Ім'я файлу: Історія розвитку прискорювачів заряджених частинок.docx
Розширення: docx
Розмір: 14кб.
Дата: 24.10.2021
скачати
Пов'язані файли:
ref33.doc
Кліщук В.В.Пропорція Відкритий урок.ppt

РЕФЕРАТ

на тему:

Історія розвитку прискорювачів заряджених частинок

Введення

Прискорювачі заряджених частинок - пристрої для отримання заряджених частинок (електронів, протонів, атомних ядер, іонів) великих енергій. Прискорення проводиться за допомогою електричного поля, здатного змінювати енергію частинок, що володіють електричним зарядом. Магнітне поле може лише змінити напрям руху заряджених частинок, не міняючи величини їх швидкості, тому в прискорювачах воно застосовується для управління рухом частинок (формою траєкторії). Звичайно прискорююче електричне поле створюється зовнішніми пристроями (генераторами). Але можливо прискорення за допомогою полів, що створюються іншими зарядженими частинками; такий метод прискорення називається колективним. Прискорювач заряджених частинок потрібно відрізняти від плазмових прискорювачів, в яких відбувається прискорення в середньому електрично нейтральних потоків заряджених частинок (плазми).

Опис прискорювача заряджених частинок

Прискорювач заряджених частинок - один з основних інструментів сучасної фізики. Прискорювачі є джерелами, як пучків первинних прискорених заряджених частинок, так і пучків повторних частинок (мезонів, нейтронів, фотонів і інш.), що отримуються при взаємодії первинних прискорених частинок з речовиною. Пучки частинок великих енергій використовуються для вивчення природи і свойствелементарних частинок, в ядерній фізиці, в фізиці твердого тіла. Все більше застосування вони знаходять і при дослідженнях в інш. областях: в хімії, біофізиці, геофизике. Розширяється значення прискорювача заряджених частинок різних діапазонів енергій в металургії - для виявлення дефектів деталей і конструкцій (дефектоскопія), в деревообделочной промисловості - для швидкої високоякісної обробки виробів, в харчовій промисловості - для стерилізації продуктів, в медицині - длялучевой терапії, для «безкровної хірургії» і в ряді інш. галузей.

Стартовою точкою прискорювача є джерело заряджених частинок. Наприклад, джерелом електронів може служити будь-який нагрітий шматок металу, з якого постійно вискакують електрони і тут же повертаються зворотно. Якщо поряд вмістити дротяну сітку і прикласти до неї напруження, ці електрони потягнуться до неї і, пролетівши наскрізь, спрямуються до екрана-анода, утворивши пучок частинок невисокої енергії. Саме так працює «домашній прискорювач на 10 кеВ» - електронно-променева трубка в старих телевізорах.

10 кеВ - це дуже невелика енергія, для вивчення ядерних явищ її недостатньо. Тому еру прискорювальної техніки фізики відлічують від початку 1930-х років, коли з'явилися відразу дві схеми прискорення частинок до енергій біля 1 МеВ. У 1932 році Джон Дуглас Кокрофт і Еренст Уолтон в Кембрідже сконструювали каскадний 800-киловольтний генератор постійного напруження, 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 саму справжню ядерну реакцію: ядро літію захоплювало протон і потім розвалювалося на дві альфа-частки.

