Линейные ускорители заряженных частиц. Как работают ускорители заряженных частиц. Зачем нужны ускорители заряженных частиц?

Ускоритель заряженных частиц – это устройство, в котором создается пучок электрически заряженных атомных или субатомных частиц, движущихся с околосветовыми скоростями. В основу его работы положено увеличение их энергии электрическим полем и изменение траектории - магнитным.

Для чего нужны ускорители заряженных частиц?

Данные устройства нашли широкое применение в различных областях науки и промышленности. На сегодняшний день во всем мире их насчитывается более 30 тысяч. Для физика ускорители заряженных частиц служат инструментом фундаментальных исследований структуры атомов, характера ядерных сил, а также свойств ядер, которые в природе не встречаются. К последним относятся трансурановые и другие неустойчивые элементы.

С помощью разрядной трубки стало возможным определение удельного заряда. Ускорители заряженных частиц также используются для производства радиоизотопов, в промышленной радиографии, лучевой терапии, для стерилизации биологических материалов, а также в радиоуглеродном анализе. Самые большие установки применяются в исследованиях фундаментальных взаимодействий.

Время жизни заряженных частиц, покоящихся относительно ускорителя, меньше, чем у частиц, разогнанных до скоростей, близких к скорости света. Это подтверждает относительность промежутков времени СТО. Например, в ЦЕРН было достигнуто увеличение времени жизни мюонов на скорости 0,9994c в 29 раз.

В данной статье рассматривается то, как устроен и работает ускоритель заряженных частиц, его развитие, различные типы и отличительные черты.

Принципы ускорения

Независимо от того, какие ускорители заряженных частиц вам известны, все они обладают общими элементами. Во-первых, все они должны иметь источник электронов в случае телевизионного кинескопа или электронов, протонов и их античастиц в случае более крупных установок. Кроме того, все они должны иметь электрические поля для ускорения частиц и магнитные поля для управления их траекторией. Кроме того, вакуум в ускорителе заряженных частиц (10^-11 мм рт. ст.), т. е. минимальное количество остаточного воздуха, необходим для обеспечения длительного времени жизни пучков. И, наконец, все установки должны обладать средствами регистрации, подсчета и измерения ускоренных частиц.

Генерация

Электроны и протоны, которые наиболее часто используются в ускорителях, встречаются во всех материалах, но сперва их нужно из них выделить. Электроны, как правило, генерируются точно так же, как в кинескопе – в устройстве, которое называется «пушкой». Она представляет собой катод (отрицательный электрод) в вакууме, который нагревается до состояния, когда электроны начинают отрываться от атомов. Отрицательно заряженные частицы притягиваются к аноду (положительному электроду) и проходят через выпускное отверстие. Сама пушка также является простейшим ускорителем, так как электроны движутся под действием электрического поля. Напряжение между катодом и анодом, как правило, находится в пределах 50–150 кВ.

Помимо электронов, во всех материалах содержатся протоны, но из одиночных протонов состоят лишь ядра атомов водорода. Поэтому источником частиц для ускорителей протонов является газообразный водород. В этом случае газ ионизируется и протоны выходят через отверстие. В больших ускорителях протоны часто образуются в виде отрицательных ионов водорода. Они представляют собой атомы с дополнительным электроном, которые являются продуктом ионизации двухатомного газа. С отрицательно заряженными ионами водорода на начальных этапах работать легче. Потом их пропускают через тонкую фольгу, которая лишает их электронов перед финальной стадией ускорения.

Разгон

Как работают ускорители заряженных частиц? Ключевой особенностью любого из них является электрическое поле. Простейший пример – равномерное статическое поле между положительными и отрицательным электрическими потенциалами, подобное тому, которое существует между выводами электрической батареи. В таком поле электрон, несущий отрицательный заряд, подвержен действию силы, которая направляет его к положительному потенциалу. Она ускоряет его, и, если нет ничего, что бы этому препятствовало, его скорость и энергия возрастают. Электроны, движущиеся в сторону положительного потенциала по проводу или даже в воздухе, сталкиваются с атомами и теряют энергию, но если они находятся в вакууме, то ускоряются по мере приближения к аноду.

Напряжение между начальным и конечным положением электрона определяет приобретенную им энергию. При движении через разность потенциалов в 1 В она равна 1 электрон-вольту (эВ). Это эквивалентно 1,6 × 10^-19 джоуля. Энергия летящего комара в триллион раз больше. В кинескопе электроны разгоняются напряжением свыше 10 кВ. Многие ускорители достигают гораздо более высоких энергий, измеряемых мега-, гига- и тераэлектрон-вольтами.

