университеты по всему миру имеют электростатические ускорители для исследовательских целей. Ускорители с осциллирующим полем высокой энергии обычно включают в себя электростатическую машину в качестве первой ступени для ускорения частиц до достаточно высокой скорости для их ввода в основной ускоритель.

Приложения

Электростатические ускорители имеют широкий спектр применения в науке и промышленности. В области фундаментальных исследований они используются для обеспечения пучков атомных ядер для исследований при энергиях до нескольких сотен МэВ .

В промышленности и материаловедении их используют для получения ионных пучков для модификации материалов, включая ионную имплантацию и смешивание ионных пучков. Существует также ряд методов анализа материалов, основанных на электростатическом ускорении тяжелых ионов, включая спектрометрию резерфордовского обратного рассеяния (RBS), рентгеновскую эмиссию, индуцированную частицами (PIXE), масс-спектрометрию ускорителя (AMS), обнаружение упругой отдачи (ERD), и другие.

Хотя эти машины в первую очередь ускоряют атомные ядра , существует ряд компактных машин, используемых для ускорения электронов в промышленных целях, включая стерилизацию медицинских инструментов, производство рентгеновских лучей и производство кремниевых пластин.

Особым применением электростатических ускорителей частиц являются ускорители пыли, в которых электрически заряженные частицы пыли размером от нанометра до микрометра ускоряются до скорости до 100 км/с. Ускорители пыли используются для исследования кратеров от ударов. калибровка ударно-ионизационных пылеулавливателей, и метеорные исследования.

Односторонние машины

Используя высоковольтную клемму со статическим потенциалом порядка миллионов вольт, заряженные частицы можно ускорить . Проще говоря, электростатический генератор — это, по сути, гигантский конденсатор (хотя и без пластин). Высокое напряжение достигается либо с использованием методов Кокрофта и Уолтона , либо Ван де Граафа , причем ускорители часто называют в честь этих изобретателей. Ван де Граафа В оригинальной конструкции электроны помещаются на изолирующий лист или ремень с помощью металлической гребенки, а затем лист физически переносит иммобилизованные электроны к терминалу. Несмотря на то, что при высоком напряжении клемма является проводником, внутри проводника имеется соответствующая гребенка, которая может собирать электроны с листа; Благодаря закону Гаусса внутри проводника нет электрического поля, поэтому электроны не отталкиваются платформой, оказавшись внутри. По стилю лента похожа на обычную конвейерную ленту , за одним существенным исключением: она бесшовная. Таким образом, если ремень порван, акселератор необходимо в некоторой степени разобрать, чтобы заменить ремень, который из-за его постоянного вращения и того, что он обычно изготавливается из резина , не такое уж редкое явление. Практическая сложность с ремнями привела к использованию другого средства физической транспортировки зарядов: цепочки пуль. В отличие от обычной цепи, эта цепь не проводит ток от одного конца до другого, поскольку в ее конструкции используются как изоляторы, так и проводники. Ускорители такого типа обычно называют пеллетронами .

Как только платформа может быть электрически заряжена одним из вышеперечисленных способов, на платформе в конце линии луча размещается некоторый источник положительных ионов , поэтому его называют терминалом. Однако, поскольку источник ионов находится под высоким потенциалом, прямой доступ к источнику ионов для управления или обслуживания невозможен. Таким образом, такие методы, как пластиковые стержни, соединенные с различными рычагами внутри терминала, могут разветвляться и переключаться удаленно. Опуская практические проблемы, отметим, что если платформа заряжена положительно, она будет отталкивать ионы одной и той же электрической полярности, ускоряя их. Поскольку E=qV, где E — возникающая энергия, q — заряд иона, а V — напряжение на клеммах, максимальная энергия ускоренных таким образом частиц практически ограничена разрядным пределом высоковольтной платформы, составляющим около 12 МВ. в условиях окружающей атмосферы. Этот предел можно увеличить, например, поместив платформу ВН в резервуар с изолирующим газом с более высокой диэлектрической проницаемостью. чем воздух, например SF ₆ , диэлектрическая проницаемость которого примерно в 2,5 раза больше, чем у воздуха. Однако даже в резервуаре с SF6 _{максимально} достижимое напряжение составляет около 30 МВ. Могут быть и другие газы с еще лучшими изолирующими свойствами, но SF ₆ также химически инертен и нетоксичен . Чтобы еще больше увеличить максимальную энергию ускорения, была изобретена концепция тандема , позволяющая дважды использовать одно и то же высокое напряжение.

Тандемные ускорители

Обычно положительно заряженные ионы ускоряются, поскольку такова полярность атомного ядра. Однако если кто-то хочет дважды использовать один и тот же статический электрический потенциал для ускорения ионов, то полярность заряда ионов должна измениться с анионов на катионы или наоборот, пока они находятся внутри проводника, где они не будут ощущать электрической силы. Оказывается, удалить или оторвать электроны от энергичного иона очень просто. Одним из свойств взаимодействия иона с веществом является обмен электронами, то есть способ, которым ион может терять энергию, отдавая ее в материи, чего мы интуитивно должны ожидать от снаряда, выпущенного в твердое тело. Однако по мере того, как цель становится тоньше или снаряд становится более энергичным, количество энергии, выделяемой в фольгу, становится все меньше и меньше.