Вважається, що про машину для прискорення заряджених частинок першим задумався Резерфорд, що висловив цю ідею в 1927 році на сесії Лондонського Королівського суспільства. Але у батька-фундатора ядерної фізики були попередники. У 1919 році 17-літній школяр з Осло Рольф Відерое прочитав в газеті, що Резерфорд розбив на уламки ядра азоту, бомбардуючи їх альфа-частками, що випускаються радиевим джерелом. Хлопчик зміркував, що швидкість частинок і, отже, сила удару збільшаться, якщо розігнати їх в постійному електричному полі. При цьому Рольф досить розбирався в фізиці, щоб зрозуміти, що цей шлях не самий кращий, оскільки необхідну різницю потенціалів в мільйони вольт отримати надзвичайно важко. Рольф вирішив, що для розгону частинок варто використати слідства рівнянь електродинаміки, про які він дещо знав. Після закінчення школи Відерое поїхав в Німеччину вивчати електротехніку в політехнічному університеті в Карлсруе, а через три роки накидав в блокноті схему кільцевого прискорювача, що розганяє електрони за допомогою вихрового електричного поля, виникаючого (відповідно повному до рівнянь Максвелла!) при періодичній зміні магнітного потоку. Фактично це звичайний електричний трансформатор, в якому одна з котушок замінена вакуумною камерою. Видерое визначив параметри магнітних полів, необхідні для того, щоб всі електрони могли набирати швидкість на одній і тій же круговій орбіті. Це і був проект першого в світі прискорювача елементарних частинок, причому з точки зору теорії абсолютно бездоганний. А до виступу Резерфорда залишалося ще чотири роки... Після захисту диплома Рольф повернувся на батьківщину для проходження військової служби, а потім знову поїхав в Німеччину працювати над дисертацією. Будучи експериментатором, він вирішив втілити свою схему в залозі. Видерое мав намір побудувати установку, що розганяє електрони до 6 МеВ, але тут його осягло розчарування - електрони не бажали залишатися на стабільній орбіті. Для їх фокусування було потрібен дипольне магнітне поле, але фізики усвідомили це лише десять років опісля: в 1940 році професор університету штату Іллінойс Дональд Керст побудував перший діючий індукційний прискорювач електронів на 2,3 МеВ (зараз такі машини називають бетатронами, в пам'ять про ті часи, коли електрони іменували бетою-частинками; найбільший в світі бетатрон на 300 МеВ, побудований тим же Керстом, був введений в дію в 1950 році). Оскільки кільцевий прискорювач не діяв, а терміни захисту наближалися, Відерое вирішив побудувати лінійний прискорювач, схему якого в 1925 році вигадав шведський фізик Густав Ізінг. Машина була недостатньо могутньою і тому некорисною для серйозних експериментів, але вона все ж прискорювала в електричному полі, що біжить іони натрію до 50 КеВ. Поле було змінним з потреби, його частота змінювалася таким чином, щоб залишатися в фазі з набираючими швидкість частинками. У 1928 році Відерое благополучно захистився і опублікував свою роботу. У 1943 році він - здається, першим в світі - зрозумів, що для підвищення енергії зіткнення частинок їх можна зіштовхувати лоб в лоб, заздалегідь збираючи в тороидальних вакуумних камерах, вміщених в магнітне поле. Сьогодні такі пристрої називають нагромаджувальними кільцями, Відерое ж назвав їх «ядерними млинами». Він запатентував свою конструкцію в Німеччині, але в умовах військового часу патент засекретили. Обидві його ідеї були здійснені, але багато пізніше і іншими людьми. Перше в світі нагромаджувальне кільце було побудоване в 1961 році в Італійській національній лабораторії в місті Фраськаті під керівництвом Бруно Тушека, молодшого колеги Відерое. А сам Відерое після війни успішно трудився в фірмі, яка виготовляла бетатрони, що застосовувалися в онкологічних лікарнях як могутні джерела рентгенівського випромінювання. Прийшло до нього і наукове визнання, хоч і із запізненням - він став консультантом в ЦЕРНе і в німецькій лабораторії фізики високих енергій DESY. Але так уже склалося, що широкій публіці цей вчений відомий набагато менше, ніж інші классики прискорювальних технологій.

Лінійні прискорювачі

Прилад Відерое був чисто демонстраційним. Перший «робочий» лінійний прискорювач побудували в 1932 році співробітники Кавендішської лабораторії Джон Кокрофт і Ернест Уолтон, через 19 років удостоєні Нобелівській премії. Ця машина розганяла протони до енергії в 500 КеВ, що дозволило зламати ядра літію: ядро літію захоплювало протон і потім розвалювалося на дві альфа-частки.

У 1930-е роки ця система (так званий каскадний генератор) використовувалася досить широко, але лише для отримання енергій до 1 МеВ (як цьому вона використовують і понині). А ось схема Ізінга володіє куди кращими можливостями. По ідеї вона дуже проста. Заряджена частинка покидає джерело і летить по вакуумній камері крізь безліч соосних порожнистих металевих трубок, розташованих вдовж прямої лінії. На ці трубки подається змінне електричне поле, яке частинка «відчуває», лише коли пролітає через зазор (всередині трубок воно екранується). Таким чином, в трубках частинки летять через інерцію - дрейфують (тому трубки і називають дрейфовими). Частота коливань електричного потенціалу підібрана так, щоб при проходженні кожного зазора частинка прискорювалася, а не гальмувалася. Набравши розрахункову енергію, частинки попадають на мішень (на практиці їх доводиться додатково фокусувати, наприклад, за допомогою магнітних лінз). Зрозуміло, що параметри дрейфових трубок визначаються виглядом частинок, що прискорюються.

