Ускоритель частиц своими руками
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 19.09.2024
Охлаждение обмоток сверхпроводящих электромагнитов Большого адронного коллайдера (LHC, Large Hadron Collider) в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) на границе Швейцарии и Франции подходит к завершению. Большинство из них уже достигли рабочей температуры всего на 2 градуса выше абсолютного нуля (–271o C), и учёные надеются начать разгон первых пучков частиц уже в следующем месяце. Если всё пойдёт как планируется, осенью встречные пучки протонов, движущихся со скоростью около 0,99999998 от скорости света, начнут сталкиваться. Число столкновений будет постепенно увеличиваться, приближаясь к запланированному уровню в миллиарды событий в секунду.
Радостное возбуждение учёных, погружённых в подготовку, наверное, крупнейшего научного эксперимента в истории человечества, можно понять. Однако у некоторых людей томление в ожидании старта LHC продолжает выливаться в уйму страхов вокруг истории о страшной чёрной дыре, которая возникнет в месте столкновения частиц и, быстро разрастаясь, через некоторое время пожрёт не только Женевский аэропорт и Юрские горы, но и всю нашу планету.
Вывод учёных: бояться нечего. Земля и Вселенная, скорее всего, выстоят.
Бесконечный эксперимент природы
Дело в том, что гигантские по меркам земных ускорителей энергии сначала в 5 Тэв, а потом и в 7 Тэв (тераэлектронвольт), до которых планируется разгонять частицы в 27-километровом кольце громадного ускорителя, для вселенной не новость. На самом деле частицы такой и большей энергии каждую секунду врезаются в скафандр космонавта, вышедшего из космического корабля. С той же частотой они бы бомбардировали и наши тела, не будь у Земли атмосферы. Воздушная оболочка частично спасает нас от этих частиц, и зовутся они космическими лучами.
Ученые из MIT придумали очень простой и дешевый способ создания примитивного мюонного детектора, который любой человек сможет собрать прямо дома из подручных материалов, чья стоимость не превышает 100 долларов США.
Каждую секунду в верхних слоях атмосферы Земли образуются миллионы мюонов – заряженных частиц, возникающих в результате столкновения космических лучей с молекулами газов в воздухе. Эти столкновения разгоняют мюоны до околосветовых скоростей, благодаря чему они проникают на десятки и сотни метров вглубь поверхности планеты. Каждый квадратный метр поверхности Земли, как показывают замеры ученых, поглощает около 10 тысяч этих частиц.
Эти частицы ученые сегодня начинают активно использовать для создания особых сканеров, способных искать пустоты и скрытые помещения в памятниках архитектуры древности. С разрешения правительства Египта, одна группа физиков уже ведет подобные эксперименты в пирамидах и гробницах древних фараонов с декабря прошлого 2015 года.
Подобные опыты, как обещают Спенсер Аксани (Spencer Axani) и его коллеги из Массачусетского технологического института в Кембридже (США), сегодня может вести каждый человек при помощи самодельного мюонного детектора размером с большой спичечный коробок, и двух обычных AA-батареек.
По словам ученых, прототипом и вдохновением для их "карманного детектора" послужили компактные мюонные датчики, которые многие "серьезные" ускорители частиц и лаборатории используют для калибровки приборов или для обнаружения других частиц, к примеру, нейтрино. Фактически, созданный ими прибор является упрощенной версией детектора PINGU, используемого в нейтринной обсерватории IceCube в Антарктике.
Детектор Аксани и его коллег состоит из небольшой алюминиевой емкости, заполненной флуоресцирующей жидкостью или пластиком, и набора фотодатчиков, которые покрывают ее поверхность изнутри. Эти датчики фиксируют вспышки излучения Вавилова-Черенкова, возникающие при прохождении мюона через воду, и определяющие его физические свойства по силе свечения, его продолжительности и другим параметрам.
И то и другое, по словам ученых, можно купить на аукционах eBay или у производителей подобных светящихся веществ и фотодатчиков напрямую за относительно небольшие деньги, особенно если будущие владельцы таких детекторов будет собирать их относительно большими партиями.