Тандемы размещают источник ионов за пределами терминала, а это означает, что доступ к источнику ионов, когда терминал находится под высоким напряжением, значительно проще, особенно если терминал находится внутри бензобака. Затем анионный пучок из источника распыляющих ионов инжектируется с платформы с относительно более низким напряжением к клемме высокого напряжения. Внутри терминала луч попадает на тонкую фольгу (порядка микрограммов на квадратный сантиметр), часто углеродную или бериллиевую , отрывая электроны от ионного луча, так что они становятся катионами. Поскольку трудно создать анионы с зарядовым состоянием более -1, то энергия частиц, возникающих из тандема, равна E = (q + 1)V, где мы добавили второй потенциал ускорения от этого аниона к состоянию положительного заряда. q выходящий из стриппера; мы добавляем эти разные знаки заряда вместе, потому что увеличиваем энергию ядра в каждой фазе. В этом смысле мы можем ясно видеть, что тандем может удвоить максимальную энергию протонного пучка, максимальное состояние заряда которого составляет всего +1, но преимущество, получаемое тандемом, уменьшается по мере того, как мы приближаемся к более высокой массе, как, например, для Например, можно легко получить состояние заряда 6+ кремниевый луч.

Невозможно легко превратить каждый элемент в анион, поэтому тандемы очень редко ускоряют какие-либо благородные газы тяжелее гелия , хотя KrF ⁻ и XeF ⁻ были успешно произведены и ускорены с помощью тандема. Однако нередко создаются соединения для получения анионов, и TiH ₂ можно экстрагировать в виде TiH. ⁻ и используется для создания протонного пучка, поскольку эти простые и часто слабо связанные химические вещества будут расщепляться на фольге для снятия клемм. Производство анионных ионных пучков было основным предметом изучения применения тандемных ускорителей, и рецепты и выходы большинства элементов можно найти в «Поваренной книге отрицательных ионов». Тандемы также могут работать в терминальном режиме, где они действуют как односторонний электростатический ускоритель, что является более распространенным и практичным способом получения пучков благородных газов.

Название «тандем» происходит от двойного использования одного и того же высокого напряжения, хотя тандемы также могут называться в том же стиле, что и обычные электростатические ускорители, в зависимости от метода зарядки терминала.

MP Tandem van de Graaff — это разновидность тандемного ускорителя. Десять из них были установлены в 20 веке; шесть в Северной Америке и четыре в Европе.

Геометрия

При использовании электростатических ускорителей следует учитывать одну хитрость: обычно вакуумные линии пучка изготавливаются из стали. Однако невозможно надежно соединить проводящую стальную трубу от клеммы высокого напряжения с землей. Таким образом, множество колец из прочного стекла, такого как пирекс , собраны вместе таким образом, что их граница представляет собой вакуумное уплотнение, подобное медной прокладке ; единственная длинная стеклянная трубка может взорваться в вакууме или сломаться, выдержав собственный вес. Что важно с точки зрения физики, эти расположенные между собой проводящие кольца помогают создать более однородное электрическое поле вдоль ускоряющего столба. Эта линия луча из стеклянных колец просто поддерживается за счет сжатия на обоих концах терминала. Поскольку стекло не проводит ток, его можно поддерживать на земле, но такие опоры рядом с клеммой могут вызвать разряд клеммы, в зависимости от конструкции. Иногда сжатия оказывается недостаточно, и вся линия луча может разрушиться и разрушиться. Эта идея особенно важна для проектирования тандемов, поскольку они, естественно, имеют более длинные лучи, и луч должен проходить через терминал.

Чаще всего электростатические ускорители располагаются горизонтально. Однако некоторые тандемы могут иметь U-образную форму, и в принципе луч можно повернуть в любом направлении с помощью магнитного диполя на конце. Некоторые электростатические ускорители расположены вертикально, где либо источник ионов, либо, в случае U-образного вертикального тандема, терминал находится на вершине башни. Башенное расположение может быть способом экономии места, а также линия луча, соединяющаяся с терминалом из стеклянных колец, может использовать некоторые преимущества гравитации как естественного источника сжатия.

Энергия частиц

В однотактном электростатическом ускорителе заряженная частица ускоряется за счет одной разности потенциалов между двумя электродами, поэтому выходная энергия частицы $E$ равен заряду частицы $q$ умноженное на ускоряющее напряжение $V$

$E=qV$

В тандемном ускорителе частица дважды ускоряется одним и тем же напряжением, поэтому выходная энергия равна $(1+q)V$, поскольку анионная форма однозарядна. Если заряд $q$ находится в условных единицах кулонов , а потенциал $V$ в вольтах, энергия частицы будет выражаться в джоулях . Однако из-за того, что заряд элементарных частиц очень мал (заряд электрона составляет 1,6x10 ⁻¹⁹ кулоны), энергия в джоулях — очень маленькое число.

Поскольку заряды всех элементарных частиц кратны элементарному заряду электрона, $e=1.6(10^{-19})$ В кулонах физики элементарных частиц используют другую единицу для выражения энергии частиц — электрон-вольт (эВ), который упрощает расчеты. Электронвольт равен энергии, которую приобретает частица с зарядом 1 е, проходя через разность потенциалов в один вольт. В приведенном выше уравнении, если $q$ измеряется в элементарных зарядах e и $V$ измеряется в вольтах, энергия частицы $E$ дается в эВ. Например, если альфа-частица с зарядом 2 е ускоряется при разности напряжений в один миллион вольт (1 МВ), она будет иметь энергию в два миллиона электрон-вольт, сокращенно 2 МэВ. Ускоряющее напряжение электростатических машин находится в диапазоне от 0,1 до 25 МВ, а заряд частиц составляет несколько элементарных зарядов, поэтому энергия частиц находится в диапазоне низких МэВ. Более мощные ускорители могут производить энергию в диапазоне гигаэлектронвольт (ГэВ).

Внешние ссылки

• База данных МАГАТЭ по электростатическим ускорителям