Якщо це електрони, які швидко набирають майже світлову швидкість, довжина трубок може бути однаковою. Важкі частинки, протони і іони, розганяються поступово, тому їх треба проганяти через дрейфові трубки зростаючої довжини. Саме таку конструкцію і запропонував Ізінг. Через двадцять років її переоткрил американець Луїс Альварес, і тепер схема носить його ім'я. У 1946 році Альварес і Вольфганг Панофськи побудували в Берклі перший в світі лінійний прискорювач, який розганяв протони до енергії в 32 МеВ, цілком достатньої для експериментів в області ядерної фізики. Для створення прискорюючого поля вони скористалися деталями радіолокаторів, яких, звісно, не було у часи Ізінга. Схема Альвареса добре працює для розгону протонів до 200 МеВ. Більш високі енергії отримують за допомогою хвилеводів з хвилею, що біжить, які використовують і в електронних лінійних прискорювачах. Протонна карусель Рольф Відерое непрямим образом приклав руку і до винаходу циклотрона. Як ні дивно, стимулом для створення цієї машини стала його стаття про лінійний прискорювач. Ця маловідома історія добре ілюструє, як непростим шляхом розвивається наукове знання. Прилад Відерое (єдина дрейфова трубка з парою прискорюючих зазорів по краях) повністю втілював ключову ідею Ізінга - частинки бОльшую частину шляху проходять через інерцію і тільки

на певних дільницях резонансно розганяються електричним полем. У 1929 році стаття Відерое попалася на очі молодому професору Каліфорнійського університету Ернесту Орландо Лоуренсу, який зрозумів, що резонансне прискорення частинок не обов'язково здійснювати на прямолінійній траєкторії. Він взяв металевий порожнистий циліндр приблизно тих же пропорцій, що і банку з-під шпрот, розрізав його вдовж осі і розсував половинки (їх зараз називають дуантами). Цю розрізану банку треба вкласти між полюсами електромагніту, а в її центрі вмістити джерело не особливо швидких заряджених частинок, що підкоряються законам ньютоновской механіки. У постійному магнітному полі вони стануть закручуватися і рухатися через інерцію по колах фіксованого радіуса (зрозуміло, в камері повинен бути вакуум).

Такий пристрій можна перетворити в прискорювач. Для цього в зазори між дуантами треба подати змінне електричне поле, частота якого співпадає з частотою обертання частинок (остання залежить від заряду, напруженості магнітного поля і маси частинок і не залежить від їх швидкості). При належному виборі його фази воно буде резонансно розганяти частинки при проході зазорів між дуантами - точно так само, як і в лінійному прискорювачі Изинга-Альвареса. Ті будуть йти на все більші і великі радіуси по спіралі, що розкручується, доки не зіткнуться зі стінкою камери або не будуть виведені на мішень. У 1930 році Лоуренс першим опублікував схему циклічного резонансного прискорювача в журналі Science. Роком пізніше він спільно з аспірантом Стенлі Лівінгстоном зібрав демонстраційну модель діаметром 11 див. У камеру подавали сильно розріджений водень, який всередині неї іонізувався електричним полем. Іонізовані молекули водня набирали в прискорювачі до 80 КеВ. Навесні 1932 року Лоуренс і Лівінгстон побудували 25-сантиметровий протонний прискорювач на 1,2 МеВ. Ще через рік у них була машина, що прискорювала ядра дейтерія до 5 МеВ. З 1934 року такі установки почали експлуатувати і в інших лабораторіях. Сам Лоуренс спочатку називав свій винахід протонною каруселлю, але невдовзі воно стало іменуватися циклотроном.

Циклотрон кардинально змінив експериментальну базу ядерної фізики, і недивно, що в 1939 році труди Лоуренса були удостоєні Нобелівській премії. А після війни з'ясувалося, що одночасно з Лоуренсом або навіть трохи раніше до такої ж ідеї прийшов угорський фізик Шандор Гаал. У травні 1929 року він відправив рукопис, де був викладений принцип циклотрона, в німецький журнал Zeitschrift fьr Physic, але редактори не зрозуміли, про що йде мова, і відмовилися її надрукувати.

