Ускоритель частиц

Сюда перенаправляются «Атомный сокрушитель» и «Суперколлайдер». Чтобы узнать о других значениях, см. Atom smasher (значения) и Supercollider (значения) .

Тэватрон (фоновый круг) — ускоритель частиц типа синхротронного коллайдера в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб), Батавия, Иллинойс, США. Закрыт в 2011 году, до 2007 года он был самым мощным ускорителем частиц в мире, ускорявшим протоны до энергии более 1 ТэВ (тераэлектронвольт). Пучки протонов и антипротонов, циркулировавшие в противоположных направлениях в заднем кольце, столкнулись в двух магнитно-индуцированных точках пересечения.

Анимация, показывающая работу линейного ускорителя , широко используемого как в физических исследованиях, так и в лечении рака.

Ускоритель частиц — это машина, которая использует электромагнитные поля для разгона заряженных частиц до очень высоких скоростей и энергии, чтобы удерживать их в четко определенных пучках . Большие ускорители используются для фундаментальных исследований в области физики элементарных частиц . Ускорители используются также как источники синхротронного света для изучения физики конденсированного состояния . Ускорители частиц меньшего размера используются в самых разных областях, включая терапию частицами в онкологических целях, производство радиоизотопов для медицинской диагностики, ионные имплантаторы для производства полупроводников и ускорительные масс-спектрометры для измерения редких изотопов, таких как радиоуглерод .

Крупные ускорители включают Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке и крупнейший ускоритель — Большой адронный коллайдер недалеко от Женевы, Швейцария, которым управляет ЦЕРН . Это ускоритель- коллайдер , который может ускорить два пучка протонов до энергии 6,5 ТэВ и заставить их столкнуться лоб в лоб, создавая энергию центра масс 13 ТэВ. В мире действует более 30 000 ускорителей.

Существует два основных класса ускорителей: электростатические и электродинамические (или электромагнитные) ускорители. Электростатические ускорители частиц используют статические электрические поля для ускорения частиц. Наиболее распространенными типами являются генератор Кокрофта-Уолтона и генератор Ван де Граафа . Небольшим примером этого класса является электронно-лучевая трубка в обычном старом телевизоре. Достижимая кинетическая энергия частиц в этих устройствах определяется ускоряющим напряжением , которое ограничивается электрическим пробоем . электродинамические или электромагнитные С другой стороны, ускорители используют изменяющиеся электромагнитные поля ( магнитную индукцию или колеблющиеся радиочастотные поля) для ускорения частиц. Поскольку в этих типах частицы могут проходить через одно и то же ускоряющее поле несколько раз, выходная энергия не ограничивается силой ускоряющего поля. Этот класс, впервые разработанный в 1920-х годах, является основой большинства современных крупных ускорителей.

Рольф Видероэ , Густав Изинг , Лео Силард , Макс Стенбек и Эрнест Лоуренс считаются пионерами в этой области, задумав и построив первый действующий линейный ускоритель частиц . бетатрон , а также циклотрон . ускорители обычно называли ускорителями атомов . Поскольку целью пучков частиц ранних ускорителей обычно были атомы куска материи с целью создания столкновений с их ядрами для исследования ядерной структуры, в 20 веке Этот термин сохраняется, несмотря на то, что многие современные ускорители создают столкновения между двумя субатомными частицами , а не между частицей и атомным ядром.

Использование

Линии лучей, ведущие от ускорителя Ван де Граафа к различным экспериментам в подвале кампуса Жюсье в Париже .

Здание, закрывающее лучевую трубу длиной 2 мили (3,2 км) Стэнфордского линейного ускорителя (SLAC) в Менло-Парке, Калифорния, второго по мощности линейного ускорителя в мире.

Пучки частиц высоких энергий полезны для фундаментальных и прикладных исследований в науке, а также во многих технических и промышленных областях, не связанных с фундаментальными исследованиями. В мире существует около 30 000 ускорителей; из них лишь около 1% — это исследовательские машины с энергией выше 1 ГэВ , около 44% — для лучевой терапии , 41% — для ионной имплантации , 9% — для промышленной обработки и исследований и 4% — для биомедицинских и других низкоэнергетических исследований.

Физика элементарных частиц

Для самых фундаментальных исследований динамики и структуры материи, пространства и времени физики ищут простейшие виды взаимодействий при максимально высоких энергиях. Обычно это влечет за собой энергии частиц во многие ГэВ и взаимодействия простейших видов частиц: лептонов (например, электронов и позитронов ) и кварков для материи или фотонов и глюонов для квантов поля . Поскольку изолированные кварки экспериментально недоступны из-за ограничения цвета , простейшие доступные эксперименты включают взаимодействие, во-первых, лептонов друг с другом, а во-вторых, лептонов с нуклонами , которые состоят из кварков и глюонов. Для изучения столкновений кварков друг с другом ученые прибегают к столкновениям нуклонов, которые при высоких энергиях можно с пользой рассматривать как, по сути, двухчастичные взаимодействия кварков и глюонов, из которых они состоят. Физики элементарных частиц склонны использовать машины, создающие пучки электронов, позитронов, протонов и антипротонов , взаимодействующих друг с другом или с простейшими ядрами (например, водород или дейтерий ) при максимально возможных энергиях, обычно сотни ГэВ и более.

Крупнейшим ускорителем частиц с самой высокой энергией, используемым в физике элементарных частиц, является Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН , работающий с 2009 года.

