Linear accelerators de chasaid pìosan. Mar Particle accelerators obair. Carson Particle accelerators?

Tha accelerator de chasaid pìosan - uidheam anns a sail na dealain fo chasaid atamach no subatomic pìosan siubhal aig faisg air an astar. Chaidh a 'bhunait air an obair aige a tha a dhìth aca àrdachadh lùth le dealain achadh agus atharrachadh an t-slighe - iùil-tharraingeach.

Dè Particle accelerators?

Tha iad sin air innealan a tha gan cleachdadh ann an diofar raointean de saidheans agus gnìomhachas. Gu ruige seo, tha an t-saoghail còrr is 30 mìle. Airson a 'fiosaig de chasaid Particle accelerators frithealadh mar inneal bunaiteach rannsachadh air structar dadaman, nàdar niuclasach feachdan agus niùclasach feartan, nach eil a' tachairt gu nàdarra. Tha an dàrna gabhail a-steach transuranic agus eileamaidean eile neo-sheasmhach.

Leis an arm tube air a bhith comasach gus co-dhùnadh sònraichte asgaidh. Chasaid Particle accelerators a tha cuideachd air a chleachdadh airson an dèanamh radioisotopes, ann an gnìomhachais radiography, radiotherapy, airson seasgachadh adhbhrachadh de stuthan bith-eòlasach, agus ann an Chomharraich dearbhadh rèidio mion-sgrùdadh. Tha aonadan as motha a tha ga chleachdadh ann an rannsachadh bunaiteach air an eadar-obrachadh.

Tha beatha a 'chasaid pìosan aig fois a thaobh accelerator tha nas lugha na gun robh na pìosan grad gus astaran faisg air an astar solas. Tha seo a 'dearbhadh cho beag ùine stèiseanan. Mar eisimpleir, aig CERN chaidh a choileanadh àrdachadh ann am beatha a 'muon 0,9994c Gaoithe 29 turas.

Tha an aiste seo a 'coimhead air dè a tha a-staigh agus a bhith ag obair Particle accelerator, a leasachadh, seòrsaichean eadar-dhealaichte agus diofar fheartan.

luathachadh prionnsapalan

Ge bith dè an seòrsa dleastanas Particle accelerators fhios agad, feumaidh iad uile eileamaidean cumanta. An toiseach, feumaidh iad a bhith air tùs na electrons ann an cùis telebhisean dealbh tube no electrons, protons agus an antiparticles ann an cùis nas motha an sàs. A thuilleadh, feumaidh iad a bhith aig a h-uile uisge-achaidhean a luathachadh agus pìosan iùil-tharraingeach achaidhean slighe gus smachd a chumail aca. A thuilleadh air sin, an Vacuum ann an chasaid Particle accelerator (10 ^-11 mm HG. V.), M. E. A 'char as lugha uiread de leantainneach air, a tha dhìth gus dèanamh cinnteach gum bi beatha fada àm shailean. Mu dheireadh, a h-uile deilbhidhean Feumaidh clàradh a 'ciallachadh, cunntadh agus tomhas air na grad-pìosan.

ghinealach

Electrons agus protons, a tha as cumanta a chleachdadh ann an accelerators, a lorgar ann an uile stuthan, ach an toiseach feumaidh iad a thaghadh bho orra. Electrons mar as trice a tha air an gineadh anns an aon dòigh mar anns an dealbh tube - ann an inneal a tha ris an canar "gunna." 'S e cathode (àicheil electrode) ann an Vacuum, a tha air a theasachadh gu staid far electrons' tòiseachadh a 'tighinn far na dadaman. Àicheil pìosan air an tàladh gu na anode (deimhinneach electrode) agus a thoirt seachad tro mheadhan craolaidh. Tha a 'ghunna fhèin sìmplidhe mar an accelerator a chionn' electrons a 'gluasad fo bhuaidh an uisge-achadh. Tha bholtaids eadar an cathode agus anode, mar as trice anns an raon 50-150 Kv.