Синхронні прискорювачі

Лоуренс хотів побудувати протонний циклотрон на 100 МеВ, але втрутилися закони фізики. За порогом 20 МеВ протони розганяються так сильно, що в дію вступають формули спеціальної теорії відносності. Коли маса частинки починає зростати, частота її звертання, природно, знижується, і частинка виходить з резонансу. Самі великі циклотрони, побудовані в Окріджської національній лабораторії в США і в Стокгольмськом Нобелівському інституті, могли розігнати протони до 22 МеВ, а ядра дейтерія - до 24 МеВ. Для досягнення великих енергій потрібні циклічні прискорювачі, які можуть забезпечити стабільну відповідність фази прискорюючого поля руху частинки. Циклотрон на таке не здатний. Щоб релятивістські частинки продовжували розганятися в резонансному режимі, треба або поступово збільшувати напруженість магнітного поля (тим самим зменшуючи радіус їх траєкторії), або зменшувати частоту коливань електричного потенціалу на дуантах, примушуючи її слідувати за зниженням частоти звертання частинок, або погоджено міняти параметри обох полів. Будемо, наприклад, діяти за допомогою одного електричного поля. Допустимо, ми визначили, як знижувати його частоту. Виявляється, цього мало. Початкові швидкості частинок не будуть абсолютно однаковими; крім того, під час откачки повітря деяка частка частинок зіткнеться з його молекулами і зіб'ється з курсу. Прискорювач зможе працювати, лише якщо згодом число подібних відхилень буде скорочуватися і частинки повернуться на правильні траєкторії. У іншому випадку всі частинки швидко вийдуть з резонансу. І ось тут на допомогу приходить ефект автофазировки, відкритий незалежно один від одного радянським вченим Володимиром Векслером при сприянні Євгена Фейнберга і, трохи пізніше, американцем Едвіном Макмілланом. Вони довели, що кільцеві резонансні прискорювачі можуть вийти за циклотронну межу і розігнати частинки практично до будь-яких енергій - за допомогою особливого режиму коливань електричного потенціалу, який автоматично коректує не особливо великі 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 (варто помітити, що механізм автофазировки працює і в лінійних резонансних прискорювачах). Після відкриття автофазировки були створені і втілені в металі різні конструкції прискорювачів. Машину з постійним магнітним полем і електричним полем змінної частоти в англомовній літературі прийнято називати синхроциклотроном, а в радянській - фазотроном. У синхроциклотроні, як і в циклотроні, частинки рухаються по спіралі, що розкручується. Прискорювачі, в яких зростання енергії частинок супроводиться збільшенням напруженості магнітного поля, називаються синхротронами. Синхротрони будують у вигляді кільцевих тунелів, оточених електромагнітами, так що частинки там рухаються по орбітах постійного радіуса. У електронного синхротрона частота електричного поля незмінна (оскільки електрони там рухаються майже зі світловою швидкістю), а ось у протонного синхротрона цей показник варіює. Ці прискорювачі в СРСР, з подачі Векслера, назвали синхрофазотронами. Першу таку машину (Космотрон) з вакуумною камерою 23-метрового діаметра запустили в Брукхейвене в 1952 році. Спочатку вона прискорювала протони до 2,3 ГеВ, а після повного доведення - до 3,3 ГеВ. У 1953 році в Бірмінгемськом університеті вступив в дію менш просунений протонний синхротрон на 1 ГеВ. У подальші роки їх енергія виросла до декількох ГеВ і на них були довершені багато які відкриття в фізиці елементарних частинок. У 1954 році запрацював прискорювач в Берклі, який роком пізніше вийшов на енергію 6,2 ГеВ (саме на ньому уперше отримали антипротони). У 1957 році був запущений синхрофазотрон в Дубне на 10 ГеВ. Всі самі великі циклічні протонні прискорювачі - синхрофазотрони.

У основі багатьох сучасних прискорювачів, зокрема LHC, лежить принцип синхрофазотрона.

