대전 된 입자의 선형 가속기. 입자 가속기의 작품으로. 왜 입자 가속기?

하전 입자 가속기 - 상기 디바이스 거의 속도로 이동 하전 원자 또는 아 원자 입자 빔. 그의 작품의 기초가 필요 증가 그들의이다 전기장에 의해 에너지 및 궤도 변경 - 자기를.

입자 가속기는 무엇입니까?

이 장치는 널리 과학 및 산업의 다양한 분야에서 사용된다. 현재까지 전 세계적으로 30 개 이상의 천있다. 하전 입자 가속기의 물리학 원자의 구조, 자연적으로 발생하지 않는 핵 전력과 핵 속성의 성격에 기초 연구의 도구로서 역할을한다. 후자는 우라늄과 다른 불안 요소를 포함한다.

방전관이 가능 해졌다 가진 특정 수수료를 결정한다. 하전 입자 가속기는 생물학적 물질의 살균, 산업 방사선, 방사선 치료, 방사성 동위 원소의 제조에 사용, 및에 방사성 분석. 가장 큰 단위는 기본 상호 작용의 연구에 사용된다.

액셀러레이터에 대한 휴지 대전 입자의 수명은에 가까운 속도로 가속 입자보다 작은 광속. 이 시간이 스테이션의 상대적으로 적은 양을 확인합니다. 예를 들어, CERN에서 뮤온 0,9994c 속도를 29 배의 수명의 증가를 달성했다.

이 문서는 내부와 입자 가속기, 개발, 다른 종류의 서로 다른 기능을 작동하고 무엇을 본다.

가속 원칙

에 관계없이 당신이 알고있는 하전 입자 가속기의 어떤 종류의, 그들은 모두 공통 요소가있다. 첫째, 그들은 텔레비전 브라운관이나 전자, 양성자와 큰 설치의 경우 자신의 반입자의 경우 전자의 소스를 가지고 있어야합니다. 또한, 그들은 모두 자신의 궤적을 제어하는 입자와 자기장을 가속화하는 전기장이 있어야합니다. 또한, 하전 입자 가속기의 진공 (10 mmHg에서 ^-11. V.), M. E. 잔류 공기의 최소량 긴 수명의 빔을 확보 할 필요가있다. 마지막으로, 모든 설치는 등록 수단, 가속 입자의 계산과 측정이 있어야합니다.

세대

가장 일반적으로 가속기에 사용되는 전자와 양성자는 모든 물질에서 발견된다, 그러나 첫째로 그들은 그들로부터 선택해야합니다. 전자는 일반적으로 브라운관에서와 같은 방법으로 생성된다 -는 "총"라고하는 장치. 이 전자는 원자가 이탈하기 시작 위치를 한 상태로 가열하고, 진공에서, 캐소드 (음극)이다. 음으로 대전 된 입자는 애노드 (양극)에 흡착하고 출구를 통해 전달된다. 전자는 전기장의 영향 하에서 이동하기 때문에 총 자체 촉진제로서 간단하다. 일반적으로 50-150 kV의 범위에있는 양극과 음극 사이의 전압.

외에도 모든 물질 내의 전자의 양자를 포함하지만, 단지 하나의 양성자 핵 수소 원자로 구성. 따라서, 양성자 가속기 입자 공급원은 수소 가스이다. 이 경우, 가스는 이온화되고, 양성자는 구멍을 통해 위치된다. 큰 양성자 가속기는 종종 음의 수소 이온의 형태로 형성된다. 그들은 이원자 가스의 이온화의 산물 원자를 추가로 전자를 나타낸다. 작업 용이의 초기 단계에서 음으로 하전 된 수소 이온입니다. 그들은 가속도의 최종 단의 전자들을 박탈 얇은 포일을 통해 통과한다.