Apart bho electrons anns na stuthan a tha protons, ach a-mhàin aon proton niuclas a dhèanamh de haidridean dadaman. Mar sin, Particle an tùs proton accelerators tha haidridean gas. Anns a 'chùis seo, tha an gas ionized agus an protons suidhichte tron toll. Ann mòr accelerators protons tha gu tric a chruthachadh ann an riochd àicheil haidridean ions. Iad a 'riochdachadh a bharrachd electron bho dadaman a tha a' bhathar de Endless Year gas ionization. Bho na àicheil haidridean ions anns a 'chiad ìrean de an obair nas fhasa. Iad an uair sin a 'dol tro tana foil, a tha a' falbh dhaibh electrons an làthair an ìre dheireannach de luathachadh.

luathachadh

Mar Particle accelerators obair? Tha e na phrìomh fheart a h-uile dhiubh a tha an dealain achadh. Tha sìmplidhe eisimpleir - èideadh socrach achadh eadar an adhartach is àicheil dealain potentials, coltach ri sin a tha eadar-aiseig an dealain bataraidh. Tha seo a 'mhachair a' giùlan electron àicheil a tha fosgailte do feachd a 'stiùireadh a thaobh deagh chomas. Tha e accelerates e, agus ma tha càil a bhiodh a 'seasamh anns an t-slighe, an astar aige agus cumhachd àrdachadh. Electrons a 'gluasad a dh'ionnsuidh an deimhinneach a dh'fhaodadh a bhith air an uèir no anns an adhar, agus a' bualadh na chèile leis na dadaman a chall lùth, ach ma tha iad suidhichte ann an vacuo, an sin grad mar a tha iad a 'tighinn faisg air an anode.

Teannachadh eadar an toiseach agus deireadh suidheachadh na electron an cèill dè a cheannach dhaibh cumhachd. Nuair a bhios a 'gluasad tro eadar-dhealachadh a dh'fhaodadh a bhith de 1 V' S e co-ionnan ri 1 electron-gath (eV). 'S e seo co-ionann ri 1,6 × 10 ^-19 joule. Tha an lùth a 'sgèith mosgìoto trillion amannan tuilleadh. Ann kinescope electrons a 'luathachadh bholtaids nas motha na 10 Kv. Tha mòran accelerators ruighinn mòran nas àirde lùiths a thomhas mega, giga agus Tera-electron-volts.

ghnèithean

Tha cuid de na ciad sheòrsaichean Particle accelerators, leithid bholtaids iomadachaidh agus an gineadair Van de Graaff generator, a 'cleachdadh daonnan dealain achadh a chruthachadh leis an potentials de suas ri millean volts. Leis cho àrd 'voltages obair furasta. A tuilleadh practaigeach eile a tha an gnìomh a-rithist lag dealain-achaidhean a dhèanamh ìosal potentials. Tha am prionnsapal seo a chleachdadh ann an dà sheòrsa nuadh accelerators - sreathach agus chuairteach (mar as trice cyclotrons agus synchrotrons). Linear Particle accelerators, ann goirid, a chaidh aontachadh riutha aon turas tro sreath de luathachadh achaidhean, fhad 'sa cyclically mòran amannan iad a' gluasad timcheall ann an cearcall frith-rathad tro caran beag dealain achadh. Anns gach suidheachadh, a 'chuairt dheireannach lùth na pìosan crochadh air an t-iomlan achadh an gnìomh, mar sin, gu bheil mòran beag "cnapan" air an cur ri chèile a thoirt còmhla bhuaidh aon mòr.

Tha an ath-structar a sreathach accelerator a ghineadh dealain-achaidhean ann an dòigh nàdarra a tha a 'cleachdadh na AC, nach DC. Tha deimhinneach uallach pìosan a tha grad gu àicheil agus a dh'fhaodadh a bhith a 'faighinn spionnadh as ùr, ma seachad mhath. Ann an cleachdadh, an bholtaids a dh'fheumas a bhith air atharrachadh gu math luath. Mar eisimpleir, aig an lùth de 1 MeV proton a 'gluasad aig astar glè àrd a tha an astar solas 0,46, a' dol seachad 1.4 m de 0.01 ms. Tha seo a 'ciallachadh gu bheil ann an ath-structar beagan meatair a dh'fhaid, an dealain-achaidhean Feumaidh atharrachadh aig tricead de co-dhiù 100 MHz. Linear agus chuairteach accelerators pìosan mar as trice a 'sgaoileadh iad le atharrachadh eadar dealain achadh tricead bho 100 MHz 3000, t. E. Ann an raon de rèidio tonn ri meanbh thonnan.

