En laddad partikelaccelerator är en klass av enheter för att producera laddade partiklar ( elementarpartiklar , joner ) med hög energi. De största acceleratorerna är dyra anläggningar som kräver internationellt samarbete. Till exempel är Large Hadron Collider (LHC) vid CERN , som är en nästan 27 kilometer lång ring, resultatet av tiotusentals forskare från mer än hundra länder. LHC gjorde det möjligt för protoner med en total energi på 13 TeV att kollidera i masscentrumsystemet av inkommande partiklar, vilket är världsrekord [1] .
Accelererade partiklar med relativt låg energi används för att få en bild på en TV-skärm eller ett elektronmikroskop , för att få röntgenstrålar ( katodstrålerör ), för att förstöra cancerceller och för att döda bakterier. När laddade partiklar accelereras till energier över 1 megaelektronvolt (MeV), används de för att studera strukturen hos mikroobjekt (till exempel atomkärnor ) och naturen hos fundamentala krafter . I ett antal installationer som kallas kolliderar , för att öka effektiviteten av att använda partiklars energi, kolliderar deras strålar (motstrålar) [2] .
Acceleratorns funktion är baserad på växelverkan mellan laddade partiklar med elektriska och magnetiska fält. Ett elektriskt fält kan utföra arbete på en partikel, det vill säga öka dess energi. Det magnetiska fältet, som skapar Lorentz-kraften , avleder bara partikeln utan att ändra dess energi och bestämmer den bana längs vilken partiklarna rör sig.
Strukturellt kan acceleratorer i grunden delas in i två stora grupper. Dessa är linjäracceleratorer , där partikelstrålen passerar genom accelerationsspalterna en gång, och cykliska acceleratorer , där strålarna rör sig längs slutna kurvor (till exempel cirklar), som passerar genom accelerationsgapen många gånger. Det är också möjligt att klassificera acceleratorer efter deras syfte: kolliderare , neutronkällor , boosters, källor för synkrotronstrålning , installationer för cancerterapi , industriella acceleratorer .
Ideologiskt den enklaste linjäracceleratorn. Partiklarna accelereras av ett konstant elektriskt fält och rör sig i en rak linje genom vakuumkammaren längs med vilken accelerationselektroderna är placerade. Acceleration av laddade partiklar sker genom ett elektriskt fält som är konstant eller något förändras under hela tiden för partikelacceleration. En viktig fördel med en högspänningsaccelerator i jämförelse med andra typer av acceleratorer är möjligheten att få en liten energispridning av partiklar som accelereras i ett tidskonstant och enhetligt elektriskt fält. Denna typ av acceleratorer kännetecknas av en hög verkningsgrad (upp till 95%) och möjligheten att skapa relativt enkla högkraftverk (500 kW och mer), vilket är mycket viktigt när acceleratorer används för industriella ändamål.
Högspänningsacceleratorer kan delas in i fyra grupper beroende på vilken typ av generatorer som skapar högspänning:
Acceleration i denna typ av maskiner sker av ett elektriskt virvelfält, som skapas av ferromagnetiska ringar med lindningar installerade längs strålens axel.
Linjär resonansacceleratorKallas även ofta för LINAC (förkortning för LINEar Accelerator). Acceleration uppstår av det elektriska fältet hos högfrekventa resonatorer . Linjäracceleratorer används oftast för den primära accelerationen av partiklar erhållna från en elektronkanon eller jonkälla. Men idén om en linjär kolliderare med full energi är inte heller ny. Den största fördelen med linacs är möjligheten att erhålla ultrasmå emittanser och frånvaron av energiförluster på grund av strålning, som växer i proportion till partikelenergins fjärde potens.
En cyklisk accelerator i vilken partiklar accelereras av ett elektriskt virvelfält som induceras av en förändring i det magnetiska flödet som omges av strålens omloppsbana. Eftersom för att skapa ett elektriskt virvelfält är det nödvändigt att ändra kärnans magnetfält, och magnetfält i icke- supraledande maskiner vanligtvis begränsas av effekterna av järnmättnad vid en nivå av ~20 kG, finns det en övre gräns för betatronens maximala energi. Betatroner används främst för att accelerera elektroner till energier på 10-100 MeV (den maximala energin som uppnås i betatronen är 300 MeV).
Den första betatronen utvecklades och skapades av Wideröe 1928 , som han dock inte lyckades lansera. Den första pålitliga betatronen skapades av D. V. Kerst först 1940-1941 i USA .
CyklotronI en cyklotron injiceras partiklar nära centrum av en magnet med ett enhetligt fält vid en låg initial hastighet. Vidare roterar partiklarna i ett magnetfält i en cirkel inuti två ihåliga elektroder, de sk. dees till vilka en elektrisk växelspänning appliceras. Partikeln accelereras vid varje varv av det elektriska fältet i gapet mellan deerna. För detta är det nödvändigt att frekvensen för förändringen i polariteten hos spänningen över dees är lika med frekvensen för partikelns varv. Med andra ord är cyklotronen en resonansaccelerator . Det är tydligt att med ökande energi kommer radien på partikelbanan att öka tills den lämnar magneten.
Cyklotronen är den första av de cykliska acceleratorerna. Den designades och byggdes först 1930 av Lawrence och Livingston , för vilken den första belönades med Nobelpriset 1939 . Hittills har cyklotroner använts för att accelerera tunga partiklar till relativt låga energier, upp till 50 MeV/nukleon.
MicrotronDet är också en accelerator för variabel multiplicitet. En cyklisk resonansaccelerator med ett konstant drivande magnetfält, som det hos en cyklotron, och en accelererande spänningsfrekvens. Idén med mikrotronen är att göra ökningen av partikelvarvtiden, som erhålls på grund av accelerationen vid varje varv, till en multipel av den accelererande spänningens oscillationsperiod.
FAGEn accelerator med en konstant (som i en cyklotron), men inhomogent fält, och en variabel frekvens av det accelererande fältet.
Phasotron (synkrocyklotron)Den grundläggande skillnaden från cyklotronen är frekvensen av det elektriska fältet som ändras under acceleration. Detta tillåter, på grund av autofasning , att öka den maximala energin för de accelererade jonerna i jämförelse med gränsvärdet för cyklotronen. Energin i fasotroner når 600-700 MeV.
SynchrophasotronCyklisk accelerator med konstant längd på jämviktsbanan. För att partiklarna ska förbli i samma omloppsbana under acceleration ändras både det ledande magnetfältet och frekvensen på det accelererande elektriska fältet.
SynchrotronEn cyklisk accelerator med en konstant omloppslängd och en konstant frekvens av det accelererande elektriska fältet, men med ett variabelt drivande magnetfält.
Accelerator-recuperatorI huvudsak är detta en linac, men strålen tappas inte efter användning, utan riktas mot den accelererande strukturen i "fel" fas och saktar ner, vilket ger tillbaka energi. Dessutom finns det multi-pass rekuperatoracceleratorer, där strålen, enligt mikrotronprincipen, gör flera pass genom accelerationsstrukturen (eventuellt längs olika banor), först får energi, sedan återför den.
Specialiserad källa för koherent röntgenstrålning.
Accelerator på kolliderande strålar. Rent experimentella anläggningar, vars syfte är att studera processerna för kollision av högenergipartiklar.
| partikelacceleratorer | ||
|---|---|---|
| Genom design |
| |
| Enligt överenskommelse | ||