Данные, поступающие со световых датчиков, обрабатываются при помощи специальных программ, работающих на платформе дешевого микрокомпьютера Arduino, отсеивающих случайные срабатывания фотоматриц от настоящих прохождений мюонов через алюминиевую емкость. Общая стоимость всех этих деталей, в том числе и небольшого ЖК-экрана для вывода данных об уровне и параметрах мюонного потока, не превышает ста долларов США.
Как считают ученые, подобная низкая стоимость откроет мир физики частиц для широких масс студентов, школьников и любителей физики, а также поможет раскрыть природу космических лучей, которые порождают эти частицы, и поможет спецслужбам находить "тайные" ядерные реакторы и решать массу других задач.
Трудности ускорительной физики
Ускорители элементарных частиц нужны не только физикам, но и обычных людям. Из десятков тысяч ускорителей, которые сейчас существуют в мире, лишь около сотни работают по прямому назначению, для изучения микромира. Все остальные используются для решения прикладных задач в биологии, в материаловедении, в медицине и даже, как это ни странно, для изучения истории Древнего мира (вот лишь один пример). Краткое перечисление этих применений можно найти, например, в брошюре Accelerators and Beams, Tools for discovery and innovation (PDF, 7 Мб).
Главная задача ускорителя — ускорять электроны, протоны и другие частицы до нужных энергий. Конечно, энергия — это не единственная характеристика пучка частиц; обычно еще требуется, чтобы он был узким, интенсивным, хорошо сфокусированным, монохроматичным, с хорошим продольным профилем и т. д. Но первостепенной задачей является именно ускорение. Ускоряют заряженные частицы с помощью продольного электрического поля, и чем сильнее поле, тем более эффективным является ускорение. Пересчет поля в энергии тут элементарный. Если у вас внутри установки создано электрическое поле напряженностью 1 мегавольт на метр (МВ/м), то ускоряющий градиент составляет тот же 1 МэВ/м, то есть на каждом метре пути энергия электрона или протона увеличивается на 1 мегаэлектронвольт (МэВ). Если вы хотите ускорить электрон до энергии 100 ГэВ, будьте добры обеспечить 100-километровый участок с таким градиентом, либо придумайте, как его увеличить.
Ускоряющего поля напряженностью в мегавольты и даже десятки мегавольт на метр современная технология еще позволяет достичь. Обычно внутри специально изготовленной сверхпроводящей камеры сложной формы возбуждается мощная стоячая электромагнитная волна, которая подталкивает пролетающие сквозь нее частицы (проверить свои навыки ускорения частиц можно во флэш-игре LHC Game). Однако градиент больше нескольких десятков МэВ/м в таких камерах получить не удается — металл просто не выдерживает слишком сильного поля, происходит пробой камеры. Именно поэтому линейный электрон-позитронный коллайдер на энергию порядка 1 ТэВ будет длинным, несколько десятков километров, и, как следствие, довольно дорогим.
Другой вариант — сделать ускоритель не линейным, а циклическим, то есть кольцевым (см. устройство типичного ускорителя на интерактивном плакате). Частицы в нем постоянно циркулируют внутри кольцевой трубы, а не проходят всю дистанцию только один раз. Тогда ускорительную секцию можно поставить скромную, зато энергию можно увеличивать, казалось бы, без ограничений — ведь частицы будут пролетать ее миллионы раз в секунду. К сожалению, тут есть другая проблема. Частицы со слишком большой энергией трудно удерживать на кольцевой траектории. На линейном участке — пожалуйста, но как только частице нужно поворачивать, к ней надо прикладывать силу. А это достигается опять-таки за счет внешнего поля — на этот раз магнитного поля внутри поворотного магнита. Поскольку оно ограничено, приходится частицы поворачивать постепенно, то есть увеличивать радиус поворота. Поэтому кольцевые ускорители на большие энергии, например Большой адронный коллайдер, тоже получаются огромными.
В случае циклических ускорителей электронов возникает еще дополнительная проблема: электроны при повороте излучают электромагнитные волны и теряют энергию. Поэтому ускорительная секция должна, прежде всего, компенсировать потери энергии на каждом обороте, а уж потом увеличивать энергию. И когда на одно лишь поддержание энергии требуется тратить сотни мегаватт (!), дальнейшее ее повышение становится просто нерентабельным. А для линейной траектории таких проблем нет.