Tha an dealan-thonn 'S e measgachadh de oscillating dealain agus iùil-tharraingeach achaidhean oscillating aig ceart-cheàrn ri chèile. Tha na prìomh phuing a tha a 'gleusadh an accelerator tonn mar sin aig a' tighinn na pìosan dealain achadh air a stiùireadh ann an co-rèir ri luathachadh Vector. Faodar seo a dhèanamh le bhith a 'cleachdadh na sheasamh tonn - a' measgachadh nan tonn a 'siubhal ann mu choinneamh stiùireadh ann an àite dùinte, fuaim tuinn anns a' phìob organ. An eile embodiment airson gluasad gu luath electrons velocities aig a bheil a 'tighinn air astar solas,-siubhail tonn.

autophasing

An cudromach bhuaidh an astar a chur anns an uisge seach achadh 'S e "seasmhachd ìre". Ann an aon oscillation cearcall seach dol tro achadh bho neoni an luach as motha air ais gu neoni, tha e a 'lùghdachadh a' char as lugha agus ag èirigh gu neoni. Mar sin, tha e a 'dol tro dà uair an luach a dhìth airson luathachadh. Ma Particle aig a bheil velocity 'meudachadh, a' tighinn ro thràth, cha toir e ag obair air achadh gu leòr neart, agus putaidh bi lag. Nuair a ruigeas e an ath sgìre, na deuchainn anmoch agus barrachd buaidh. Mar thoradh air, fèin-abairtean a 'tachairt, bidh na pìosan ann an ìre leis gach achadh ann an sgìre a' fàs luath. Another 'bhuaidh a tha a' bhuidhneachaidh b 'iad ann an àm gus a chruthachadh le cleideag seach leantainneach allt.

Tha an stiùireadh na saile

An cudromach ann mar a tha obraichean agus Particle accelerator, a 'cluich agus iùil-tharraingeach achaidhean, oir faodaidh iad atharrachadh a' stiùireadh an cuid gluasad. Seo a 'ciallachadh gun urrainn dhaibh a chleachdadh airson "cromadh" na saile ann an cruinn frith-rathad, mar sin tha iad tric a' dol tro na h-aon earrann a 'fàs luath. Anns a 'chùis sìmplidhe, air a chasaid Particle a' gluasad aig ceart-cheàrn ri stiùireadh an homogeneous magnat, feachd Vector ceart-cheàrnach ri dà chuid de a gluasad, agus a 'mhachair. Tha seo ag adhbhrachadh an sail gus gluasad timcheall ann an cearcall frith-rathad ceart-cheàrnach ri achadh, gus an tig e a-mach às an achadh no gnìomh eile feachd a 'tòiseachadh a bhith air. Tha seo a 'bhuaidh a tha air a chleachdadh ann an chuairteach accelerators mar synchrotron agus cyclotron. Ann an cyclotron, a 'sìor-achadh air a dhèanamh le mòr tàladh. Particles le meudachadh aca lùth gluasad spirally outwardly grad le gach revolution. Tha synchrotron clots gluasad timcheall an fhàinne le radius cunbhalach, agus a 'mhachair a chruthachadh leis an electromagnets air feadh an fhàinne a' meudachadh mar a tha pìosan grad. Tha magnets a 'toirt "' cromadh", a 'riochdachadh dipoles le tuath agus deas pòlaichean, crom ann an cruth eich gus am bi an sail urrainn seachad therebetween.

Tha an dàrna cudromach de dhleastanas an electromagnets tha a 'cur cudrom air na sailean mar sin a tha iad cho cumhang agus dian' sa ghabhas. Tha an riochd as sìmplidhe de cuimseachadh tàladh - le ceithir bataichean (dà tuath agus dà deas) suidhichte mu choinneamh a chèile. Tha iad a 'putadh na pìosan air an ionad ann an aon stiùireadh, ach a' toirt cothrom dhaibh a bhith air an sgaoileadh ann an ceart-cheàrnach. Quadrupole magnets a 'cuimseachadh air an sail a' chòmhnard, a 'leigeil ris a dhol a-mach à fòcas dìreach. Gus seo a dhèanamh, feumaidh iad a bhith air a chleachdadh ann an càraidean. Airson tuilleadh ceart a bhith ag amas air an cleachdadh cuideachd nas ionnsaichte magnets le àireamh mhòr de phòlaichean (6 agus 8).