Ядерная физика и производство изотопов

Физики-ядерщики и космологи могут использовать пучки голых атомных ядер , лишенных электронов, для исследования структуры, взаимодействий и свойств самих ядер, а также конденсированного вещества при чрезвычайно высоких температурах и плотностях, которые могли возникнуть в первые мгновения. Большого Взрыва . Эти исследования часто включают столкновения тяжелых ядер – таких атомов, как железо или золото – при энергиях в несколько ГэВ на нуклон . Крупнейшим подобным ускорителем частиц является Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории .

Ускорители частиц также могут производить пучки протонов, которые могут производить богатые протонами медицинские или исследовательские изотопы в отличие от богатых нейтронами изотопов, получаемых в реакторах деления ; однако недавняя работа показала, как сделать ⁹⁹ Мо , обычно получаемый в реакторах путем ускорения изотопов водорода, хотя этот метод все еще требует реактора для производства трития . Примером такого типа машины является LANSCE в Национальной лаборатории Лос-Аламоса .

Синхротронное излучение

Электроны, распространяющиеся через магнитное поле, испускают очень яркие и когерентные пучки фотонов посредством синхротронного излучения . Он имеет множество применений в изучении атомной структуры, химии, физики конденсированного состояния, биологии и технологии. большое количество источников синхротронного света Во всем мире существует . Примерами в США являются SSRL в Национальной ускорительной лаборатории SLAC , APS в Аргоннской национальной лаборатории, ALS в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и NSLS-II в Брукхейвенской национальной лаборатории . В Европе есть MAX IV в Лунде, Швеция, BESSY в Берлине, Германия, Diamond в Оксфордшире, Великобритания, ESRF в Гренобле , Франция, последний использовался для извлечения детальных трехмерных изображений насекомых, пойманных в янтаре.

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) — это особый класс источников света на основе синхротронного излучения , обеспечивающий более короткие импульсы с более высокой временной когерентностью . Специально разработанный ЛСЭ является самым ярким источником рентгеновского излучения в наблюдаемой Вселенной. Наиболее яркими примерами являются LCLS в США и европейский XFEL в Германии. Все больше внимания уделяется лазерам мягкого рентгеновского излучения , которые вместе с укорочением импульса открывают новые методы аттосекундной науки . Помимо рентгеновских лучей, для излучения терагерцового света используются ЛСЭ , например FELIX в Неймегене, Нидерланды, TELBE в Дрездене, Германия и NovoFEL в Новосибирске, Россия.

Таким образом, существует большая потребность в ускорителях электронов умеренной ( ГэВ ) энергии, высокой интенсивности и высокого качества луча для управления источниками света.

Низкоэнергетические машины и терапия частицами

Повседневными примерами ускорителей частиц являются электронно-лучевые трубки, используемые в телевизорах и генераторах рентгеновского излучения . В этих низкоэнергетических ускорителях используется одна пара электродов с постоянным напряжением в несколько тысяч вольт между ними. В генераторе рентгеновского излучения сама мишень является одним из электродов. Ускоритель частиц низкой энергии, называемый имплантатором ионов, используется при производстве интегральных схем .

При более низких энергиях пучки ускоренных ядер также используются в медицине в качестве терапии частиц , для лечения рака.

Типы ускорителей постоянного тока, способные ускорять частицы до скоростей, достаточных для того, чтобы вызвать ядерные реакции, - это генераторы Кокрофта-Уолтона или умножители напряжения , которые преобразуют переменный ток в постоянный ток высокого напряжения, или генераторы Ван де Граафа , которые используют статическое электричество, переносимое ремнями.

Радиационная стерилизация медицинских изделий

Электронно-лучевая обработка обычно используется для стерилизации. Электронные пучки — это двухпозиционная технология, которая обеспечивает гораздо более высокую мощность дозы, чем гамма- или рентгеновские лучи, испускаемые радиоизотопами , такими как кобальт-60 ( ⁶⁰ Со) или цезий-137 ( ¹³⁷ Сс). Благодаря более высокой мощности дозы требуется меньше времени воздействия и снижается деградация полимера. Поскольку электроны несут заряд, электронные лучи менее проникающие, чем гамма- и рентгеновские лучи.

Электростатические ускорители частиц

Генератор Кокрофта-Уолтона ( Philips , 1937), находящийся в Музее науки (Лондон) .

Основная статья: Электростатический ускоритель частиц

Одноступенчатый линейный ускоритель Ван де Граафа на 2 МэВ 1960-х годов, открытый для обслуживания.

Исторически сложилось так, что первые ускорители использовали простую технологию одного статического высокого напряжения для ускорения заряженных частиц. Заряженная частица ускорялась через вакуумированную трубку с электродами на обоих концах, на которых находился статический потенциал. Поскольку частица прошла через разность потенциалов только один раз, выходная энергия была ограничена ускоряющим напряжением машины. Хотя этот метод по-прежнему чрезвычайно популярен сегодня, поскольку количество электростатических ускорителей значительно превосходит любой другой тип, они больше подходят для исследований с низким энергопотреблением из-за практического предела напряжения около 1 МВ для машин с воздушной изоляцией или 30 МВ, когда ускоритель работает в баллоне со сжатым газом с высокой диэлектрической прочностью , например, с гексафторидом серы . В тандемном ускорителе потенциал используется дважды для ускорения частиц путем изменения заряда частиц, пока они находятся внутри терминала. Это возможно при ускорении атомных ядер. используя анионы (отрицательно заряженные ионы ), а затем пропуская луч через тонкую фольгу, чтобы оторвать электроны от анионов внутри высоковольтной клеммы, преобразуя их в катионы (положительно заряженные ионы), которые снова ускоряются при выходе из клеммы.