К счастью, для подавляющего большинства прикладных ускорителей это не проблема. Энергии там требуются небольшие, порядка сотен МэВ, их вполне можно получить и на установке размером несколько метров. Но остаются другие технические проблемы, начиная от высокотехнологического процесса изготовления ускорительных секций и заканчивая сложной инфраструктурой и большим энергопотреблением. Да и компактными такие ускорители не назовешь: под них в любом случае приходится выделять целое здание. О настольном, а тем более портативном ускорителе можно только мечтать.
Попытки разорвать заколдованный круг
Единственный способ резко уменьшить размеры ускорителей и удешевить их производство — найти новую технологию ускорения частиц, которая позволила бы увеличить ускоряющий градиент хотя бы до сотен МэВ/м. И надежды на это есть. Дело в том, что в принципе поле напряженностью в многие гигавольты на метр получить несложно; главная трудность — как его удерживать, ведь такое поле вызовет пробой металлических стенок.
У этих многообещающих технологий есть, впрочем, и недостатки. Первый — проблемы с масштабируемостью. О лазерных ускорителях вообще нечего говорить: там ускорение получается только однократным при прожигании одного листочка фольги. В лазерно-плазменных огромные поля продемонстрированы пока внутри маленькой камеры размером не более нескольких сантиметров. Для ускорения на большие энергии требуется состыковать множество таких камер друг с другом и синхронизовать образование плазменного пузырька во всех них. Вот эта задача пока остается нерешенной, хотя первые эксперименты по стыковке двух камер уже проведены.
Другая очевидная проблема — поведение пучка ускоряемых частиц. Ведь пучку приходится не только лететь сквозь саму плазму, но и постоянно проходить через стенки камер. Совместимо ли это с требуемыми параметрами пучков и их интенсивностью — вопрос сложный; в любом случае, приходится ломать голову над тем, как бы не испортить пучок ускорением.
И наконец, остается проблема со стоимостью. Даже если удастся создать, скажем, компактный протонный лазерный ускоритель для выжигания раковых опухолей, он всё равно будет использовать сверхмощный лазер, а это очень дорогая установка.
Впрочем, к чести лазерно-плазменных ускорителей надо сказать, что их потенциал далеко не исчерпан. Несколько месяцев назад была описана схема и проведено численное моделирование электронного ускорения в периодической плазменной структуре. Ускоряющие градиенты там получаются совсем заоблачные, много ТэВ/м. Если это удастся реализовать, то хиггсовские бозоны можно будет рождать в настольном ускорителе. Однако от идеи до экспериментальной реализации путь длинный, поэтому эти предложения лежат пока, скорее, в сфере желаемого, чем действительного.
Новая технология ускорения
Рис. 2. Электронная микрофотография прозрачного бруска из кварцевого стекла с вытравленными на нем периодическими бороздками. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.
В сложившейся ситуации с традиционными и лазерно-плазменными ускорителями кажется очень привлекательной еще одна методика — диэлектрический лазерный ускоритель. Не обещая огромных ускоряющих градиентов, эта схема подкупает своей простотой, масштабируемостью, компактностью и дешевизной. Она была предложена не так давно, и до сих пор всё ограничивалось только теоретическими исследованиями этого типа ускорителей. Но сейчас ситуация изменилась: на днях в журналах Nature и Physical Review Letters одновременно вышли две статьи, в которых сообщается о первой успешной реализации этого метода. Ускорение электронов, достигнутое в этих работах, пока что совершенно ничтожно, но за высокой эффективностью тут никто и не гнался — эти опыты лишь успешно доказали, что метод работает. Уже сейчас видно, как без труда улучшить все показатели пучков.
Обрисуем вкратце суть диэлектрического лазерного ускорения на примере статьи в Phys. Rev. Lett. В крошечном образце прозрачного диэлектрика (например, кварцевого стекла) вытравливаются длинные параллельные бороздки с периодом в долю микрона (рис. 2). Получается фазовая дифракционная решетка, но с очень маленьким периодом. Снизу сквозь стекло пропускают лазерный луч с длиной волны чуть больше, чем период решетки. А прямо над этой структурой, параллельно поверхности стекла, пролетает компактный электронный сгусток. Он чувствует только лазерный луч — направленный, заметьте, перпендикулярно движению электронов! — но именно этот лазерный свет его ускоряет (рис. 1).