Bho neart an Particle meudachadh, an neart an làrach magnat, stiùireadh dhaibh àrdachadh. Seo a 'cumail an sail air an aon slighe. Tha Curd Tha e a-steach do an fhàinne agus tha e gu grad a 'miannachadh lùth mus urrainnear a toirt a-mach agus a' cleachdadh ann an deuchainnean ann. Ais-tharraing a choileanadh le bhith a 'electromagnets a tha gnìomhach a ghluasad air adhart bhon synchrotron fàinne.

tubaist

Chasaid Particle accelerators a chleachdadh ann an stuth-leigheis agus gnìomhachas, a 'mhòr-chuid a dhèanamh sail airson adhbhar sònraichte, me, irradiation no ion implantation. Tha seo a 'ciallachadh gu bheil pìosan a cleachdadh uair. Bha an aon nì fìor accelerators a chleachdadh ann an rannsachadh bunaiteach airson iomadh bliadhna. Ach an fhàinne a leasachadh ann an 1970, anns a bheil dà shailean sgaoileadh ann mu choinneamh stiùireadh agus a 'bualadh na chèile air feadh an cuairt. Tha am prìomh bhuannachd a leithid siostaman a tha sin ann an tubaist bhon bheulaibh lùth de pìosan dol dìreach chun an eadar-obrachadh cumhachd eatorra. Tha seo eadar-dhealaichte air dè a thachras nuair a sail collides le pàipearachd dealbhan, anns a 'chùis' chuid as motha de na lùth a 'dol ris an lùghdachadh de na targaid stuth ann an gluasad, ann an co-rèir ris a' phrionnsabal de ghlèidhteachas a ghluasad.

Nithean innealan bualadh le sailean a tha air an togail le dà fhàinne, trasnaidh ann an dà no barrachd àiteachan, anns a bheil cuairteachadh ann an stiùireadh mu choinneamh, an pìosan den aon seòrsa. Tuilleadh cumanta Collider Particle-antiparticle. Antiparticle tha thall os cionn na pìosan co-cheangailte. Mar eisimpleir, positron, tha deimhinneach chasaid, agus electrons - dona. Tha seo a 'ciallachadh gu bheil an achadh a accelerates an electron, an positron leigeas às an astar, a' gluasad air an aon. Ach ma tha an dàrna a 'gluasad ann an rathad eile, bidh e a luathachadh. An ceudna, an electron a 'gluasad tro làrach magnat toil an lùb air an làimh chlì, agus an positron - làimh dheis. Ach ma tha an positron a 'gluasad air adhart, agus an uair sin e air an rathad Leanaidh gluasad gu ceart, ach air an aon lùb mar sin an electron. Ach, tha seo a 'ciallachadh gun urrainn pìosan a' gluasad tro na fàinne an synchrotron aon magnets agus luathachadh leis an aon dealan-achaidhean ann mu choinneamh a stiùireadh. Air phrionnsabal seo a chruthachadh iomadh cumhachdach colliders bualadh shailean t. Gus. An aon Feumaidh aon fàinne accelerator.

Beam ann an synchrotron nach eil e a 'gluasad a' sìor agus filleadh a-steach "cnapan." Faodaidh iad a bhith iomadh ceudameatair a dh'fhaid agus an deicheamh cuid de na mìle meatair ann an trast-thomhas, agus a 'dèanamh suas mu 10 ¹² pìosan. Tha seo a 'Ìosal Dùmhlachd, a chionn meud a leithid de stuth Tha mu 10 ²³ dadaman. Mar sin, nuair a bualadh sailean a 'coinneachadh, chan eil ach beag gu bheil coltachd a' pìosan a bhios a 'gabhail ri chèile. Ann an cleachdadh clots oirnn a 'gluasad timcheall an fhàinne agus a' coinneachadh a-rithist. Àrd Vacuum ann an accelerator de chasaid pìosan (10 ^-11 mm HG. V.) a tha a dhìth ann an òrdugh gu bheil na pìosan urrainn a chuairteachadh airson iomadh uair a thìde gun thubaistean le adhair molecules. Uime sin, an fhàinne a tha cuideachd a 'ghairm mean air mhean, a chionn sailean-rìribh a stòradh ann airson grunn uairean a thìde.