Двумя основными типами электростатических ускорителей являются ускоритель Кокрофта-Уолтона , в котором для создания высокого напряжения используется диодно-конденсаторный умножитель напряжения, и ускоритель Ван де Граафа , в котором используется движущаяся тканевая лента для переноса заряда на высоковольтный электрод. Хотя электростатические ускорители ускоряют частицы вдоль прямой линии, термин «линейный ускоритель» чаще используется для ускорителей, в которых используются осциллирующие, а не статические электрические поля.

Электродинамические (электромагнитные) ускорители частиц

Из-за потолка высокого напряжения, создаваемого электрическим разрядом, для ускорения частиц до более высоких энергий используются методы, использующие динамические поля, а не статические поля. Электродинамическое ускорение может возникнуть по одному из двух механизмов: нерезонансной магнитной индукции или резонансных контуров или полостей , возбуждаемых колеблющимися радиочастотными (РЧ) полями. Электродинамические ускорители могут быть линейными , в которых частицы ускоряются по прямой линии, или круговыми , в которых используются магнитные поля для изгибания частиц по примерно круговой орбите.

Ускорители магнитной индукции

Ускорители магнитной индукции ускоряют частицы за счет индукции возрастающего магнитного поля, как если бы частицы были вторичной обмоткой трансформатора. Увеличивающееся магнитное поле создает циркулирующее электрическое поле, которое можно настроить для ускорения частиц. Индукционные ускорители могут быть как линейными, так и кольцевыми.

Линейные индукционные ускорители

Основная статья: Линейный индукционный ускоритель

В линейных индукционных ускорителях используются нерезонансные индукционные резонаторы, нагруженные ферритом. Каждую полость можно представить как два больших диска в форме шайбы, соединенных внешней цилиндрической трубкой. Между дисками находится ферритовый тороид. Импульс напряжения, приложенный между двумя дисками, вызывает усиление магнитного поля, которое индуктивно передает энергию пучку заряженных частиц.

Линейный индукционный ускоритель был изобретен Христофилосом в 1960-х годах. Линейные индукционные ускорители способны ускорять очень большие токи пучка (>1000 А) за один короткий импульс. Они использовались для генерации рентгеновских лучей для флэш-радиографии (например, DARHT в LANL ) и рассматривались в качестве инжекторов частиц для термоядерного синтеза с магнитным удержанием и в качестве драйверов для лазеров на свободных электронах .

Бетатрон

Основная статья: Бетатрон

Бетатрон — это ускоритель кольцевой магнитной индукции, изобретенный Дональдом Керстом в 1940 году для ускорения электронов . Эта концепция в конечном итоге исходит от норвежско-немецкого ученого Рольфа Видероэ . Эти машины, как и синхротроны, используют кольцевой магнит в форме пончика (см. ниже) с циклически возрастающим полем B, но ускоряют частицы за счет индукции от возрастающего магнитного поля, как если бы они были вторичной обмоткой трансформатора, из-за изменение магнитного потока через орбиту.

Достижение постоянного радиуса орбиты при обеспечении надлежащего ускоряющего электрического поля требует, чтобы магнитный поток, связывающий орбиту, был в некоторой степени независим от магнитного поля на орбите, изгибая частицы в кривую постоянного радиуса. На практике эти машины были ограничены большими потерями на излучение, которые несут электроны, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, на орбите относительно небольшого радиуса.

Линейные ускорители

Основная статья: Линейный ускоритель частиц

Современный сверхпроводящий радиочастотный многоячеечный компонент линейного ускорителя.

В линейном ускорителе частиц (linac) частицы ускоряются по прямой линии с интересующей мишенью на одном конце. Их часто используют для обеспечения начального низкоэнергетического удара частиц перед их вводом в круговые ускорители. Самый длинный линейный ускоритель в мире — Стэнфордский линейный ускоритель SLAC, длина которого составляет 3 км (1,9 мили). SLAC изначально представлял собой электрон - позитронный коллайдер, но теперь это рентгеновский лазер на свободных электронах .

В линейных ускорителях высоких энергий используется линейный массив пластин (или дрейфовых трубок), к которым приложено переменное поле высокой энергии. Когда частицы приближаются к пластине, они ускоряются по направлению к ней за счет заряда противоположной полярности, приложенного к пластине. Когда они проходят через отверстие в пластине, полярность меняется так, что пластина теперь отталкивает их, и они теперь ускоряются ею по направлению к следующей пластине. Обычно поток «сгустков» частиц ускоряется, поэтому к каждой пластине прикладывается тщательно контролируемое переменное напряжение, чтобы непрерывно повторять этот процесс для каждого сгустка.

Когда частицы приближаются к скорости света, скорость переключения электрических полей становится настолько высокой, что они работают на радиочастотах , поэтому микроволновые резонаторы в машинах с более высокой энергией вместо простых пластин используются .

Линейные ускорители широко используются также в медицине , для лучевой терапии и радиохирургии . Линейные ускорители медицинского назначения ускоряют электроны с помощью клистрона и сложной конструкции изгибающего магнита, которая создает луч с энергией 6–30 МэВ . Электроны можно использовать напрямую или столкнуть с мишенью для получения пучка рентгеновских лучей . Надежность, гибкость и точность производимого пучка радиации в значительной степени вытеснили старое использование терапии кобальтом-60 в качестве инструмента лечения.

