En ladede partikelaccelerator er en klasse af enheder til fremstilling af ladede partikler ( elementærpartikler , ioner ) med høj energi. De største acceleratorer er dyre faciliteter, der kræver internationalt samarbejde. For eksempel er Large Hadron Collider (LHC) ved CERN , som er en ring på næsten 27 kilometer, resultatet af titusindvis af videnskabsmænds arbejde fra mere end hundrede lande. LHC gjorde det muligt for protoner med en samlet energi på 13 TeV at kollidere i massecentersystemet af indkommende partikler, hvilket er verdensrekord [1] .
Accelererede partikler med relativt lav energi bruges til at få et billede på en tv-skærm eller et elektronmikroskop , til at opnå røntgenstråler ( katodestrålerør ), til at ødelægge kræftceller og til at dræbe bakterier. Når ladede partikler accelereres til energier over 1 megaelektronvolt (MeV), bruges de til at studere strukturen af mikroobjekter (for eksempel atomkerner ) og arten af fundamentale kræfter . I en række installationer kaldet kollidere kolliderer deres stråler (modstråler) for at øge effektiviteten af at bruge partiklernes energi [2] .
Acceleratorens funktion er baseret på vekselvirkningen mellem ladede partikler og elektriske og magnetiske felter. Et elektrisk felt er i stand til at udføre arbejde på en partikel, det vil sige at øge dens energi. Det magnetiske felt, der skaber Lorentz-kraften , afbøjer kun partiklen uden at ændre dens energi, og sætter den bane, som partiklerne bevæger sig langs med.
Strukturelt kan acceleratorer grundlæggende opdeles i to store grupper. Disse er lineære acceleratorer , hvor partikelstrålen passerer gennem de accelererende mellemrum én gang, og cykliske acceleratorer , hvor strålerne bevæger sig langs lukkede kurver (for eksempel cirkler), der passerer gennem de accelererende mellemrum mange gange. Det er også muligt at klassificere acceleratorer efter deres formål: kollidere , neutronkilder , boostere, kilder til synkrotronstråling , installationer til cancerterapi , industrielle acceleratorer .
Ideologisk den enkleste lineære accelerator. Partiklerne accelereres af et konstant elektrisk felt og bevæger sig i en lige linje gennem vakuumkammeret, langs hvilket accelerationselektroderne er placeret. Acceleration af ladede partikler sker ved et elektrisk felt, der er konstant eller let ændrende under hele tiden for partikelacceleration. En vigtig fordel ved en højspændingsaccelerator i forhold til andre typer acceleratorer er muligheden for at opnå en lille energispredning af partikler accelereret i et tidskonstant og ensartet elektrisk felt. Denne type acceleratorer er kendetegnet ved en høj effektivitet (op til 95%) og muligheden for at skabe relativt simple højkraftværker (500 kW og mere), hvilket er meget vigtigt, når acceleratorer bruges til industrielle formål.
Højspændingsacceleratorer kan opdeles i fire grupper afhængigt af typen af generatorer, der skaber højspænding:
Acceleration i denne type maskiner sker af et elektrisk hvirvelfelt, som er skabt af ferromagnetiske ringe med viklinger installeret langs stråleaksen.
Lineær resonansacceleratorOgså ofte omtalt som LINAC (forkortelse for LINEar Accelerator). Acceleration opstår af det elektriske felt af højfrekvente resonatorer . Lineære acceleratorer bruges oftest til den primære acceleration af partikler opnået fra en elektronkanon eller ionkilde. Men ideen om en lineær kolliderer med fuld energi er heller ikke ny. Den største fordel ved linacs er muligheden for at opnå ultrasmå emissioner og fraværet af energitab på grund af stråling, som vokser i forhold til partikelenergiens fjerde potens.
En cyklisk accelerator, hvor partikler accelereres af et elektrisk hvirvelfelt induceret af en ændring i den magnetiske flux omsluttet af strålens kredsløb. Da det for at skabe et elektrisk hvirvelfelt er nødvendigt at ændre kernens magnetfelt, og magnetiske felter i ikke- superledende maskiner normalt er begrænset af virkningerne af jernmætning ved et niveau på ~20 kG, er der en øvre grænse for betatronens maksimale energi. Betatroner bruges hovedsageligt til at accelerere elektroner til energier på 10-100 MeV (den maksimale energi nået i betatronen er 300 MeV).
Den første betatron blev udviklet og skabt af Wideröe i 1928 , som han dog undlod at lancere. Den første pålidelige betatron blev først skabt af D. V. Kerst i 1940-1941 i USA .
CyclotronI en cyklotron injiceres partikler nær midten af en magnet med et ensartet felt ved en lav begyndelseshastighed. Yderligere roterer partiklerne i et magnetfelt i en cirkel inde i to hule elektroder, de såkaldte. dees , hvortil der påføres en elektrisk vekselspænding. Partiklen accelereres ved hver omdrejning af det elektriske felt i mellemrummet mellem deerne. Til dette er det nødvendigt, at frekvensen af ændringen i polariteten af spændingen over deerne er lig med frekvensen af partiklens omdrejning. Med andre ord er cyklotronen en resonansaccelerator . Det er klart, at med stigende energi vil radius af partikelbanen stige, indtil den forlader magneten.
Cyklotronen er den første af de cykliske acceleratorer. Det blev først designet og bygget i 1930 af Lawrence og Livingston , for hvilket det første blev tildelt Nobelprisen i 1939 . Hidtil er cyklotroner blevet brugt til at accelerere tunge partikler til relativt lave energier, op til 50 MeV/nukleon.
MicrotronDet er også en accelerator med variabel multiplicitet. En cyklisk resonansaccelerator med et konstant drivende magnetfelt, ligesom det for en cyklotron, og en accelererende spændingsfrekvens. Ideen med mikrotronen er at gøre stigningen af partikelomdrejningstiden, som opnås på grund af accelerationen ved hver omdrejning, til et multiplum af accelerationsspændingens oscillationsperiode.
FAGEn accelerator med en konstant (som i en cyklotron), men inhomogent felt, og en variabel frekvens af det accelererende felt.
Phasotron (synkrocyklotron)Den grundlæggende forskel fra cyklotronen er frekvensen af det elektriske felt, der ændrer sig under acceleration. Dette gør det muligt, på grund af autophasing , at øge den maksimale energi af de accelererede ioner i sammenligning med grænseværdien for cyklotronen. Energien i fasotroner når 600-700 MeV.
SynchrophasotronCyklisk accelerator med en konstant længde af ligevægtsbanen. For at partiklerne forbliver i samme kredsløb under acceleration, ændres både det førende magnetfelt og frekvensen af det accelererende elektriske felt.
SynchrotronEn cyklisk accelerator med en konstant kredsløbslængde og en konstant frekvens af det accelererende elektriske felt, men med et variabelt drivende magnetfelt.
Accelerator-recuperatorI det væsentlige er dette en linac, men strålen falder ikke efter brug, men er rettet mod den accelererende struktur i den "forkerte" fase og bremser, hvilket giver energi tilbage. Derudover findes der multi-pass rekuperatoracceleratorer, hvor strålen ifølge mikrotronprincippet laver flere passager gennem den accelererende struktur (eventuelt ad forskellige veje), først får energi, og derefter returnere den.
Specialiseret kilde til kohærent røntgenstråling.
Accelerator på kolliderende bjælker. Rent eksperimentelle faciliteter, hvis formål er at studere processerne for kollision af højenergipartikler.
| partikelacceleratorer | ||
|---|---|---|
| Af design |
| |
| Efter aftale | ||