clàradh

Chasaid Particle accelerators anns a 'mhòr-chuid a' tachairt nuair a chlàradh an pìosan san targaid a bhualadh no eile sail, a 'gluasad ann an rathad eile. Ann an telebhisean dealbh tube, electrons bho ghunna a 'bualadh air an phosphor glacadh air an uachdar a-staigh agus a-mach solas, a chraoladh mar sin recreates an ìomhaigh. Ann accelerators leithid sònraichte lorgairean gabhail ri pìosan sgapte, ach tha iad mar as trice a chaidh a dhealbhadh gus a chruthachadh dealain comharran a ghabhas atharrachadh gu coimpiutair dàta agus mion-sgrùdadh a 'cleachdadh prògraman coimpiutair. -Mhàin uallach eileamaidean a dhèanamh comharran dealain a 'dol tron stuth, mar eisimpleir le ionization no excitation na dadaman, agus faodar a lorg dìreach. Tha neutral pìosan leithid neutrons no photons faodar a lorg gu neo-dhìreach tro bhith a 'giùlan pìosan fo chasaid gu bheil iad a' gluasad.

Tha mòran lorgairean sònraichte. Cuid dhiubh, leithid Geiger counter, a Particle cunntadh, agus cleachdaidhean eile, me, airson clàradh ceòl no velocity tomhas de lùth. Nuadh-lorgairean ann am meud agus teicneòlas, faodaidh atharrachadh bho cosgais bheag còmhla innealan mòra gas seòmraichean-lìonadh le uèirichean a lorg ionized ceòl a chruthachadh le uallach pìosan.

sgeulachd

Chasaid Particle accelerators 'mhòr-chuid a leasachadh airson sgrùdaidhean air na feartan aig atamach nuclei agus pìosan bhunaiteach. Bho fosgladh Bhreatainn fiosaig Ernest Rutherford ann an 1919, air barail an naitridean niuclas agus an alpha Particle, a h-uile rannsachadh ann an achadh niuclasach fiosaig gu 1932 a dhèanamh le helium nuclei, air a sgaoileadh leis a 'crìonadh nàdarra rèidio-beò eileamaidean. Nàdair alpha-pìosan tha lùth gluasaid de 8 MeV, ach Rutherford a 'creidsinn gum feum iad a bhith artificially grad gus fiù' s luachan nas àirde airson sùil a chumail air crìonadh trom nuclei. Aig an àm a bha e coltach a bhith doirbh. Ach, an àireamhachadh a dhèanamh ann an 1928 le Georgiem Gamovym (aig Oilthigh Gottingen, a 'Ghearmailt), a sheall gu bheil an ions faodar a chleachdadh aig mòran nas ìsle a neart, agus tha seo air a bhrosnachadh oidhirpean a thogail goireas a' toirt a-sail gu leòr airson Rannsachadh Niuclasach.

Tachartasan eile aig an àm seo a 'taisbeanadh na prionnsabalan air a bheil an dleastanas Particle accelerators air an togail gus an là'n diugh. Tha a 'chiad deuchainnean soirbheachail le artificially grad ions a chumail Cockroft agus Walton ann an 1932 aig Oilthigh Cambridge. Le bhith a 'cleachdadh bholtaids iomadachaidh, protons a' luathachadh gu 710 keV, agus sheall e gun robh an dàrna toirt fa-near le lithium a chruthachadh dà alpha pìosan. Le bhith a '1931, aig Oilthigh Princeton ann an New Jersey, Raibeart Van de Graaff electrostatic crios a thogail a' chiad àrd-comas generator. Bholtaids iomadachaidh Cockcroft-Walton gineadairean agus Van de Graaff gineadair a tha fhathast air a cleachdadh mar stòran lùtha airson accelerators.

Tha am prionnsapal sreathach buadhaiche air brìgh accelerator chaidh a shealltainn Rolf Widerøe ann an 1928. Tha an Rhine-Westphalian Teicnigeach Oilthigh ann an Aachen, a 'Ghearmailt, chleachd e àrd AC bholtaids a luathachadh an sodium agus potassium ions gu neart ann an còrr air dà amannan ri innse dhaibh. Ann an 1931 anns na Stàitean Aonaichte Ernest Lourens agus a neach-cuideachaidh, Daibhidh Sloan an Oilthigh Chalifornia, Berkeley, a 'cleachdadh an àrd-tricead achaidhean a luathachadh Gaoithe ions gu neart nas motha na 1.2 MeV. Tha an obair seo cur accelerator trom fo chasaid pìosan Wideröe, ach an ion shailean nach eil feumail ann an rannsachadh niùclasach.

Magnetic a bheil cudromachd accelerator no cyclotron, a chaidh a thòiseachadh mar a dh'atharraichear Lawrence Wideröe stàladh. Oileanach Lawrence Livingston Sheall prionnsabal an cyclotron ann an 1931, a 'dèanamh an ions le lùth 80 keV. Ann an 1932, Lawrence agus Livingston dh'ainmich luathachadh de protons suas ri barrachd air 1 MeV. An dèidh sin anns na 1930an, lùth cyclotrons a ruighinn mu 25 MeV, agus Van de Graaff - mu 4 MeV. Ann an 1940, Dòmhnall Kerst, cur an gnìomh nan toraidhean cùramach àireamhachadh an reul-chuairt gu tàladh structar, a chaidh a thogail aig Oilthigh Illinois, a 'chiad betatron, iùil-tharraingeach inntrigidh electron accelerator.

Nuadh-fiosaig: Particle accelerators

An dèidh an Dara Cogaidh bha adhartas luath ann an saidheans a 'fàs luath pìosan àrd neart. Thòisich e Edwin McMillan aig Berkeley agus Vladimir Veksler ann am Moscow. Ann an 1945, tha iad an dà chuid gu neo-eisimeileach bho chèile air a mhìneachadh prionnsabal ìre seasmhachd. Tha seo a 'bhun-bheachd a' tabhann dòigh a chumail suas an stàball orbits de na pìosan ann an accelerator cruinn a thoirt air falbh bacaidhean air an proton lùth agus chuidich chruthachadh iùil-tharraingeach a bheil cudromachd accelerators (synchrotrons) airson electrons. Autophasing, a chur an gnìomh prionnsabal ìre seasmhachd, a chaidh a dhearbhadh an dèidh a 'togail beag synchrocyclotron aig Oilthigh California agus an synchrotron ann an Sasainn. Goirid às dèidh sin, a 'chiad proton sreathach buadhaiche air brìgh accelerator a chruthachadh. Tha am prionnsapal seo a chleachdadh ann a h-uile prìomh proton synchrotrons a chaidh a thogail bhon uair sin.

Ann an 1947, Uilleam Hansen, aig Oilthigh Stanford ann an California, a chaidh a thogail a 'chiad electron sreathach accelerator aig siubhail tonn, a chleachd a microwave an teicneòlas a tha air a bhith a' leasachadh airson radar aig àm an Dàrna Cogaidh.

Adhartas ann an rannsachadh a chaidh a dhèanamh comasach le bhith a 'meudachadh na proton lùth, a thug an togail a-riamh nas motha accelerators. Tha seo a 'àrd-saothrachaidh cosgais mhòr tàladh fàinne air a bhith a' stad. As motha cuideam timcheall air 40,000 tunna. Dòighean-obrach airson a 'meudachadh cumhachd gun inneal meud fàs a chaidh a shealltainn ann an 1952 mu godu Livingstone, Courant Snyder agus dòigh-obrach a bhith ag amas air seach (ris an canar uaireannan a' cur cudrom làidir). Synchrotrons ag obair air a 'phrionnsabail seo, a' cleachdadh magnets 100 uair nas lugha na roimhe. A leithid a bhith ag amas air a chleachdadh anns a h-uile latha an-diugh synchrotrons.

Ann an 1956 Kerst thuig ma tha an dà sheata de na pìosan air an gleidheadh air trasnaidh orbits, faodaidh tu coimhead orra a 'bualadh na chèile. Tha iarrtas a 'bheachd seo a dhìth an cruinneachadh grad shailean ann chearcallan, ris an canar mean air mhean. An teicneolas seo air a choileanadh a 'char as cumhachd an eadar pìosan.