Круговые или циклические радиочастотные ускорители

В круговом ускорителе частицы движутся по кругу, пока не достигнут достаточной энергии. Траектория частицы обычно изгибается в круг с помощью электромагнитов . Преимущество круговых ускорителей перед линейными ускорителями ( линеками ) заключается в том, что кольцевая топология обеспечивает непрерывное ускорение, поскольку частица может перемещаться бесконечно. Еще одним преимуществом является то, что круговой ускоритель меньше, чем линейный ускоритель сопоставимой мощности (т.е. ускоритель должен быть очень длинным, чтобы иметь мощность, эквивалентную круговому ускорителю).

В зависимости от энергии и ускоряемой частицы, круговые ускорители имеют тот недостаток, что частицы испускают синхротронное излучение . Когда любая заряженная частица ускоряется, она испускает электромагнитное излучение и вторичное излучение . Поскольку частица, движущаяся по кругу, всегда ускоряется к центру круга, она непрерывно излучает энергию в направлении касательной круга. Это излучение называется синхротронным светом и сильно зависит от массы ускоряющейся частицы. По этой причине многие ускорители электронов высоких энергий представляют собой линейные ускорители. Однако некоторые ускорители ( синхротроны ) созданы специально для получения синхротронного света ( рентгеновских лучей ).

Поскольку специальная теория относительности требует, чтобы материя всегда двигалась медленнее скорости света в вакууме , в ускорителях высоких энергий по мере увеличения энергии скорость частицы приближается к скорости света как пределу, но никогда не достигает ее. частицы Поэтому физики элементарных частиц обычно мыслят не в терминах скорости, а скорее в терминах энергии или импульса , обычно измеряемой в электрон-вольтах (эВ). Важным принципом для круговых ускорителей и пучков частиц в целом является то, что кривизна траектории частиц пропорциональна заряду частицы и магнитному полю, но обратно пропорциональна (обычно релятивистскому ) импульсу .

Циклотроны

60-дюймовый циклотрон Лоуренса с магнитными полюсами диаметром 60 дюймов (5 футов 1,5 метра) в Калифорнийского университета Радиационной лаборатории Лоуренса в Беркли, август 1939 года, самый мощный ускоритель в мире на тот момент. Гленн Т. Сиборг и Эдвин Макмиллан (справа) использовали его для открытия плутония , нептуния и многих других трансурановых элементов и изотопов, за что получили Нобелевскую премию по химии 1951 года.

Основная статья: Циклотрон

Самыми ранними действующими круговыми ускорителями были циклотроны , изобретенные в 1929 году Эрнестом Лоуренсом в Калифорнийском университете в Беркли . Циклотроны имеют одну пару полых D-образных пластин для ускорения частиц и один большой дипольный магнит, чтобы изгибать их путь на круговую орбиту. Характерным свойством заряженных частиц в однородном и постоянном магнитном поле B является то, что они вращаются по орбите с постоянным периодом на частоте, называемой циклотронной частотой , при условии, что их скорость мала по сравнению со скоростью света c . Это означает, что ускоряющие D циклотрона могут возбуждаться с постоянной частотой с помощью источника ВЧ-ускоряющей энергии, поскольку луч непрерывно движется наружу по спирали. Частицы впрыскиваются в центр магнита и извлекаются с внешнего края с максимальной энергией.

Циклотроны достигают энергетического предела из-за релятивистских эффектов , в результате чего частицы фактически становятся более массивными, так что их циклотронная частота не синхронизируется с ускоряющейся радиочастотой. Следовательно, простые циклотроны могут ускорять протоны только до энергии около 15 миллионов электронвольт (15 МэВ, что соответствует скорости примерно 10% от c ), поскольку протоны выходят из фазы движущего электрического поля. При дальнейшем ускорении луч будет продолжать двигаться по спирали наружу к большему радиусу, но частицы больше не будут набирать достаточную скорость, чтобы завершить больший круг в ногу с ускоряющимся RF. Чтобы учесть релятивистские эффекты, магнитное поле необходимо увеличить до более высоких радиусов, как это делается в изохронных циклотронах . Примером изохронного циклотрона является циклотрон PSI Ring в Швейцарии, который вырабатывает протоны с энергией 590 МэВ, что соответствует примерно 80% скорости света. Преимуществом такого циклотрона является максимально достижимый ток извлекаемых протонов, который в настоящее время составляет 2,2 мА. Энергия и ток соответствуют мощности пучка 1,3 МВт, что является самым высоким показателем среди всех существующих в настоящее время ускорителей.

Синхроциклотроны и изохронные циклотроны

Основные статьи: Синхроциклотрон и изохронный циклотрон

Магнит в синхроциклотроне в Орсе . протонной терапии центре

Классический циклотрон можно модифицировать, чтобы увеличить его энергетический предел. Исторически первым подходом был синхроциклотрон , ускоряющий частицы в сгустках. Он использует постоянное магнитное поле. $B$, но уменьшает частоту ускоряющего поля, чтобы частицы двигались по спирали наружу, согласуясь с их зависимой от массы циклотронного резонанса частотой . Недостатком этого подхода является низкая средняя интенсивность луча из-за группировки, а также необходимость в огромном магните большого радиуса и постоянного поля на большей орбите, что требует высокой энергии.

Второй подход к проблеме ускорения релятивистских частиц — изохронный циклотрон . В такой структуре частота ускоряющего поля (и частота циклотронного резонанса) поддерживается постоянной для всех энергий за счет формирования полюсов магнита таким образом, чтобы магнитное поле увеличивалось с радиусом. Таким образом, все частицы ускоряются в изохронные промежутки времени. Частицы с более высокой энергией перемещаются на каждой орбите на более короткое расстояние, чем в классическом циклотроне, таким образом оставаясь в фазе с ускоряющим полем. Преимущество изохронного циклотрона заключается в том, что он может генерировать непрерывные лучи более высокой средней интенсивности, что полезно для некоторых приложений. Основными недостатками являются размер и стоимость необходимого большого магнита, а также сложность достижения высоких значений магнитного поля, необходимых на внешнем крае конструкции.

