Історія розвитку прискорювачів заряджених частинок

Реферат на тему:

Прискорювачі заряджених частинок - пристрої для одержання заряджених частинок (електронів, протонів, атомних ядер, іонів) великих енергій. Прискорення здійснюється за допомогою електричного поля, здатного змінювати енергію частинок, що мають електричний заряд. Магнітне поле може лише змінити напрямок руху заряджених частинок, не змінюючи величини їх швидкості, тому в прискорювачах воно застосовується для управління рухом частинок (формою траєкторії). Зазвичай електричне поле, що прискорює, створюється зовнішніми пристроями (генераторами). Але можливе прискорення з допомогою полів, створюваних іншими зарядженими частинками; такий метод прискорення називається колективним. Прискорювач заряджених частинок слід відрізняти від плазмових прискорювачів, у яких відбувається прискорення в середньому електрично нейтральних потоків заряджених частинок (плазми).

Опис прискорювача заряджених частинок

Прискорювач заряджених частинок – один із основних інструментів сучасної фізики. Прискорювачі є джерелами як пучків первинних прискорених заряджених частинок, так і пучків вторинних частинок (мезонів, нейтронів, фотонів та ін), одержуваних при взаємодії первинних прискорених частинок з речовиною. Пучки частинок великих енергій використовуються вивчення природи та властивостей елементарних частинок, в ядерної фізики, у фізиці твердого тіла. Все більше застосування вони знаходять і при дослідженнях в інших областях: в хімії, біофізиці, геофізиці. Розширюється значення прискорювача заряджених частинок різних діапазонів енергій у металургії – для виявлення дефектів деталей та конструкцій (дефектоскопія), у деревообробній промисловості – для швидкоївисокоякісної обробки виробів, у харчовій промисловості – для стерилізації продуктів, у медицині – для променевої терапії, для «безкровної хірургії» та в ряді ін. галузей.

Стартовою точкою прискорювача є джерело заряджених частинок. Наприклад, джерелом електронів може бути будь-який нагрітий шматок металу, з якого постійно вискакують електрони і відразу повертаються назад. Якщо поруч помістити дротяну сітку і прикласти до неї напругу, ці електрони потягнуться до неї і, пролетівши наскрізь, спрямують до екрана-анода, утворивши пучок часток невисокої енергії. Саме так працює «домашній прискорювач на 10 кеВ» - електронно-променева трубка у старих телевізорах.

10 кеВ — це дуже невелика енергія, вивчення ядерних явищ її недостатньо. Тому епоху прискорювальної техніки фізики відраховують від початку 1930-х років, коли з'явилися дві схеми прискорення частинок до енергій близько 1 МеВ. У 1932 році Джон Дуглас Кокрофт та Еренст Уолтон у Кембриджі сконструювали каскадний 800-кіловольтний генератор постійної напруги, який відкрив нову еру в експериментальній ядерній фізиці. Вже в першому своєму експерименті вони направили пучок прискорених протонів на мішень з літію-7 і спостерігали справжнісіньку ядерну реакцію: ядро літію захоплювало протон і потім розвалювалося на дві альфа-частинки.

Прилад Видерое був суто демонстраційним. Перший «робочий» лінійний прискорювач збудували 1932 року співробітники Кавендіської лабораторії Джон Кокрофт та Ернест Уолтон, через 19 років удостоєні Нобелівської премії. Ця машина розганяла протони до енергії 500 КэВ, що дозволило зламати ядра літію: ядро літію захоплювало протон і потім розвалювалося на дві альфа-частинки.

У 1930-ті роки ця система (так званий каскадний генератор)використовувалася досить широко, але лише для отримання енергій до 1 МеВ (у цій якості її використовують і досі). А ось схема Ізинга має куди кращі можливості. За ідеєю, вона дуже проста. Заряджена частка залишає джерело і летить вакуумною камерою крізь безліч співвісних порожнистих металевих трубок, розташованих уздовж прямої лінії. На ці трубки подається змінне електричне поле, яке частка відчуває, лише коли пролітає через зазор (всередині трубок воно екранується). Таким чином, у трубках частки летять за інерцією — дрейфують (тому трубки називають дрейфовими). Частота коливань електричного потенціалу підібрана так, щоб при проходженні кожного зазору частка прискорювалася, а не гальмувалась. Набравши розрахункову енергію, частки потрапляють на мету (практично їх доводиться додатково фокусувати, наприклад, з допомогою магнітних лінз). Зрозуміло, що параметри дрейфових трубок визначаються видом часток, що прискорюються.

Лоуренс хотів побудувати протонний циклотрон на 100 МеВ, але втрутилися закони фізики. За порогом 20 МеВ протони розганяються настільки сильно, що набувають чинності формули спеціальної теорії відносності. Коли маса частки починає зростати, частота її звернення, звісно, знижується, і частка виходить із резонансу. Найбільші циклотрони, побудовані в Окриджській національній лабораторії США і Стокгольмському Нобелівському інституті, могли розігнати протони до 22 МеВ, а ядра дейтерію — до 24 МеВ. Для досягнення великих енергій потрібні циклічні прискорювачі, які можуть забезпечити стабільну відповідність фази руху частки, що прискорює поле. Циклотрон на таке не здатний. Щоб релятивістські частки продовжували розганятися в резонансному режимі, потрібно або поступово збільшувати напруженість магнітного поля (тим самимзменшуючи радіус їх траєкторії), або зменшувати частоту коливань електричного потенціалу на дуантах, змушуючи її слідувати за зниженням частоти обігу частинок, або узгоджено змінювати параметри обох полів. Будемо, наприклад, діяти за допомогою одного електричного поля. Допустимо, ми визначили, як знижувати його частоту. Виявляється, цього замало. Початкові швидкості частинок нічого очікувати абсолютно однаковими; крім того, під час відкачування повітря деяка частка частинок зіткнеться з його молекулами і зіб'ється з курсу. Прискорювач зможе працювати, лише якщо з часом кількість таких відхилень скорочуватиметься і частки повернуться на правильні траєкторії. В іншому випадку всі частинки швидко вийдуть з резонансу. І ось тут на допомогу приходить ефект автофазування, відкритий незалежно один від одного радянським ученим Володимиром Векслером за сприяння Євгена Фейнберга і, трохи пізніше, американцем Едвін Макміллан. Вони довели, що кільцеві резонансні прискорювачі можуть вийти за циклотронну межу та розігнати частинки практично до будь-яких енергій — за допомогою особливого режиму коливань електричного потенціалу, який автоматично коригує невеликі відхилення частинок від розрахункової фази (її називають рівноважною) і тим самим зберігає резонансне прискорення. . Якби не цей режим, можливості кільцевих прискорювачів були б обмежені максимумом циклотронних енергій (зауважимо, що механізм автофазування працює і в лінійних резонансних прискорювачах). Після відкриття автофазування були створені та втілені в металі різні конструкції прискорювачів. Машину з постійним магнітним полем та електричним полем змінної частоти в англомовній літературі прийнято називати синхроциклотроном, а в радянській – фазотроном. У синхроциклотроні, як і в циклотроні, часткирухаються по спіралі, що розкручується. Прискорювачі, у яких зростання енергії частинок супроводжується збільшенням напруженості магнітного поля, називаються синхротронами. Синхротрони будують у вигляді кільцевих тунелів, оточених електромагнітами, так що частки там рухаються орбітами постійного радіусу. У електронного синхротрона частота електричного поля незмінна (оскільки електрони там рухаються майже зі світловою швидкістю), а ось у протонного синхротрона цей показник варіює. Першу таку машину (Коглядон) з вакуумною камерою 23-метрового діаметру запустили в Брукхейвені в 1952 році. Спочатку вона прискорювала протони до 2,3 ГеВ, а після повного доведення - до 3,3 ГеВ. У 1953 році в Бірмінгемському університеті вступив в дію менш просунутий протонний синхротрон на 1 ГеВ. У наступні роки їх енергія зросла до кількох ГеВ і на них було здійснено багато відкриття фізики елементарних частинок. У 1954 році запрацював прискорювач у Берклі, який роком пізніше вийшов на енергію 6,2 ГеВ (саме на ньому вперше отримали антипротони). У 1957 році було запущено синхрофазотрон у Дубні на 10 ГеВ. Усі найбільші циклічні протонні прискорювачі – синхрофазотрони.

В основі багатьох сучасних прискорювачів, зокрема LHC, лежить принцип синхрофазотрону.

Через кілька років після прозрінь Векслера і Макміллана фізики здійснили новий прорив на шляху до вищих енергій. У Коглядоні та інших синхротронах першого покоління частинки подорожували магнітним полем, яке поступово спадає при збільшенні радіусу. Його силові лінії мають бочкоподібну форму, завдяки чому частинкифокусуються як по радіусу, а й у вертикалі; Інакше кажучи, таке поле не дає частинкам йти з площини орбіти. Подібна конфігурація магнітного поля не ідеальна. Вона дозволяє отримувати лише досить широкі пучки (а для обстрілу мішеней краще стискати пучки сильніше, збільшуючи їх щільність) і до того ж вимагає будівництва дуже великих і тому дорогих машин. Маса магнітної системи дубнінського синхрофазотрона, де реалізовано таке фокусування, дорівнює 36 000 тонн. Витрати на системи з значно більшою масою зашкалювали б за всі розумні межі. Ця проблема була вирішена в середині минулого століття. У 1949 році грецький фізик Ніколас Христофілос показав, що рухом частинок можна керувати за допомогою великої кількості прилеглих один до одного електромагнітів, що чергують сильне спадання магнітного поля по радіусу вакуумної камери з сильним його наростанням. Однак він виклав свої результати лише у формі патентної заявки, тому його відкриття тоді залишилося непоміченим. Через три роки до тієї ж ідеї прийшли американці Ернест Курант, Стенлі Лівінгстон і Хартланд Снайдер. Цей метод отримав назву сильного фокусування (фокусування за допомогою радіально спадного поля називається слабким). Він посилив вимоги до регулювання прискорюючого електричного поля, проте дозволив краще фокусувати пучки по радіусу і вертикалі і сповільнив зростання розмірів прискорювачів.

Наступним етапом в історії прискорювальної техніки стало створення колайдерів - прискорювачів із зустрічними пучками, де два пучки частинок розкручуються в протилежних напрямках і стикаються один з одним. Спочатку цю ідею висловив і навіть запатентував 1943 року норвезький фізик Рольф Відероє (Rolf Wideröe), проте реалізована вона була лише на початку 1960-х років трьома.незалежними командами дослідників: італійською групою під керівництвом австрійця Бруно Тушека (Bruno Touschek), американцями під керівництвом Джерарда О'Нейлла (Gerard K. O'Neill) та Вольфганга Пановськи (Wolfgang K.H. Panofsky) та новосибірською групою, очолив. Будкер.

До того моменту всі експерименти проводились із нерухомою мішенню. Коли високоенергетична частка налітає на нерухому частинку, народжені продукти зіткнення летять вперед з великою швидкістю, і саме на їхню кінетичну енергію витрачається основна частка енергії пучків. Якщо ж стикаються однакові частинки, що летять назустріч один одному, то більша частина їх енергії витрачається за прямим призначенням: на народження частинок. За формулами релятивістської механіки можна обчислити повну енергію в системі центру мас - саме цю частину енергії вихідних частинок можна витратити на народження нових частинок. У першому випадку це приблизно, а в другому 2E. Якщо частинки ультрарелятивістські, E >> mc2, то в колайдерах на зустрічних пучках можуть народжуватися набагато важчі частки, ніж в експериментах з нерухомою мішенню при тій же енергії пучка.

Схема розташування Великого адронного колайдера

У 2008 році в дію вступає найпотужніший прискорювач, коли-небудь побудований людиною, - Великий адронний колайдер, LHC, з енергією протонів 7 ТеВ. Він знаходиться у підземному кільцевому тунелі завдовжки 27 км на кордоні Швейцарії та Франції. Фізики сподіваються, що результати LHC спричинять новий прорив у розумінні глибинного устрою нашого світу.

Зараз прискорювачі підійшли до своєї конструкційної межі. Істотне збільшення енергії частинок стане можливим лише якщо колайдери стануть лінійними і буде реалізована більш ефективна методика прискорення частинок.Прорив обіцяє лазерна чи лазерно-плазмова методика прискорення. У ній короткий, але потужний лазерний імпульс або безпосередньо розганяє заряджені частинки, або створює обурення в хмарі плазми, яке підхоплює згусток електронів, що пролітає, і різко його прискорює. Для успішного застосування цієї схеми в прискорювачі потрібно подолати ще чимало труднощів (навчитися стиковувати один з одним кілька прискорюючих елементів, впоратися з великим кутовим розбіжністю, а також розкидом по енергії прискорених частинок), але перші результати дуже обнадіюють.