가속

입자 가속기의 작품으로? 그들 모두의 핵심 기능은 전기 분야입니다. 간단한 예 - 전기 배터리의 단자 사이에 존재하는 것과 유사한 플러스, 마이너스 전위의 균일 정적 필드. 음전하를 운반하는 전자이 필드는 양의 전위로 향하게하는 힘에 노출된다. 그것은 가속, 그리고 그 길을, 그의 속도와 전력 증가에 서 할 수있는 모든 작업이있는 경우. 와이어 나 공기의 양의 전위를 향해 이동하는 전자와는 원자 에너지가 손실과 충돌하지만,이 진공에 위치하는 경우, 그 때 양극에 접근 가속.

전자를 정의의 시작과 끝 위치 사이의 긴장은 그들에게 에너지를 구입했습니다. 1 V의 전위차를 통해 이동하는 경우 (1) 전자 볼트 (EV)과 같다. 이는 1.6 × 10 ^-19 줄에 해당합니다. 조 배 이상 비행 모기의 에너지. 키네 스코프 전자에서 10 kV의 전압이보다 가속된다. 많은 가속기는 메가, 기가와 테라 전자 볼트를 측정 훨씬 더 높은 에너지에 도달합니다.

종

예로서, 입자 가속기의 초기 형태의 일부 의 전압 곱셈기 최대 백만 볼트의 전위에 의해 발생되는 일정한 전기장을 이용하여 발전기 밴더 그래프 발전기. 높은 전압으로 쉽게 작동합니다. 보다 실용적인 대안이 낮은 전위 생성 약한 전기장의 동작을 반복한다. 이 원리는 현대 가속기의 두 가지 유형에 사용되는 - 선형 및 순환 (주로 사이클로트론 및 싱크로트론). 순환적인 여러 번 그들이 비교적 작은 전기장을 통해 순환 경로로 이동하면서 선형 입자 가속기, 간단히, 가속 필드의 순서를 한 번에 통과시켰다. 많은 작은 "범프"는 하나의 대형의 결합 된 효과를 제공하도록 함께 가산되도록 두 경우에서, 입자의 최종 에너지가 작업의 전체 필드에 의존한다.

자연적인 방법은 AC가 아닌 DC를 사용하는 선형 가속기의 반복적 구조는 전기장을 생성한다. 긍정적 통과하면 양으로 하전 된 입자는 부정적인 잠재력을 가속하고 새로운 자극을 얻을 수있다. 실제로, 전압은 매우 신속하게 변경해야합니다. 예를 들면, 매우 고속으로 1 개 MeV의 양성자 이동의 에너지 0.01 ms에서 1.4 m를 전달 0.46의 빛의 속도이다. 이것은 긴 몇 미터의 반복 구조에서, 전기 필드는 적어도 100 MHz의 주파수에서 방향을 변경해야한다는 것을 의미한다. 선형 및 고리 형 가속기 입자는 일반적으로 100에서 3000 MHz의 교류 전계의 주파수 t 그들을 분산. E.를 마이크로파의 전파의 범위이다.

전자파는 서로 직각으로 진동하는 진동 전자기장의 조합이다. 핵심은 전계 가속도 벡터에 따라 지향되는 입자에 도달하도록 가속 파를 조정하는 것이다. 밀폐 된 공간, 파이프 오르간의 소리가 파도에 반대 방향으로 이동 파도의 조합 - 이것은 정재파를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 빠르게 그 빛 진행파의 속도 접근 속도 전자를 이동시키기위한 다른 실시 예.

autophasing

교번 전계의 가속도의 중요한 효과는 "위상 안정성"이다. 하나 개의 진동주기 교류 필드가 다시 제로로 최대 값으로부터 제로를 통과에서는, 최소로 감소 0으로 상승한다. 그러므로, 가속에 필요한 값을 두 번 통과한다. 그 속도가 증가 입자가 너무 일찍 오는 경우에는 충분한 강도의 필드를 작동하지 않습니다, 푸시 약한 것입니다. 그것은 다음 지역, 후반 테스트 및 더 많은 영향을 도달합니다. 결과적으로, 자기 위상이 발생 된 바와 같이, 입자 가속 영역에서 각 필드 상에있을 것이다. 또 다른 효과는이 응고보다는 연속 스트림을 형성하는 시간을 그룹화합니다.