Синхроциклотроны не строились с момента разработки изохронного циклотрона.

Синхротроны

Основная статья: Синхротрон

Аэрофотоснимок колец Тэватрона (кольцо на заднем плане) и главного инжектора (кольцо на переднем плане, которое на самом деле не круглое) в Фермилабе . Кольцо Тэватрона также содержит Главное Кольцо, и часть его до сих пор используется для последующих экспериментов. Главный инжектор внизу (около половины диаметра Тэватрона) предназначен для предварительного ускорения, охлаждения и хранения луча и т. д.

Чтобы достичь еще более высоких энергий, с релятивистской массой, приближающейся к массе покоя частиц или превышающей ее (для протонов — миллиарды электронвольт или ГэВ ), необходимо использовать синхротрон . Это ускоритель, в котором частицы ускоряются в кольце постоянного радиуса. Непосредственным преимуществом перед циклотронами является то, что магнитное поле должно присутствовать только в реальной области орбит частиц, которая намного уже, чем область кольца. (Самый большой циклотрон, построенный в США, имел магнитный полюс диаметром 184 дюйма (4,7 м), тогда как диаметр синхротронов, таких как LEP и LHC, составляет почти 10 км. Апертура двух лучей LHC имеет порядка сантиметра.) БАК содержит 16 радиочастотных резонаторов, 1232 сверхпроводящих дипольных магнита для управления лучом и 24 квадруполя для фокусировки луча. Даже при таком размере БАК ограничен своей способностью управлять частицами, не допуская их дрейфа. Предполагается, что этот предел возникает при энергии 14 ТэВ.

Однако, поскольку при ускорении импульс частицы увеличивается, необходимо пропорционально увеличить магнитное поле B, чтобы сохранить постоянную кривизну орбиты. Как следствие, синхротроны не могут ускорять частицы непрерывно, как это могут делать циклотроны, но должны работать циклически, подавая частицы сгустками, которые доставляются к мишени или внешнему лучу в виде «разливов» луча, обычно каждые несколько секунд.

Поскольку синхротроны высоких энергий выполняют большую часть своей работы над частицами, которые уже движутся со скоростью, близкой к скорости света c , время прохождения одного оборота кольца почти постоянно, как и частота резонаторов ВЧ-полости, используемых для управления ускорением. .

В современных синхротронах апертура пучка мала и магнитное поле не охватывает всю площадь орбиты частицы, как в циклотроне, поэтому можно разделить несколько необходимых функций. Вместо одного огромного магнита имеется ряд из сотен изгибающихся магнитов, охватывающих (или окруженных) вакуумными соединительными трубками. В начале 1950-х годов в конструкции синхротронов произошла революция с открытием концепции сильной фокусировки . Фокусировка луча осуществляется независимо специализированными квадрупольными магнитами , а само ускорение осуществляется в отдельных радиочастотных секциях, что очень похоже на короткие линейные ускорители. Кроме того, нет необходимости, чтобы циклические машины были круглыми, а лучевая труба может иметь прямые участки между магнитами, где лучи могут сталкиваться, охлаждаться и т. д. Это превратилось в целый отдельный предмет, получивший название «физика лучей» или «физика лучей». оптика".

Более сложные современные синхротроны, такие как Тэватрон, LEP и LHC, могут доставлять сгустки частиц в накопительные кольца магнитов с постоянным магнитным полем, где они могут продолжать вращаться по орбите в течение длительных периодов времени для экспериментов или дальнейшего ускорения. Машины с самой высокой энергией, такие как Тэватрон и БАК, на самом деле представляют собой ускорительные комплексы с каскадом специализированных элементов, соединенных последовательно, включая линейные ускорители для создания начального пучка, один или несколько синхротронов низкой энергии для достижения промежуточной энергии, накопительные кольца, в которых можно накапливается или «охлаждается» (уменьшает требуемую апертуру магнита и обеспечивает более точную фокусировку; см. Охлаждение луча ) и последнее большое кольцо для окончательного ускорения и экспериментов.

Сегмент электронного синхротрона в DESY

Электронные синхротроны

См. Также: Источник синхротронного света.

Круговые ускорители электронов несколько вышли из моды в физике элементарных частиц примерно в то время, когда был построен линейный ускоритель частиц SLAC , потому что их синхротронные потери считались экономически непомерно высокими, а интенсивность их пучка была ниже, чем у неимпульсных линейных машин. Корнеллский электронный синхротрон , построенный по низкой цене в конце 1970-х годов, был первым в серии высокоэнергетических кольцевых ускорителей электронов, созданных для физики фундаментальных частиц, последним из которых был LEP , построенный в ЦЕРНе и использовавшийся с 1989 по 2000 год.

За последние два десятилетия было построено большое количество электронных синхротронов как часть источников синхротронного света , излучающих ультрафиолетовое и рентгеновское излучение; см. ниже.

Источники синхротронного излучения

Основная статья: Источники синхротронного света

Некоторые круговые ускорители были построены для преднамеренной генерации излучения (так называемого синхротронного света ), поскольку рентгеновские лучи также называются синхротронным излучением, например, алмазный источник света , который был построен в лаборатории Резерфорда Эпплтона в Англии, или усовершенствованный источник фотонов в Аргоннской национальной лаборатории. в Иллинойсе , США. Высокоэнергетические рентгеновские лучи полезны рентгеновской спектроскопии белков для или тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей , например, (XAFS).