Рис. 3. Принцип ускорения в диэлектрическом лазерном ускорителе. Лазерный свет, идущий снизу, создает над поверхностью переменное во времени и пространстве электрическое поле, направленное параллельно поверхности. Три последовательных изображения показывают конфигурацию поля в три последующих момента времени, разделенных на четверть периода колебания световой волны. Пролетая над поверхностью и попадая в это поле, заряженные частицы будут ускоряться (частица 1), замедляться (частица 2), или расходиться в стороны (частицы 3 и 4) в зависимости от их расположения. Изображение из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.
В другой статье, опубликованной в Nature, система лишь чуть-чуть сложнее. Там вместо одного стекла с бороздками использовались два, выставленные зубцами напротив друг друга и разделенные зазором в долю микрона (рис. 4, слева). Вся структура целиком имела примерно по полмиллиметра в длину и в ширину (рис. 4, справа). Лазерный луч тоже светил перпендикулярно поверхности, вдоль которой в зазоре летел электронный сгусток и разгонялся электрическим полем.
Рис. 4. Электронная микрофотография зазора между двумя решетками (слева) и вся структура целиком на кончике пальца (справа). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Ускоряющий градиент, достигнутый в первой статье, не слишком впечатляет: 25 МэВ/м (что, впрочем, уже сравнимо с рекордами традиционных ускорительных технологий). Однако такой скромный результат был получен только потому, что авторы статьи поставили перед собой более сложную задачу, чем обычно, — разогнать электроны, которые изначально были нерелятивистские. Релятивистские же электроны разгоняются намного эффективнее, и во второй статье речь идет уже о градиенте вплоть до 300 МэВ/м. Судя по всему, этот градиент можно будет повысить еще в несколько раз.
За счет чего в этом методе удается получать ускоряющий градиент на порядок сильнее, чем в традиционных технологиях? Да просто за счет того, что здесь используется не металл, а диэлектрик. Металл чувствительнее откликается на сильное электрическое поле, поскольку в нем есть свободные электроны. Поэтому те поля, которые вызовут пробой в металлической камере, диэлектрик еще держит. Исследования показали, что такие структуры из кварцевого стекла держат поле как минимум 9 ГВ/м, значит, градиент свыше 1 ГэВ/м в таком ускорителе кажется вполне реальным.
Достоинства новой технологии
Приведенное выше число, конечно, сильно превышает ускоряющие градиенты в современных ускорителях, но ему далеко до рекордов лазерно-плазменных ускорителей. Однако у диэлектрического ускорителя есть сразу несколько впечатляющих достоинств, которые делают его серьезным конкурентом.
Во-первых, его изготовление и управление несравненно проще, чем для традиционных или для лазерно-плазменных ускорителей. Нужные структуры легко и массово изготавливаются на уже существующих технологических линиях, например на тех, где производятся микрочипы. Сделать цельное стеклышко с несколькими идущими друг за другом структурами проще простого (рис. 5, слева). Лазер в обеих работах использовался самый обычный, коммерчески доступный, а вовсе не какой-то сверхмощный.
Во-вторых, диэлектрический ускоритель отлично масштабируется. Сделать много таких стекол, как на рис. 5, и установить их в одной вакуумной камере с аккуратным выравниванием по высоте, по-видимому, несложно. Синхронизацию по фазе добиться тоже легко: надо просто каждую структуру в этой цепочке запускать единым лазерным импульсом. Есть, правда, некая тонкость, как начать с нерелятивистских электронов и закончить ультрарелятивистскими, но, как показывает первая статья, она вполне преодолима. Поэтому компактные установки длиной в пару метров, ускоряющие частицы до сотен МэВ, кажутся вполне реальными.
В-третьих, большой плюс этой технологии ускорения состоит в том, что она полностью оптическая и практически непрерывная (то есть работает в течение длительного времени на импульсном лазере с миллионами импульсов в секунду). Не надо мучиться с электромагнитами, а тем более со сверхпроводниками, как в обычных ускорителях; не надо выстреливать сверхмощными световыми импульсами и прожигать фольгу, как в лазерных; не надо поддерживать плазму в специальных камерах и создавать в ней колеблющиеся пузыри с полем. Правильное стеклышко, вакуум и свет — это всё, что требуется для диэлектрического ускорения. Более того, поскольку в этом оптическом устройстве нет никаких движущихся частей, то возникает еще одно преимущество — исключительное быстродействие при переключении режимов.