빔의 방향

그들의 운동의 방향을 바꿀 수있는 작품 및 입자 가속기, 자기장을 연주하는 중요한 역할. 이것은 그들이 원형 경로에서 빔의 "굽힘"를 사용할 수 있으므로 반복 동일한 가속 섹션을 통과한다는 것을 의미한다. 가장 간단한 경우에서, 대전 입자의 균일 한 자기장의 방향에 직각으로 이동하는 힘의 이동의 양쪽에 수직 한 벡터와 필드. 이 동작 또는 다른 힘의 해당 분야에서 나오는 그것에 작용이 시작될 때까지, 필드에 수직 인 원형 경로로 이동하는 광을 야기한다. 이 효과는 싱크로트론과 사이클로트론 가속기로 순환 사용된다. 사이클로트론에서, 상수 필드 큰 자석에 의해 생성된다. 에너지의 증가와 입자는 나선형으로 외부 각 혁명 가속 이동시키기. 싱크로트론 혈전 일정한 반경의 링 주위를 이동하고 입자로서 링 증가 주위 전자석에 의해 생성 된 필드는 가속된다. 빔 사이에 통과 할 수 있도록 "굴곡"을 제공하는 자석은, 말굽 모양으로 구부러진 북극과 남극과 쌍극자를 나타냅니다.

전자석의 두번째 중요한 기능들이 가능하도록 좁고 집중되도록, 빔을 포커스한다. 초점 자석의 가장 단순한 형태 - 서로 반대편에 위치한 네 개의 극 (북쪽이 두 남부)와 함께. 그들은 한 방향으로 중앙에 입자를 밀어 있지만이 수직에 배포 할 수 있습니다. 사중 극 자석 그를 수직으로 초점이 이동 할 수 있도록 수평 빔을 초점을 맞 춥니 다. 이렇게하려면, 그들은 쌍으로 사용되어야한다. 보다 정확한 또한 극 (6, 8)의 많은 수의보다 정교한 자석을 사용하는 집중하십시오.

그들을 증가 연출 입자 증가 에너지를 자기장의 세기 이래. 이 같은 궤도에 빔을 유지합니다. 커드는 고리에 도입하고 배출 실험에 사용하기 전에, 원하는 에너지로 가속된다. 후퇴 싱크로트론 링으로부터 입자를 밀어 작동되는 전자석에 의해 달성된다.

충돌

주로 특정 목적을위한 광, 예를 들어, 조사 또는 이온 주입을 생산 의학 산업에서 사용되는 하전 입자 가속기. 이는 입자가 한 번 사용을 의미한다. 같은 몇 년 동안 기초 연구에 사용 가속기의 사실이었다. 그러나 링 된 두 광선이 서로 반대 방향으로 순환하고, 주변 회로 충돌 1970 년에 개발되었다. 이러한 시스템의 가장 큰 장점은 입자의 정면 충돌 에너지에 그들 사이의 상호 작용 에너지로 직접 이동한다는 것입니다. 이 빔은, 정지 이미지와 충돌하는 경우에 대부분의 에너지가 운동량 보존의 원리에 따라, 모션 표적 물질 감소로 전환 될 때 발생하는 대조.

충돌 광선 일부 시스템은 둘 개 또는 그 이상의 위치에서 교차하는 두 개의 고리로 구성되는, 서로 반대 방향으로 동일한 유형의 입자를 순환한다. 일반적인 입자 가속기 입자 - 반입자. 반입자 연관된 입자의 반대 전하를 갖는다. 예를 들어, 양전자는 양전하 및 전자됩니다 - 음. 이는 전자를 가속 필드는, 양전자가 동일한 방향으로 이동하는 속도가 느려 것을 의미한다. 그러나 반대 방향으로 후자의 이동,이 가속화 될 경우. 유사하게, 전자를 왼쪽 자계 뜻 곡선 및 양전자 통해 이동 - 우측. 양전자가 전진한다면, 그의 경로는 오른쪽으로 벗어나 계속하지만, 전자의 경우와 같은 곡선 것입니다. 그러나,이 입자는 싱크로트론 동일한 자석의 링을 통해 이동하고 반대 방향으로 동일한 전계에 의해 가속 할 수 있음을 의미한다. 이 원칙은 빔을 충돌 많은 강력한 colliders을 만들어에서 t.에.은 하나의 링 가속기가 필요합니다.