Синхротронное излучение сильнее испускается более легкими частицами, поэтому эти ускорители неизменно являются электронов ускорителями . Синхротронное излучение позволяет получать более качественные изображения, как это исследовали и разработали в SPEAR компании SLAC .

Ускорители переменного градиента с фиксированным полем

Основная статья: Ускоритель переменного градиента с фиксированным полем

Ускорители с переменным градиентом фиксированного поля (FFA) , в которых магнитное поле, фиксированное во времени, но с радиальным изменением для достижения сильной фокусировки , позволяет ускорять луч с высокой частотой повторения, но с гораздо меньшим радиальным разбросом. чем в случае циклотрона. Изохронные FFA, как и изохронные циклотроны, обеспечивают непрерывную работу луча, но без необходимости использования огромного дипольного изгибающего магнита, покрывающего весь радиус орбит. Освещены некоторые новые разработки в области FFA.

Родотрон

Схема родотрона. Электронный луч выделен красным. E — электронная пушка, L — электронная линза, C — радиочастотный резонатор, M — поворотный магнит.

Родотрон — это промышленный ускоритель электронов, впервые предложенный в 1987 году Ж. Поттье из французской атомной компании.Энергетическое агентство (CEA) , производства бельгийской компании Ion Beam Applications . Он ускоряет электроны, рециркулируя их по диаметру радиочастотного резонатора цилиндрической формы. Родотрон имеет электронную пушку, которая испускает электронный луч, который притягивается к столбу в центре полости. В столбе есть отверстия, через которые могут пройти электроны. Электронный луч проходит через столб через одно из этих отверстий, а затем проходит через отверстие в стенке полости и встречает изгибающий магнит, затем луч изгибается и направляется обратно в полость, к другому отверстию в столбе. затем электроны снова проходят через столб и проходят через другую часть стенки полости в другой изгибающий магнит и так далее, постепенно увеличивая энергию луча, пока он не сможет выйти из полости для использования. Цилиндр и колонна могут быть изнутри покрыты медью.

История

Основная статья: Список ускорителей в физике элементарных частиц

Первый циклотрон Эрнеста Лоуренса имел диаметр всего 4 дюйма (100 мм). Позже, в 1939 году, он построил машину с диаметром полюса 60 дюймов, а в 1942 году запланировал машину диаметром 184 дюйма , которая, однако, была принята на работу, связанную со Второй мировой войной урана , связанную с разделением изотопов ; после войны он продолжал служить в исследованиях и медицине на протяжении многих лет.

Первым большим протонным синхротроном был Космотрон в Брукхейвенской национальной лаборатории , который ускорял протоны примерно до 3 ГэВ (1953–1968). Беватрон антипротонов в Беркли, завершенный в 1954 году, был специально разработан для ускорения протонов до энергии, достаточной для создания , а также для проверки симметрии частиц и античастиц в природе, которая тогда была только теоретически обоснована. Синхротрон переменного градиента (AGS) в Брукхейвене (1960–) был первым большим синхротроном с переменным градиентом и « сильной фокусировкой » магнитами, которые значительно уменьшали требуемую апертуру луча и, соответственно, размер и стоимость изгибающих магнитов. Протонный синхротрон , построенный в ЦЕРНе (1959–), был первым крупным европейским ускорителем частиц и в целом похож на AGS.

Стэнфордский линейный ускоритель , SLAC, начал работать в 1966 году, ускоряя электроны до 30 ГэВ в волноводе длиной 3 км, закопанном в туннеле и питаемом сотнями больших клистронов . Это по-прежнему крупнейший из существующих линейных ускорителей, и в него были добавлены накопительные кольца и электрон-позитронный коллайдер. Это также источник синхротронных рентгеновских и УФ-фотонов.

Тэватрон Фермилаб . имеет кольцо с длиной пути луча 4 мили (6,4 км) Он претерпел несколько модернизаций и функционировал как протон-антипротонный коллайдер, пока не был остановлен из-за сокращения бюджета 30 сентября 2011 года. Самым большим из когда-либо построенных круговых ускорителей был LEP синхротрон в ЦЕРНе с окружностью 26,6 километров, который был электрон- позитронный коллайдер. Он достиг энергии 209 ГэВ, прежде чем был демонтирован в 2000 году, чтобы туннель можно было использовать для Большого адронного коллайдера (БАК). БАК — это протонный коллайдер и в настоящее время крупнейший в мире ускоритель с самой высокой энергией, достигающий энергии 6,5 ТэВ на луч (всего 13 ТэВ).

Прерванный Сверхпроводящий суперколлайдер (SSC) в Техасе имел окружность 87 км. Строительство было начато в 1991 году, но прекращено в 1993 году. Очень большие круговые ускорители неизменно строятся в туннелях шириной в несколько метров, чтобы свести к минимуму разрушения и стоимость строительства такой структуры на поверхности, а также обеспечить защиту от возникающего интенсивного вторичного излучения. которые обладают чрезвычайной проникающей способностью при высоких энергиях.

Современные ускорители, такие как источник расщепленных нейтронов , включают в себя сверхпроводящие криомодули . Релятивистский коллайдер тяжелых ионов и Большой адронный коллайдер также используют сверхпроводящие магниты и резонаторы с радиочастотным резонатором для ускорения частиц.