Такая интересная комбинация преимуществ позволяет задуматься и о новых установках, которые поначалу не приходили в голову. Например, если не гнаться за энергией, но обеспечить компактность и монохроматичность электронного сгустка, а также контролируемое включение-выключение и отклонение, то можно получить новый (и притом очень компактный!) инструмент для сверхбыстрой электронной дифракции или время-разрешенной электронной микроскопии.
Конечно, некоторые трудности реализации пока остаются и здесь. Например, требуется обеспечить подходящие параметры пучка на входе в структуру; всё-таки ему надо втиснуться в зазор меньше микрона и не слишком расходиться в стороны. Для идеальной работы диэлектрического ускорителя требуется также, чтобы электронный пучок на входе был разбит на ультракороткие и равноотстоящие друг от друга сгустки. Однако раз уже сейчас есть работающие устройства, эти трудности, по-видимому, не принципиальны.
Физик Дмитрий Казаков об изучении элементарных частиц, устройстве коллайдеров и преимуществах линейных ускорителей
Над материалом работали
доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН, директор Лаборатории теоретической физики им. Н. Н. Боголюбова Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ)
Цель проекта: Исследование устройства ускорителей заряженных частиц.
С учетом поставленной цели необходимо решить ряд задач.
Задачи проекта:
изучить материал по теме
описать способ работы линейных ускорителей
описать способ работы циклических ускорителей
выводы по работе
ускорение частиц зависит только от действия электромагнитного поля.
большинство населения не знает об ускорителях заряженных частиц, не говоря уже, об их предназначении.
Назначение проекта:
предоставить информацию учащимся для более глубокого изучения раздела квантовой физики в программе школьного курса физики.
Ускоритель заряженных частиц – 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 ЦЕРН представляет собой кольцо длиной почти 27 километров.
Ускорители заряженных частиц - установки для ускорения заряженных частиц до энергий, при которых они могут использоваться для физических исследований, в промышленности и медицине. При сравнительно низких энергиях ускоренные частицы используют, например, для получения изображения на экране телевизора или электронного микроскопа, генерации рентгеновских лучей (электронно-лучевые трубки), разрушения раковых клеток, уничтожения бактерий. При ускорении заряженных частиц до энергий, превышающих 1 мегаэлектронвольт (МэВ) их используют для изучения структуры микрообъектов (например, атомных ядер) и природы фундаментальных сил. В этом случае ускорители заряженных частиц выполняют роль источников пробных частиц, зондирующих изучаемый объект.
В основе работы ускорителя заложены взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полем. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличить её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, 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.
Ускорители различаются типом ускоряемых частиц, характеристиками пучка (энергией, интенсивностью и др.), а также конструкцией. Наиболее распространены ускорители электронов и протонов, поскольку пучки этих частиц проще всего приготовить.
В современных ускорителях, предназначенных для изучения элементарных частиц, могут ускоряться античастицы (позитроны, антипротоны), и для увеличения эффективности использования энергии частиц их пучки в ряде установок, называемых коллайдерами, после завершения ускорительного цикла сталкиваются (встречные пучки).
Любой ускоритель конструктивно состоит из трёх частей – системы, где “изготавливаются” ускоряемые частицы (инжектор), ускорительной системы, где низкоэнергичные частицы от инжектора (обычно сформированные в виде локализованных в пространстве сгустков) увеличивают в высоком вакууме энергию до проектной, и системы транспортировки (вывода) пучка к экспериментальной установке.
Классификация ускорителей
Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц (электронов, протонов, мезонов и т.д.) Рис.1.
Любой ускоритель характеризуется типом ускоряемых частиц, разбросом частиц по энергиям и интенсивностью пучка. Ускорители подразделяются на непрерывные (равномерный во времени пучок) и импульсные (в них частицы ускоряются порциями – импульсами). Последние характеризуются длительностью импульса.