Фокуси фокусування

Через декілька років після прозрінь Векслера і Макміллана фізики здійснили новий прорив на шляху до більш високих енергій. У всіх резонансних циклічних прискорювачах магнітне поле не тільки завертає частинки, але також їх і фокусує. У Космотроне і інших синхротронах першого покоління частинки подорожували в магнітному полі, яке поступово спадає при збільшенні радіуса. Його силові лінії мають бочкообразую форму, дякую чому частинки фокусуються не тільки по радіусу, але і по вертикалі; інакше говорячи, таке поле не дає частинкам йти з площини орбіти. Подібна конфігурація магнітного поля аж ніяк не ідеальна. Вона дозволяє отримувати лише досить широкі пучки (а для обстрілу мішеней краще б стискати пучки сильніше, збільшуючи їх густину) і до того ж вимагає будівництва дуже великих і тому дорогих машин. Маса магнітної системи дубнинского синхрофазотрона, де реалізоване таке фокусування, рівна 36 000 тонн. Витрати на системи з істотно більшою масою зашкалювати б за всю розумну межі. Ця проблема була вирішена в середині минулого століття. У 1949 році грецький фізик Ніколас Хрістофілос показав, що рухом частинок можна управляти за допомогою великого числа прилеглих один до одного електромагнітів, що чергують сильне спадання магнітного поля по радіусу вакуумної камери з так же сильним його наростанням. Однак він виклав свої результати лише в формі патентної заявки, так що його відкриття тоді залишилося непоміченим. Три роки опісля до тієї ж ідеї прийшли американці Ернест Курант, Стенлі Лівінгстон і Хартланд Снайдер. Цей метод отримав назву сильного фокусування (фокусування за допомогою радіально спадаючого поля називається слабої). Він посилив вимоги до регулювання прискорюючого електричного поля, але зате дозволив краще фокусувати пучки по радіусу і вертикалі і вповільнив зростання розмірів прискорювачів.

Коллайдери

Наступним етапом в історії прискорювальної техніки стало створення коллайдеров - прискорювачів зі зустрічними пучками, де два пучки частинок розкручуються в протилежних напрямах і стикаються один з одним. Спочатку цю ідею висловив і навіть запатентував в 1943 році норвезький фізик Рольф Відерое (Rolf Widerцe), однак 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) і Вольфганга Пановськи (Wolfgang K.H. Panofsky) і новосибірською групою, очолюваною Г. І. Будкером.

До того моменту всі експерименти проводилися з нерухомою мішенню. Коли високоенергетическая частинка налетить на нерухому частинку, народжені продукти зіткнення летять уперед з великою швидкістю, і саме на їх кінетичну енергію тратиться основна частка енергії пучків. Якщо ж стикаються однакові частинки, що летять назустріч один одному, то велика частина їх енергії витрачається за прямим призначенням: на народження частинок. По формулах релятивістської механіки можна обчислити повну енергію в системі центра маси - саме цю частину енергії початкових частинок можна витратити на рождениенових частинок. У першому випадку це приблизно, а у другому випадку 2E. Якщо частинки ультрарелятивистские, Е > > mc2, то в коллайдерах на зустрічних пучках можуть народжуватися набагато більш важкі частинки, ніж в експериментах з нерухомою мішенню при тій же енергії пучка.

Схема розташування Великого адронного коллайдера

В 2008 році в лад вступає самий могутній прискорювач, коли-або побудований людиною, - Великий адронний коллайдер, LHC, з енергією протонів 7 ТеВ. Він знаходиться в підземному кільцевому тунелі довжиною 27 км на межі Швейцарії і Франції. Фізики сподіваються, що результати LHC приведуть до нового прориву в розумінні глибинного пристрою нашого світу.

Зараз прискорювачі підійшли до своєї конструкційної межі. Істотне збільшення енергії частинок стане можливим, тільки якщо коллайдери стануть лінійними і буде реалізована більш ефективна методика прискорення частинок. Прорив обіцяє лазерна або лазерно-плазмова методика прискорення. У ній короткий, але могутній лазерний імпульс або безпосередньо розганяє заряджені частинки, або створює обурення в хмарі плазми, яке підхоплює пролітаючий згусток електронів і різке його прискорює. Для успішного застосування цієї схеми в прискорювачі зажадається подолати ще немало труднощів (навчитися состиковивать один з одним декілька прискорюючих елементів, справитися з великим кутовим розходженням, а також розкидом по енергії прискорених частинок), але перші результати дуже подають надію.
скачати

© Усі права захищені
написати до нас