Цели

Выходная мощность ускорителя частиц обычно может быть направлена ​​на несколько линий экспериментов, по одному в определенный момент времени, с помощью отклоняющегося электромагнита . Это позволяет проводить несколько экспериментов без необходимости перемещать предметы или выключать весь луч ускорителя. За исключением источников синхротронного излучения, целью ускорителя является генерация частиц высокой энергии для взаимодействия с веществом.

Обычно это фиксированная цель, например люминофорное покрытие на задней стороне экрана в случае телевизионной трубки; кусок урана в ускорителе, спроектированном как источник нейтронов; или вольфрамовая мишень для генератора рентгеновского излучения. В линейном ускорителе мишень просто крепится к концу ускорителя. Траектория частицы в циклотроне представляет собой спираль, направленную наружу от центра круглой машины, поэтому ускоренные частицы выходят из фиксированной точки, как и в линейном ускорителе.

С синхротронами ситуация сложнее. Частицы ускоряются до нужной энергии. Затем быстродействующий дипольный магнит используется для переключения частиц из круглой синхротронной трубки в сторону мишени.

Разновидностью, обычно используемой для исследований в области физики элементарных частиц , является коллайдер , также называемый коллайдером с накопительным кольцом . Два круглых синхротрона строятся в непосредственной близости — обычно друг над другом и с использованием одних и тех же магнитов (которые имеют более сложную конструкцию для размещения обеих лучевых трубок). Сгустки частиц движутся в противоположных направлениях вокруг двух ускорителей и сталкиваются на пересечениях между ними. Это может значительно увеличить энергию; тогда как в эксперименте с фиксированной целью энергия, доступная для создания новых частиц, пропорциональна квадратному корню из энергии пучка, в коллайдере доступная энергия линейна.

Детекторы

Детекторы собирают информацию о частицах, включая их скорость и заряд. Используя их, ученые могут фактически работать с частицей. Процесс обнаружения очень сложен и требует сильных электромагнитов и ускорителей.

Высшие энергии

В настоящее время все ускорители самых высоких энергий — это круговые коллайдеры, но как ускорители адронов, так и ускорители электронов исчерпали свои возможности. Адронные и ионные циклические ускорители более высоких энергий потребуют ускорительных туннелей большего физического размера из-за повышенной жесткости пучка .

Для циклических ускорителей электронов ограничение на практический радиус изгиба накладывается потерями на синхротронное излучение, и следующим поколением, вероятно, будут линейные ускорители, длина которых в 10 раз превышает нынешнюю длину. Примером такого ускорителя электронов следующего поколения является предлагаемый Международный линейный коллайдер длиной 40 км .

Считается, что ускорение плазменного кильватерного поля в виде электронно-лучевых «форсажных камер» и автономных лазерных генераторов может обеспечить резкое повышение эффективности по сравнению с радиочастотными ускорителями в течение двух-трех десятилетий. В плазменных ускорителях кильватерного поля полость пучка заполнена плазмой (а не вакуумом). Короткий импульс электронов или лазерного света либо образует ускоряемые частицы, либо непосредственно предшествует им. Импульс разрушает плазму, заставляя заряженные частицы в плазме интегрироваться и двигаться к задней части сгустка ускоряемых частиц. Этот процесс передает энергию сгустку частиц, ускоряя его дальше, и продолжается до тех пор, пока импульс когерентен.

Градиенты энергии до 200 ГэВ/м были достигнуты на расстояниях миллиметрового масштаба с помощью лазерных генераторов импульсов. и градиенты, приближающиеся к 1 ГэВ/м, создаются в многосантиметровом масштабе с помощью электронно-лучевых систем, в отличие от предела около 0,1 ГэВ/м только для радиочастотного ускорения. Существующие ускорители электронов, такие как SLAC, могут использовать дожигатели электронных лучей, чтобы значительно увеличить энергию пучков частиц за счет интенсивности луча. Электронные системы в целом могут обеспечивать плотно коллимированные и надежные лучи; лазерные системы могут предложить большую мощность и компактность. Таким образом, плазменные ускорители кильватерного поля могут быть использованы – если удастся решить технические проблемы – как для увеличения максимальной энергии крупнейших ускорителей, так и для подачи высоких энергий в университетские лаборатории и медицинские центры.

Градиенты выше 0,25 ГэВ/м были достигнуты с помощью диэлектрического лазерного ускорителя. что может представить еще один жизнеспособный подход к созданию компактных ускорителей высоких энергий. С помощью лазерных импульсов фемтосекундной длительности зарегистрирован градиент ускорения электронов 0,69 ГэВ/м для диэлектрических лазерных ускорителей. более высокие градиенты порядка 1–6 ГэВ/м . После дальнейшей оптимизации ожидаются

Продвинутые концепции ускорителя

Концепция Advanced Accelerator Concepts включает в себя методы ускорения пучка с градиентами, превосходящими современные возможности действующих объектов. Сюда входят методы диагностики, технология синхронизации, особые потребности в инжекторах, согласование луча, динамика луча и разработка адекватного моделирования. Семинары, посвященные этой теме, проводятся в США (попеременные места) и в Европе, в основном на острове Эльба .Серия семинаров по концепциям передовых ускорителей, проходившая в США, стартовал как международный сериал в 1982 году. Серия европейских семинаров по концепциям передовых ускорителей стартовала в 2019 году. Темы, связанные с концепциями расширенных ускорителей:

• Лазерно- плазменное ускорение электронов и позитронов
• Лазерное и высокоградиентное структурное ускорение
• Ускорение с помощью луча
• Лазерно-плазменное ускорение ионов
• Источники луча, такие как электронная пушка , мониторинг и управление. См. физику ускорителя.
• Компьютерное моделирование для физики ускорителей
• Лазерная технология ускорения частиц
• электромагнитного излучения Генерация
• Мюонный коллайдер

Согласно обратной задаче рассеяния , любой механизм, с помощью которого частица производит излучение (когда кинетическая энергия частицы передается электромагнитному полю ), может быть инвертирован так, что тот же механизм излучения приводит к ускорению частицы (энергия поле излучения переводится в кинетическую энергию частицы). Верно и обратное: любой механизм ускорения можно инвертировать, чтобы передать энергию частицы в замедляющее поле, как в системе восстановления кинетической энергии . Это идея, позволяющая создать линейный ускоритель с рекуперацией энергии .Этот принцип, который также лежит в основе плазменных или диэлектрических ускорителей кильватерного поля, привел к нескольким другим интересным разработкам в концепциях передовых ускорителей:

• Черенковское излучение привело к созданию ускорителя обратного черенковского излучения.
• Лазер на свободных электронах привел к созданию обратного лазерного ускорителя на свободных электронах.
• Лазер также можно инвертировать для ускорения электронов.

Производство черных дыр и проблемы общественной безопасности

См. Также: Безопасность экспериментов по столкновению частиц высоких энергий.

В будущем может возникнуть возможность образования черных дыр на ускорителях самых высоких энергий, если некоторые предсказания теории суперструн окажутся точными. Эта и другие возможности привели к проблемам общественной безопасности , о которых широко сообщалось в связи с БАКом , который начал работу в 2008 году. В последней оценке риска, проведенной БАК, различные возможные опасные сценарии были оценены как не представляющие «мыслимой опасности». Группа оценки безопасности БАК. Если рождаются черные дыры, теоретически предсказывает, что такие маленькие черные дыры должны очень быстро испаряться за счет излучения Бекенштейна – Хокинга , но это пока экспериментально не подтверждено. Если коллайдеры могут создавать черные дыры, космические лучи (и особенно космические лучи сверхвысоких энергий , UHECR), должно быть, создавали их на протяжении тысячелетий, но они еще никому не причинили вреда. Утверждалось, что для сохранения энергии и импульса любые черные дыры, созданные в результате столкновения UHECR с местной материей, обязательно должны двигаться с релятивистской скоростью по отношению к Земле и должны уходить в космос по мере их аккреции и роста. должны быть очень медленными, в то время как черные дыры, созданные в коллайдерах (с компонентами одинаковой массы), будут иметь некоторую вероятность иметь скорость, меньшую скорости убегания от Земли, 11,2 км в секунду, и будут подвержены захвату и последующему росту. Однако даже при таких сценариях столкновения UHECR с белыми карликами и нейтронными звездами привели бы к их быстрому разрушению, но эти тела наблюдаются как обычные астрономические объекты. Таким образом, если необходимо создать стабильные микрочерные дыры, они должны расти слишком медленно, чтобы вызвать какие-либо заметные макроскопические эффекты в течение естественного существования Солнечной системы.

Оператор ускорителя

Использование передовых технологий, таких как сверхпроводимость, криогеника и мощные усилители радиочастоты, а также наличие ионизирующего излучения создают проблемы для безопасной эксплуатации ускорительных установок. Оператор ускорителя управляет работой ускорителя частиц, регулирует рабочие параметры, такие как соотношение сторон , сила тока и положение на цели. Они общаются с обслуживающим персоналом ускорителя и помогают ему обеспечивать готовность вспомогательных систем, таких как вакуумные , магнитные , магнитные и радиочастотные источники питания и управления, а также системы охлаждения. Кроме того, оператор ускорителя ведет учет событий, связанных с ускорителем.

См. также

• Физика ускорителей
• Атомный сокрушитель (значения)
• Компактный линейный коллайдер
• Диэлектрический настенный ускоритель
• Будущий круговой коллайдер
• Международный линейный коллайдер
• ВРЕМЯ
• Линейный ускоритель частиц
• Список ускорителей в физике элементарных частиц
• Импульсное уплотнение
• Ядерная трансмутация
• Рольф Видероэ
• Сверхпроводящий суперколлайдер

Внешние ссылки

• Для чего используются ускорители частиц?
• Стэнли Хамфрис (1999) Принципы ускорения заряженных частиц
• Ускорители частиц по всему миру
• Вольфганг К. Х. Панофски: Эволюция ускорителей частиц и коллайдеров , ( PDF ), Стэнфорд, 1997 г.
• П. Дж. Брайант, Краткая история и обзор ускорителей (PDF), ЦЕРН , 1994.
• Хейлброн, JL ; Роберт В. Зайдель (1989). Лоуренс и его лаборатория: история лаборатории Лоуренса в Беркли . Беркли: Издательство Калифорнийского университета . ISBN  978-0-520-06426-3 .
• Дэвид Кестенбаум, Массивный ускоритель частиц, набирающий обороты, статья в утреннем выпуске NPR от 9 апреля 2007 г.
• Рагнар Хеллборг, изд. (2005). Электростатические ускорители: основы и применение . Спрингер. ISBN  978-3-540-23983-3 .
• Аннотированная библиография по ускорителям частиц из цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос. Архивировано 7 октября 2010 г. в Wayback Machine.
• Accelerators-for-Society.org , чтобы узнать больше о применении ускорителей для исследований и разработок, энергетики и окружающей среды, здравоохранения и медицины, промышленности, определения характеристик материалов.