По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических и индукционных траекториями частиц являются окружности или спирали.
Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.
Рис. 1 Схема движущихся заряженных частиц
1.Линейные ускорители
Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)
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 высоковольтного ускорителя 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 четыре группы по типу генераторов, создающих высокое напряжение:
Ускоритель Ван де Граафа . Ускоряющее напряжение создаётся генератором Ван де Граафа, основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. В современных модификациях (пеллетронах) лента заменена цепью. Максимальные электрические напряжения ~20 МВ определяют максимальную энергию частиц ~20 МэВ.
Каскадный ускоритель . Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором (например, генератором Кокрофта Уолтона, который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ, преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя).
Трансформаторный ускоритель . Высокое переменное напряжение создаёт высоковольтный трансформатор, а пучок проходит в нужной фазе вблизи максимума электрического поля.
Импульсный ускоритель . Высокое напряжение создаётся импульсным трансформатором при разряде большого количества конденсаторов.
Линейный индукционный ускоритель
Ускорение в таком типе машин происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферримагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка.
Конструкция, реализующая данную идею, выглядит следующим образом, на сердечник из феррита (индуктор) наматывается первичная обмотка, через которую пропускается переменный ток, в феррите возникает переменное магнитное поле, которое создает вихревое, пронизывающее плоскость сердечника (рис. 2).
Рис. 2 Схема линейного индукционного ускорения
Линейный резонансный ускоритель
Ускорение заряженных частиц осуществляется переменным электрическим полем сверхвысокой частоты, синхронно изменяющимся с движением частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергий порядка десятков мегаэлектронвольт, электроны – до десятков гигаэлектронвольт. (рис. 3).
Рис. 3 Линейный резонансный ускоритель
2. Циклические ускорители
Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергий примерно 20 МэВ. Дальнейшее их ускорение в циклотроне ограничивается релятивистским возрастанием массы со скоростью, что приводит к увеличению периода обращения (он пропорционален массе) и синхронизм нарушается.
Ускорение релятивистских частиц в циклических ускорителях можно, однако, осуществить, если применять предложенный в 1944 г. советским физиком В. И. Векслером (1907–1966) и в 1945 г. американским физиком Э. Мак-Милланом (1907–1991) принцип автофазировки. Его идея заключается в том, что для компенсации увеличения периода вращения частиц, ведущего к нарушению синхронизма, изменяют либо частоту ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо то и другое.
Микротрон - циклический резонансный ускоритель, в котором, как и в циклотроне, и магнитное поле, и частота ускоряющего поля постоянны во времени, но резонансное условие в процессе ускорения всё же сохраняется за счёт изменения кратности ускорения q .
Микротрон – ускоритель непрерывного действия, и способен давать токи порядка 100 мА, максимальная достигнутая энергия порядка 30 Мэв (Россия, Великобритания). Реализация больших энергий затруднительна из-за повышенных требований к точности магнитного поля, а существенное повышение тока ограничено электромагнитным излучением ускоряемых электронов. Для длительного сохранения резонанса магнитное поле микротрона должно быть однородным. Такое поле не обладает фокусирующими свойствами по вертикали; соответствующая фокусировка производится электрическим полем резонатора. Предлагались варианты микротронов с меняющимся по азимуту магнитным полем (секторный микротрон), но сколько-нибудь значительного развития они пока не получили. (рис. 5)
Рис. 5 Микротрон
Фазотрон - циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (например, протонов, ионов, α -частиц), в котором управляющее магнитное поле постоянно, а частота ускоряющего электрического поля медленно изменяется с периодом. Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручивающейся спирали. Частицы в фазотроне ускоряются до энергий примерно равных 1 ГэВ (ограничения здесь определяются размерами фазотрона, так как с ростом скорости частиц растет радиус их орбиты). (рис. 6)
Рис. 6 Фазотрон
Синхротрон - циклический резонансный ускоритель ультрарелятивистских электронов, в котором управляющее магнитное поле изменяется во времени, а частота ускоряющего электрического поля постоянна. На рис. 7 схематически изображен синхротрон: 1 - инжектор электронов; 2 - поворотный магнит; 3 - пучок электронов; 4 - управляющий электромагнит; 5 - вакуумная тороидальная камера; 6 - ускоряющий промежуток. Внешний вид Томского синхротрона на 1,5 ГэВ представлен на рисунке. Электроны в разных синхротронах ускоряются до энергий 5 - 10 ГэВ.