싱크로트론의 빔은 지속적으로 이동에 통합되지 않는다 "대단히 짧은 시간." 이들은 몇 cm의 길이 및 직경이 밀리미터의 제 10, ¹² 일 및 ^{10 월의} 입자를 포함 할 수있다. 이 낮은 밀도는 같은 재료의 크기는 약 ^{23 년 10 월} 원자를 포함하고 있기 때문에. 충돌하는 광선이 교차하는 경우에 따라서, 상기 입자가 서로 반응하는 것을 단지 작은 확률이있다. 실제로 혈전은 링 주위를 이동하고 다시 만날 것을 계속한다. 대전 입자 ^(10-11 mm 수은. V.)의 액셀러레이터 고진공은 입자가 공기 분자와 충돌하지 않고 장시간 순환 할 수 있도록 요구된다. 빔은 실제로는 몇 시간 동안 저장되어 있기 때문에, 고리는 누적 불린다.

등록

입자가 반대 방향으로 이동하는 대상 또는 다른 빔을 쳤을 때 등록 할 수있는 다수의 하전 입자 가속기가 발생한다. 텔레비전의 브라운관에서는 총에서 전자 내면에 형광체 스크린을 타격하여 전송 된 화상을 재현 한 빛을 방출한다. 가속기에서 같은 전문 탐지기 흩어져 입자에 반응하지만, 일반적으로 컴퓨터 데이터로 변환하여 컴퓨터 프로그램을 사용하여 분석 할 수있는 전기 신호를 생성하도록 설계되었습니다. 요소 만이 이온화 또는 여기 원자에 의해 예를 들면, 물질을 통과하는 전기 신호를 생성하고, 직접 검출 될 수 청구. 예컨대 중성자 또는 광자 중성 입자가 운동에 하전 입자의 움직임을 통해 간접적으로 검출 할 수있다.

많은 전문 감지기가있다. 예컨대 기록 트랙 또는 에너지의 속도를 측정하는 가이거 카운터 입자 수, 다른 용도, 예를 들어,로 일부. 크기 및 기술 현대 탐지기는 대전 된 입자에 의해 생성 된 이온화 된 트랙을 감지 선 대형 가스 충전 실 작은 전하 결합 장치마다 다를 수있다.

이야기

하전 입자 가속기 주로 원자핵과 소립자의 특성 연구를 위해 개발. 영국 물리학의 개통 이후 어니스트 러더 포드 1919 년, 질소 핵 및 알파 입자의 반응은 1932 년에 핵 물리학 분야의 모든 연구는 자연 방사성 원소의 붕괴에 의해 발표 헬륨 핵으로 수행되었다. 자연 알파 입자는 8 백만 전자 볼트의 운동 에너지를 가지고 있지만, 러더 포드는 인위적으로 할 무거운 핵의 붕괴를 모니터링에 더 높은 값을 가속화해야한다고 믿었다. 당시는 어려운 것 같았다. 그러나,에 의해 1928 년에 만든 계산 Georgiem Gamovym (괴팅겐 대학, 독일에서)는 이온이 훨씬 낮은 에너지에서 사용할 수 있으며,이 핵 연구를위한 충분한 빔을 제공하는 시설을 건설하려는 시도를 자극 한 것으로 나타났다.

이 기간의 다른 이벤트는 충전 된 입자 가속기는이 일에 내장되어있는 원리를 보여 주었다. 인위적으로 가속 된 이온을 가진 최초의 성공적인 실험은 캠브리지 대학에서 1932 년 Cockroft와 월튼 무승부를 기록했다. 전압 곱셈기를 사용함으로써, 양자는 710 keV로 가속하고, 후자의 두 개의 알파 입자를 형성하기 위해 리튬과 반응하는 것으로 나타났다된다. 1931 년까지, 뉴저지의 프린스턴 대학에서, 로버트 J. 밴더 그래프는 정전기 벨트는 첫째 잠재력이 높은 발전기를 건설했다. 전압 체배기 한 Cockcroft-월튼 발전기 밴더 그래프 발전기 여전히 촉진제위한 에너지 원으로서 사용된다.

선형 공진 가속기의 원리는 독일 아헨에 1928 라인 - 베스트 팔렌 기술 대학에서 롤프 위 데뢰에 항공을 증명했다, 그는 그들에게 두 배를 초과하는 에너지에 나트륨과 칼륨 이온을 가속 높은 AC 전압을 사용했다. 1931 년 미국 어니스트 로렌스 그의 조수 버클리 캘리포니아 대학의 데이빗 슬로안, 1.2 백만 전자 볼트보다 더 큰 에너지로 수은 이온을 가속 고주파 필드를 사용했다. 이 작품은 무거운 대전 된 입자 위 데뢰에 항공의 가속기를 보완하지만, 이온 빔은 핵 연구에 유용하지 않습니다.

자기 공명 가속기 또는 사이클로트론은, 로렌스 위 데뢰에 항공 설치의 수정으로 생각되었다. 학생 로렌스 리빙스턴 (80) 케빈의 에너지 이온을, 1931 년 사이클로트론의 원리를 보여 주었다. 1932 년, 로렌스와 리빙스턴은 최대 1 백만 전자 볼트 이상까지 양성자 가속을 발표했다. 약 4 백만 전자 볼트 - 나중에 1930 년대, 에너지 사이클로트론은 약 25 백만 전자 볼트와 밴 드 Graaff에 도달했다. 1940 년 도널드 Kerst 일리노이, 제 베타트론, 자기 유도 전자 가속기 대학 내장 자석 구조체 궤도 조심 계산의 결과를 적용한.

현대 물리학 : 입자 가속기

차 세계 대전 후 높은 에너지로 입자를 가속의 과학의 급속한 발전이 있었다. 그것은 모스크바에서 버클리와 블라디미르 벡슬러에서 에드윈 맥밀란 시작했다. 1945, 이들은 모두 서로 독립적 위상 안정성의 원리를 설명 갖는다. 이 개념은 양자 에너지에 대한 제한을 제거하고, 전자에 대한 자기 공명 가속기 (싱크로트론)을 만드는 데 도움이 원형 가속기에서 입자의 안정된 궤도를 유지하는 수단을 제공한다. Autophasing, 위상 안정성의 원칙의 구현은, 캘리포니아 대학의 작은 싱크로 사이 클러 트론의 건설 및 영국에서 싱크로 후 확인되었다. 그 직후, 제 양성자 공명 선형 가속기가 생성되었다. 이 원칙은 그 이후로 내장 된 모든 주요 양성자 싱크로트론에 사용됩니다.

1947 년, 윌리엄 한센, 캘리포니아에있는 스탠포드 대학에서 제 2 차 세계 대전 중 레이더 용으로 개발 된 마이크로 웨이브 기술을 사용 진행파,에서 제 1 전자 선형 가속기를 건설했다.

연구의 발전은 지금까지 큰 가속기의 건설을 주도 양성자의 에너지를 증가에 의해 가능하게되었다. 이러한 경향은 높은 제조 비용 거대한 자석 링이 중지되었습니다이다. 가장 큰 약 4 만톤의 무게. 기계의 크기 증가없이 에너지를 증가시키기위한 방법은 초점 교류의 약 1952 리빙스톤, 쿠랑과 스나이더를 godu 기술에서 상영되었다 (때로는 초점 강력한라고도 함). 이 원칙에 작업 싱크로트론은 이전보다 100 배 작은 자석을 사용합니다. 이러한 모든 현대 싱크로트론에 사용되는 포커싱.

1956 년 Kerst은 입자의 두 세트가 교차하는 궤도에 유지하는 경우, 당신이 그들을 충돌 볼 수 있다는 것을 깨달았다. 이 아이디어의 응용 프로그램은 사이클에 축적 가속 빔을 요구 누적했다. 이 기술은 상호 작용 입자의 최대 에너지를 달성했다.