Разновидности

Некоторые самые ранние виды ускорителей заряженных частиц, такие как умножитель напряжения и генератор Ван-де-Граафа, использовали постоянные электрические поля, создаваемые потенциалами до миллиона вольт. С такими высокими напряжениями работать нелегко. Более практичной альтернативой является повторяющееся действие слабых электрических полей, создаваемых низкими потенциалами. Это принцип используется в двух типах современных ускорителей – линейных и циклических (главным образом в циклотронах и синхротронах). Линейные ускорители заряженных частиц, кратко говоря, пропускают их один раз через последовательность ускоряющих полей, в то время как в циклическом они многократно движутся по круговой траектории через относительно небольшие электрические поля. В обоих случаях конечная энергия частиц зависит от суммарного действия полей, так что многие малые «толчки» складываются вместе, чтобы дать совокупный эффект одного большого.

Повторяющийся структура линейного ускорителя для создания электрических полей естественным образом предполагает использование переменного, а не постоянного напряжения. Положительно заряженные частицы ускоряются к отрицательному потенциалу и получают новый толчок, если проходят мимо положительного. На практике напряжение должно изменяться очень быстро. Например, при энергии 1 МэВ протон движется на очень высоких скоростях, составляющих 0,46 скорости света, проходя 1,4 м за 0,01 мс. Это означает, что в повторяющейся структуре длиной в несколько метров, электрические поля должны менять направление с частотой, по меньшей мере, 100 МГц. Линейные и циклические ускорители заряженных частиц, как правило, разгоняют их с помощью переменных электрических полей частотой от 100 до 3000 МГц, т. е. в пределах от радиоволн до микроволн.

Электромагнитная волна является комбинацией переменных электрических и магнитных полей, колеблющихся перпендикулярно друг к другу. Ключевым моментом ускорителя является настройка волны таким образом, чтобы при прибытии частицы электрическое поле было направлено в соответствии с вектором ускорения. Это может быть сделано с помощью стоячей волны – комбинации волн, движущихся в противоположных направлениях в замкнутом пространстве, как звуковые волны в органной трубе. Альтернативным вариантом для очень быстро перемещающихся электронов, скорость которых приближается к скорости света, является бегущая волна.

Автофазировка

Важным эффектом при ускорении в переменном электрическом поле является «автофазировка». В одном цикле колебания переменное поле проходит от нуля через максимальное значение снова до нуля, падает до минимума и поднимается к нулю. Таким образом, оно дважды проходит через значение, необходимое для ускорения. Если частица, скорость которой возрастает, прибывает слишком рано, то на нее не будет действовать поле достаточной силы, и толчок будет слабым. Когда она достигнет следующего участка, то опоздает и испытает более сильное воздействие. В результате произойдет автофазировка, частицы будут находиться в фазе с полем в каждой ускоряющей области. Другим эффектом будет их группировка во времени с образованием сгустков, а не непрерывного потока.

Направление пучка

Важную роль в том, как устроен и работает ускоритель заряженных частиц, играют и магнитные поля, так как они могут изменять направление их движения. Это означает, что их можно использовать для «сгибания» пучков по круговой траектории, чтобы они несколько раз проходили через один и тот же ускоряющий участок. В простейшем случае на заряженную частицу, движущуюся под прямым углом к ​​направлению однородного магнитного поля, действует сила, перпендикулярная как к вектору ее перемещения, так и к полю. Это заставляет пучок двигаться по круговой траектории перпендикулярной полю, пока он не выйдет из области ее действия или другая сила не начнет действовать на него. Этот эффект используется в циклических ускорителях, таких как циклотрон и синхротрон. В циклотроне постоянное поле создается большим магнитом. Частицы по мере роста их энергии движутся по спирали наружу, ускоряясь с каждым оборотом. В синхротроне сгустки перемещаются по кольцу с постоянным радиусом, а поле, создаваемое электромагнитами вокруг кольца, увеличивается, поскольку частицы ускоряются. Магниты, обеспечивающие «изгиб», представляют собой диполи с северным и южным полюсами, согнутыми в виде подковы таким образом, что пучок может проходить между ними.

Второй важной функцией электромагнитов является концентрация пучков, чтобы они были настолько узкими и интенсивными, насколько это возможно. Простейшая форма фокусирующего магнита – с четырьмя полюсами (двумя северными и двумя южными), расположенными напротив друг друга. Они толкают частицы к центру в одном направлении, но позволяют им распространяться в перпендикулярном. Квадрупольные магниты фокусируют луч по горизонтали, позволяя ему выйти из фокуса вертикально. Для этого они должны использоваться попарно. Для более точной фокусировки также используются более сложные магниты с большим числом полюсов (6 и 8).

Поскольку энергия частиц возрастает, сила магнитного поля, направляющая их, увеличивается. Это удерживает пучок на одной траектории. Сгусток вводят в кольцо и ускоряют до необходимой энергии, прежде чем он будет выведен и использован в экспериментах. Отвод достигается за счет электромагнитов, которые включаются, чтобы вытолкнуть частицы из синхротронного кольца.

Столкновение

Ускорители заряженных частиц, используемые в медицине и промышленности, в основном производят пучок для конкретной цели, например, для лучевой терапии или имплантации ионов. Это означает, что частицы используются один раз. В течение многих лет то же самое было верно для ускорителей, применяемых в фундаментальных исследованиях. Но в 1970 годах были разработаны кольца, в которых два пучка циркулируют в противоположных направлениях и сталкиваются по всему контуру. Основным преимуществом таких установок является то, что при лобовом столкновении энергия частиц переходит непосредственно в энергию взаимодействия между ними. Это контрастирует с тем, что происходит, когда пучок сталкивается с покоящимся материалом: в этом случае большая часть энергии уходит на приведение материала мишени в движение, в соответствии с принципом сохранения импульса.

Некоторые машины со встречными пучками построены с двумя кольцами, пересекающимися в двух и более местах, в которых в противоположных направлениях циркулировали частицы одного типа. Более распространены коллайдеры с частицами и античастицами. Античастица имеет противоположный заряд связанной с ней частицы. Например, позитрон заряжен положительно, а электрон – отрицательно. Это означает, что поле, которое ускоряет электрон, замедляет позитрон, движущийся в том же направлении. Но если последний перемещается в противоположную сторону, он ускорится. Аналогично электрон, движущийся через магнитное поле, будет изгибаться налево, а позитрон – вправо. Но если позитрон перемещается навстречу, то его путь будет по-прежнему отклоняться вправо, но по той же кривой, что и электрон. Вместе это означает, что данные частицы могут двигаться по кольцу синхротрона благодаря одним и тем же магнитам и ускоряться одними и теми же электрическими полями в противоположных направлениях. По этому принципу созданы многие мощнейшие коллайдеры на встречных пучках, т. к. требуется только одно кольцо ускорителя.

Луч в синхротроне не движется непрерывно, а объединен в «сгустки». Они могут иметь несколько сантиметров в длину и десятую долю миллиметра в диаметре, и содержат около 10¹² частиц. Это небольшая плотность, поскольку в веществе подобных размеров содержится около 10²³ атомов. Поэтому, когда пучки пересекаются со встречными, существует лишь небольшая вероятность того, что частицы будут взаимодействовать друг с другом. На практике сгустки продолжают движение по кольцу и встречаются снова. Глубокий вакуум в ускорителе заряженных частиц (10^-11 мм рт. ст.) необходим для того, чтобы частицы могли циркулировать в течение многих часов без столкновения с молекулами воздуха. Поэтому кольца еще называют накопительными, поскольку пучки фактически хранятся в них в течение нескольких часов.

Регистрация

Ускорители заряженных частиц в большинстве своем могут регистрировать происходящее при попадании частиц в мишень или в другой пучок, движущийся в противоположном направлении. В телевизионном кинескопе электроны из пушки ударяют в люминофор на внутренней поверхности экрана и излучают свет, который, таким образом, воссоздает передаваемое изображение. В ускорителях подобные специализированные детекторы реагируют на рассеянные частицы, но они обычно предназначены для создания электрических сигналов, которые могут быть преобразованы в компьютерные данные и проанализированы с помощью компьютерных программ. Только заряженные элементы создают электрические сигналы, проходя через материал, например, путем возбуждения или ионизации атомов, и могут быть обнаружены непосредственно. Нейтральные частицы, такие как нейтроны или фотоны, можно регистрировать опосредованно через поведение заряженных частиц, которые приводятся ими в движение.

Существует множество специализированных детекторов. Некоторые из них, такие как счетчик Гейгера, просто подсчитывают частицы, а другие используются, например, для записи треков, измерения скорости или количества энергии. Современные детекторы по размеру и технологии варьируют от небольших устройств с зарядовой связью до больших заполненных газом камер с проводами, которые регистрируют ионизированные следы, создаваемые заряженными частицами.

История

Ускорители заряженных частиц в основном разрабатывались для исследований свойств атомных ядер и элементарных частиц. Начиная с открытия британского физика Эрнеста Резерфорда в 1919 году реакции ядра азота и альфа-частицы, все исследования в области ядерной физики до 1932 года проводились с ядрами гелия, выпущенными в результате распада естественных радиоактивных элементов. Природные альфа-частицы обладают кинетической энергией 8 МэВ, но Резерфорд считал, что для наблюдения распада тяжелых ядер необходимо их искусственно ускорить до еще больших значений. В то время это представлялось сложным. Однако расчет, сделанный в 1928 году Георгием Гамовым (в университете Геттингена, Германия), показал, что могут быть использованы ионы со значительно меньшими энергиями, и это стимулировало попытки построить установку, которая обеспечивала пучок, достаточный для ядерных исследований.

Другие события этого периода продемонстрировали принципы, по которым ускорители заряженных частиц строятся и по сей день. Первые успешные эксперименты с искусственно ускоренными ионами были проведены Кокрофтом и Уолтоном в 1932 году в Кембриджском университете. Используя умножитель напряжения, они ускорили протоны до 710 кэВ и показали, что последние реагируют с ядром лития с образованием двух альфа-частиц. К 1931 году в Принстонском университете в Нью-Джерси Роберт Ван-де-Грааф построил первый ременной электростатический генератор высокого потенциала. Умножители напряжения Кокрофта-Уолтона и генераторы Ван-де-Граафа по-прежнему используются в качестве источников энергии для ускорителей.

Принцип линейного резонансного ускорителя был продемонстрирован Рольфом Видероэ в 1928 г. В Рейн-Вестфальском техническом университете в ​​Аахене, Германия, он использовал высокое переменное напряжение для ускорения ионов натрия и калия до энергий, в два раза превышающих сообщаемые им. В 1931 году в Соединенных Штатах Эрнест Лоуренс и его помощник Дэвид Слоун из Университета Калифорнии, Беркли, использовали высокочастотные поля для ускорения ионов ртути до энергий, превышающих 1,2 МэВ. Эта работа дополнила ускоритель тяжелых заряженных частиц Видероэ, но ионные пучки не пригодились в ядерных исследованиях.

Магнитный резонансный ускоритель, или циклотрон, был задуман Лоуренсом как модификация установки Видероэ. Студент Лоренса Ливингстон продемонстрировал принцип циклотрона в 1931 году, произведя ионы с энергией в 80 кэВ. В 1932 году Лоуренс и Ливингстон объявили об ускорении протонов до более 1 МэВ. Позже в 1930-е годы энергия циклотронов достигла около 25 МэВ, а генераторов Ван-де-Граафа – около 4 МэВ. В 1940 году Дональд Керст, применяя результаты тщательных расчетов орбиты к конструкции магнитов, построил в Университете штата Иллинойс первый бетатрон, магнитно-индукционный ускоритель электронов.

Современная физика: ускорители заряженных частиц

После Второй мировой войны в науке ускорения частиц до высоких энергий произошел быстрый прогресс. Его начал Эдвин Макмиллан в Беркли и Владимир Векслер в Москве. В 1945 году они оба независимо друг от друга описали принцип фазовой стабильности. Эта концепция предлагает средства поддержания стабильных орбит частиц в циклическом ускорителе, что сняло ограничение на энергию протонов и позволило создать магнитно-резонансные ускорители (синхротроны) для электронов. Автофазировка, реализация принципа фазовой стабильности, была подтверждена после постройки небольшого синхроциклотрона в Университете Калифорнии и синхротрона в Англии. Вскоре после этого был создан первый протонный линейный резонансный ускоритель. Этот принцип используется во всех больших протонных синхротронах, построенных с тех пор.

В 1947 году Уильям Хансен, в Стэнфордском университете в Калифорнии построил первый линейный ускоритель электронов на бегущей волне, использовавший технологию СВЧ, которая была разработана для радаров во время Второй мировой войны.

Прогресс в исследованиях стал возможным за счет повышения энергии протонов, что привело к построению все больших ускорителей. Эта тенденция была остановлена высокой стоимостью изготовления огромных магнитов кольца. Самый большой весит около 40000 тонн. Способы увеличения энергии без роста размеров машин были про​​демонстрированы в 1952 году Ливингстоном, Курантом и Снайдером в технике знакопеременной фокусировки (иногда называемой сильной фокусировкой). Синхротроны, работающие на этом принципе, используют магниты в 100 раз меньшего размера, чем до этого. Такая фокусировка применяется во всех современных синхротронах.

В 1956 Керст понял, что если два набора частиц удерживать на пересекающихся орбитах, то можно наблюдать их столкновения. Применение этой идеи потребовало накопления ускоренных пучков в циклах, называемых накопительными. Эта технология позволила достичь максимальной энергии взаимодействия частиц.