Рис. 7 Схематическое изображение синхротрона
Синхрофазотрон - циклический резонансный ускоритель тяжелых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона. Здесь управляющее магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. (рис. 8)
Рис. 8 Синхрофазотрона
Бетатрон - 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 ~20 кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).
Благодаря простоте конструкции, дешевизне и удобству пользования бетатроны нашли особо широкое применение в прикладных целях в диапазоне энергии 20 50 МэВ. Используется непосредственно сам электронный пучок или тормозное γ -излучение, энергия которого может плавно изменяться.(рис. 9)
Рис 9. Бетатрон
Большой адронный коллайдер (БАК)
Коллайдер был назван большим из-за его основного кольца, длина которого составляет 26,659 километров. Адронным вследствие того, что в его недрах происходит ускорение адронов (частицы). А коллайдером из-за основного принципа действия устройства, которое основано на соударении пучков разноускоренных частиц.
Большой адронный коллайдер - это каскад ускорителей, в котором электрически заряженные элементарные частицы и ядра с помощью электромагнитного поля разгоняются до скоростей, близких к скорости света. Пучки частиц движутся в противоположных направлениях по огромному кольцу длиной 26 с небольшим километров и затем сталкиваются друг с другом в лобовых столкновениях, при этом огромная кинетическая энергия столкновения приводит к образованию кварк-глюонной плазмы и рождению из нее огромного числа частиц. Он был построен для изучения физики элементарных частиц и высоких энергий, а так же для поиска новых, еще неизвестных науке частиц. Большой Адронный Коллайдер является самой крупной экспериментальной установкой в мире. (рис. 10)
Рис 10. Большой адронный коллайдер
Изложенные выше ключевые физические идеи о способах возбуждения в плазме релятивистски сильных плазменных волн и их использовании для ускорения заряженных частиц позволили реализовать в первых экспериментах рекордно сильные электрические поля более чем на три порядка превышающие уровень, достижимый в вакуумных системах в радиодиапазоне. Эти результаты существенно усиливают интерес к исследованию ускорителей, использующих коллективные электрические поля в плазме и уже позволяют рассматривать конкретные проекты ускорителей.
Только дальнейшие исследования могут ответить на возникающие вопросы. В то же время полученные результаты уже сегодня позволяют построить компактные ускорители с умеренной энергией частиц (порядка 1 ГэВ), не требующие сложных и громоздких высоковольтных устройств. Подобные ускорители могут найти широкое применение в науке, медицине и промышленности, открывая подчас совершенно новые возможности, неосуществимые при использовании традиционных систем.
Поставленные задачи – были решены, путём ознакомления с материалом и принципом работы ускорителей.
Проблема решена путём возможности доступа к ознакомлению информацией как учащихся школы, так и неопределенного круга лиц.
Гипотеза частично подтверждена , т.к. в основе ускорителей лежит не только действие электрических и магнитных полей, как изначально предполагалось, но есть прямая зависимость от вида ускоряемых частиц, разброса частиц по энергиям и интенсивности пучка, а также от конструкции ускорителя .
Список литературы:
Ананьев Л. М., Воробьёв А. А., Горбунов В. И . Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. Госатомиздат , 1961.
Коломенский Д. Д., Лебедев А. Н. Теория циклических ускорителей. М.: Физматгиз , 1962.
Бабат Г. И. Ускорители. - [М.]: Мол. гвардия, 1957. - 80 с. - 50 000 экз.
Ратнер, Б. С. Ускорители заряженных частиц. -М.: Наука, 1966. - 151 с.
Комар, Е. Г. Ускорители заряженных частиц. - М.: Атомиздат, 1964. - 388 с.
Ливингстон, М. Стенли. Ускорители. Установки для получения заряженных частиц больших энергий. - М.: Изд-во иностр. лит., 1956. - 148 с.
Быстров Ю. А., Иванов С. А. Ускорительная техника и рентгеновские приборы. - М.: Высшая школа, 1983. - 288 с.
Читайте также: