Зарядталған бөлшектердің сызықтық үдеткіші. бөлшектердің ретінде үдеткіші жұмыс істейді. Неге бөлшек үдеткіштері?

зарядталған бөлшектердің үдеткіші -, онда шамамен жылдамдықпен электр зарядталған атом немесе элементар бөлшектер шоғыр құрылғы. Оның жұмысының негізі олардың арттыру қажет электр өрісі энергиясы магнит - және траекториясын өзгерту.

бөлшек үдеткіштері қандай?

Бұл құрылғылар кеңінен ғылым мен өнеркәсіптің түрлі салаларында пайдаланылады. Бүгінгі күні бүкіл әлем бойынша 30-дан астам мың бар. зарядталған бөлшектердің үдеткіші физика табиғи орын емес, атомдар құрылысының, ядролық күштер мен ядролық қасиеттерін сипаты, бойынша негізгі зерттеулер құралы ретінде қызмет етеді. Соңғы трансурандық және басқа да тұрақсыз элементтері кіреді.

разряд түтік нақты зарядты анықтау мүмкін болды бар. Зарядталған бөлшек үдеткіштері, сондай-ақ өнеркәсіптік радиография, сәулелі терапия, биологиялық материалдарды зарарсыздандыру үшін, және, радиоизотоптарды өндіру үшін пайдаланылады Радиоуглеродный талдау. ірі бірлік іргелі өзара зерттеу қолданылады.

үдеткіш қатысты қалған зарядталған бөлшектердің өмір бойы бөлшектердің деп жақын жылдамдықпен жедел аз жарық жылдамдығы. Бұл жолы станцияларының салыстырмалы аз мөлшерін растайды. Мысалы, жоңышқа Мюонды 0,9994c жылдамдығы өмірінің ұзаруын 29 рет қол жеткізілді.

Бұл мақалада бөлшектердің үдеткіші, оның дамуына, әр түрлі түрлері мен түрлі мүмкіндіктерге ішіндегі нәрсеге және жұмыс көрінеді.

жеделдету принциптері

Қарамастан, сіз білесіз зарядталған бөлшектердің үдеткіші қандай, олар барлық ортақ элементтері бар. Біріншіден, олар теледидар сурет түтік немесе электрондардың жағдайда электрон, протон және үлкенірек қондырғыларды жағдайда олардың античастиц көзі болуы тиіс. Сонымен қатар, олар өздерінің барлық траекториясын бақылауға бөлшектер мен магнит өрістерін жеделдету электр өрістерін болуы тиіс. Сонымен қатар, зарядталған бөлшектердің үдеткіші (10 ^-11 мм рт.ст.. V.) вакуум, М. Е. А қалдық ауаның ең аз саны, ұзақ уақыт өмір арқалықтар қамтамасыз ету үшін қажет. Соңында, барлық қондырғылар, үдетілген бөлшектердің санау және өлшеу тіркеу құралдары болуы тиіс.

ұрпақ

ең жиі үдеткіші пайдаланылады протондар мен электрондардың, барлық материалдар табылған, бірақ бірінші олардан таңдау керек. Электрондар әдетте сурет түтік сияқты, сол жолмен қалыптасады - бұл «тапаншасы» деп аталатын құрылғыда. Бұл электрондар атомдар өшіру келіп бастайды мемлекет қызады, ол вакуумда катод (теріс электрод) болып табылады. Теріс зарядталған бөлшектер анод (оң электрод) тартылды және розеткаға арқылы тапсырады. электрондар электр өрісінің әсерінен қозғалатын себебі мылтық өзі үдеткіш ретінде қарапайым болып табылады. әдетте ауқымы 50-150 кВ анодты және катодты арасындағы кернеу.

Бұдан басқа, барлық материалдар электрондардың протондар қамтылған, бірақ сутегі атомдарының тұратын тек бір протон ядросы. Сондықтан, протондар үдеткіші үшін бөлшектердің көзі сутегі газ болып табылады. Бұл жағдайда, газ иондалған және протондар тесік арқылы орналасқан. үлкен үдеткіші протондар жиі теріс сутегі иондарының түрінде қалыптасады. Олар атомды газ иондалуы өнім болып табылады атомдарының қосымша электрон білдіреді. оңай жұмыс бастапқы кезеңдерінде теріс зарядталған сутек иондарының бастап. Сонда олар жеделдету қорытынды кезеңінің алдындағы электрондардың оларды айырады жұқа фольга, арқылы өтеді.

жылдамдату

бөлшек үдеткіштері жұмыс ретінде? Олардың барлық басты ерекшелігі электр өрісі болып табылады. қарапайым мысал - электр батарея терминалдары арасында болатын ұқсас оң және теріс электр потенциалдарының арасындағы бірыңғай статикалық өрісі. теріс зарядты асыратын Бұл электрон өріс оң әлеуетін жолдайды күш ұшырайды. Ол оны тездетеді, және осылайша тұра еді нәрсе, оның жылдамдығы мен қуаты артуы байқалады, егер. олар анод жақындап ретінде сым немесе ауада оң әлеуеті қарай қозғалатын электрондар, мен атомдар тап энергиясын жоғалтады, бірақ олар вакуум астында орналасқан болса, онда жедел.

электрондардың анықтайды басталу және аяқталу лауазымына арасындағы шиеленіс оларға энергиясын сатып алды. 1 В потенциалдар айырмасының арқылы жылжытқанда 1 электрон-Вольт (эВ) тең. Бұл 1,6 × 10 ^-19 Джоуль тең. ұшатын Комаров триллион есе көп энергия. кинескопа электрондар кернеу артық 10 кВ тездетіледі. Көптеген үдеткіштері әлдеқайда жоғары энергиялар өлшенеді мега, гига және Tera-электронды-вольт жетеді.

түрлері

сияқты жылдамдатқыш ерте түрлерін, кейбір кернеу мультипликаторы дейін миллион вольт потенциалдар жинақталатын тұрақты электр өрісін пайдаланып және генератор Ван де Graaff генератор. Осындай жоғары кернеу оңай жұмыс. Практикалық астам балама төмен әлеуеті өндірді әлсіз электр өрістерінің қайталап іс-қимыл болып табылады. сызықтық және циклдік (негізінен циклотрон және синхротронах) - Бұл принцип қазіргі заманғы үдеткіші екі түрі қолданылады. циклдік бірнеше рет олар салыстырмалы түрде шағын электр өрісі арқылы айналма жолында жылжыту кезінде Сызықтық бөлшек үдеткіштері, қысқа, жеделдету өріс ретпен арқылы бір рет оларды өтті. Көптеген шағын «соққылар» бір үлкен аралас әсер беруге бірге қосылады, сондықтан екі жағдайда да, бөлшектердің соңғы энергетикалық, іс-қимыл жалпы саласындағы байланысты.

табиғи жолмен электр өрістерін жасау үшін сызықтық үдеткіш қайталанатын құрылымы AC емес, DC пайдалану болып табылады. оң өтеді, егер оң зарядталған бөлшектер, теріс әлеуетіне жедел және жаңа серпін алуға жатыр. Іс жүзінде, кернеу өте тез өзгертілуі тиіс. Мысалы, өте жоғары жылдамдықпен 1 МэВ Протон Қадам энергиясы бойынша 0,01 мс 1,4 м өтіп, 0,46 жарық жылдамдығы. Бұл бірнеше метр ұзақ қайталанбалы құрылымында, электр өріс кем дегенде 100 МГц жиілікте бағытын өзгерту керек дегенді білдіреді. Сызықтық және циклдік үдеткіштері бөлшектер әдетте микротолқын радиотолқындар ауқымы Т. Е., 3000 100 МГц айнымалы электр өрісі жиілігі бытыратып жіберген.

электромагниттік толқындар бір-бірімен перпендикуляр ауытқып тербелмелі электрлік және магниттік өрістердің тіркесімі болып табылады. негізгі нүктесі бөлшектердің келу кезінде электр өрісі жеделдету вектор сәйкес бағытталған етіп үдеткіші толқынын реттеу болып табылады. жабық кеңістікте қарама-қарсы бағытта толқындардың үйлесімі, құбыр органда дыбыс толқындарын - Бұл тұрақты толқынын көмегімен жасауға болады. жылдамдығы жарық жылдамдығын, жүгіртпе толқын жақындап тез қозғалатын электрондардың үшін балама іске асуы.

autophasing

айнымалы электр өрісі жеделдету маңызды әсер «кезеңі тұрақтылық» болып табылады. Бір тербеліс цикл айнымалы өріс кері нөлге ең жоғары мәні нөлге арқылы өтеді, ол барынша азаяды және нөлге көтеріледі. Осылайша, ол жеделдету үшін қажетті құн арқылы екі рет өтеді. оның жылдамдығы артады, бұл бөлшектердің ерте тым келсе, ол жеткілікті күш өрісін жұмыс істемейді, ал серпе әлсіз болады. ол келесі аймағын, сынақ соңында және одан әсер жеткенде. өзін-өзі айналымнан орын Нәтижесінде, бөлшектер жеделдету аймақтағы әрбір өріс бар фазада болады. Тағы бір әсер сгусток гөрі үздіксіз ағынын қалыптастыру үшін уақыт оларды топтау болып табылады.

сәуленің бағыты

олар қозғалыс бағытын өзгертуге болады, себебі қалай жұмыстар мен бөлшектердің үдеткіші, ойын және магниттік өрістер маңызды рөл. Бұл олар дөңгелек жолындағы сәуленің «иілу» үшін пайдаланылуы мүмкін екенін білдіреді, сондықтан олар қайта-қайта сол жеделдетуге бөлімі арқылы өтті. біртекті магнит өрісінің бағытына оң бұрышта қозғалатын зарядталған бөлшектер туралы қарапайым жағдайда, оның қозғалысының екі перпендикуляр күші векторын жылы және жолаққа. ол іс-қимыл, оның саласында шығады немесе басқа да форс оған әрекет бастағанша Бұл, сәулелік жолаққа перпендикуляр айналма жолына қозғалысын тудырады. Бұл нәтиже осындай магнитотормозное және циклотрон ретінде циклдік үдеткіші пайдаланылады. циклотрон жылы тұрақты өріс үлкен магнит арқылы өндіріледі. әрбір революция бар жедел сыртқа спиральдың жылжымалы олардың энергиясын ұлғайту бөлшектер. синхротрон қоюланып тұрақты радиусы сақина айналасында қозғалады, және бөлшектер ретінде сақина артады айналасында электр жинақталатын далалық тездетіледі. арқалық Санағыш өтуге болады, сондықтан «иілу» қамтамасыз магниттер, таға түрінде иілген Солтүстік және Оңтүстік полюстер бар еңістігінің, білдіреді.

электр екінші маңызды функциясы, олар мүмкіндігінше сондықтан тар және қарқынды етіп арқалықтар көңіл болып табылады. төрт полюсте (екі солтүстік және оңтүстік екі) бір-бірімен қарама-қарсы орналасқан - бұл фокустау магнит қарапайым нысаны. Олар бір бағытта орталығына бөлшектердің итеріп, бірақ оларға перпендикуляр таратуға мүмкіндік береді. Квадрупольного магниттер оған тігінен назарында шығуға мүмкіндік беретін, көлденең сәулесін көңіл. Бұл әрекетті орындау үшін, олар жұптасып қолданылуы тиіс. фокустау неғұрлым дәл үшін, сондай-ақ полюстер (6 және 8) үлкен саны бар, аса күрделі магниттер пайдаланылады.

оларға артады бағыттап, бөлшектер артады энергетика, магнит өрісінің күші бастап. Бұл сол траектория бойынша сәулесін сақтайды. сүзбе сақина енгізіледі және ол алынған және эксперименттер пайдаланылуы мүмкін алдында қалаған энергияға тездетіледі. Терiске шығару синхротрон сақина бөлшектер итеру үшін белсендірілген электр арқылы қол жеткізіледі.

соқтығысу

, Медицина мен өнеркәсіпте пайдаланылатын жылдамдатқыш зарядталған негізінен белгілі бір мақсаты, мысалы, сәуле немесе иондық имплантация үшін сәулесін шығарады. Бұл бөлшектер бір рет пайдаланылатын дегенді білдіреді. сол көптеген жылдар бойы негізгі зерттеулер пайдаланылатын үдеткіші, шынайы болды. Бірақ сақиналар екі арқалықтар қарама-қарсы бағытта айналатын, онда 1970 жылы әзірленген және тізбектің айналасында соқтығысып болды. Мұндай жүйелердің негізгі артықшылығы бөлшектердің соқтығысу лобового энергетика олардың арасындағы өзара іс-қимыл энергиясы тікелей жүріп, бұл. Бұл сәулелік Импульстің сақталу принципіне сәйкес, энергия ең қозғалыс мақсатты материал қысқарту барады, бұл жағдайда стационарлық суреттермен соқтығысқанға кезде не болатынын айырмашылығы.

қарсы пучках Кейбір машиналар қарама-қарсы бағытта айналатын екі немесе одан да көп жерлерде қиылысатын екі сақина, бір типті бөлшектер салынды. Толығырақ ортақ коллайдер бөлшектердің-античастица. Античастицы байланысты бөлшектердің қарсы заряд бар. Мысалы, позитрондық, оң зарядталған, ал электрондар отыр - теріс. Бұл электрон тездетеді өрісі, позитрондық сол бағытта қозғалып, бәсеңдемейтін білдіреді. қарама-қарсы бағытта соңғы жылжытылады Бірақ, егер ол жеделдетеді. оң - Сол сияқты, электрон сол магнит өрісі ерік қисық, және позитрон арқылы қозғалатын. позитрон алға егер Бірақ, содан кейін оның жолы қабылданбайды оңға жалғастыру, бірақ электрон сияқты бірдей қисық болады. Алайда, бұл бөлшектер синхротрон сол магниттер сақина арқылы жылжыту және қарама-қарсы бағытта бірдей электр өрістер бойынша жедел алады дегенді білдіреді. Бұл принцип бойынша Т, пучкам көптеген қуатты коллайдер құрылған. үшін. The тек бір айналма үдеткіші талап етеді.

магнитотормозное жылы Beam үздіксіз қозғалатын және біріктірілген емес, «кей». Олар ұзындығы мен диаметрі миллиметрге оннан бірнеше сантиметр болуы, және шамамен ^{12 Қазан} бөлшектер қамтуы мүмкін. Бұл төмен тығыздығы, осындай материалды мөлшері шамамен ^{23 Қазан} атомдар бар болғандықтан. а пучках қиылысатын кезде Сондықтан, бөлшектер бір-бірімен әрекет деп аз ғана ықтималдық бар. Практикада қоюланып сақина айналасында жылжыту және қайта жалғастырамыз. зарядталған бөлшектердің (10 ^-11 мм рт.ст.. V.) бойынша үдеткіші жоғары вакуумды бөлшектер ауаның молекулалары бар қақтығыс жоқ көптеген сағат айнала алатындай үшін қажет. арқалықтар шын мәнінде бірнеше сағат бойы ондағы сақталған, өйткені Демек, сақина, сондай-ақ, жиынтық деп аталады.

тіркеу

көптеген зарядталған бөлшек үдеткіштері тіркеуге болады бөлшектер қарама-қарсы бағытта қозғалып, мақсатты немесе басқа да сәулесін соққы кезде орын алады. телевизиялық сурет түтікке, тапанша электрондар ішкі бетіндегі фосфор экранды соққы және осылайша берілетін суретті жаңғыртуға жарық шығаратын. үдеткіші осындай мамандандырылған детекторлар Ұмытшақ бөлшектер жауап, бірақ олар, әдетте, компьютерлік деректер айналдыруға және компьютерлік бағдарламалар арқылы талдауға болады электр сигналдарын жасау үшін арналған. Тек элементтер атомдарының иондалуы немесе қозғау арқылы, мысалы, материалдық арқылы өтетін электр сигналдарын өндіруге, және тікелей анықтауға болады тапсырды. мұндай нейтрондардың немесе фотонды ретінде бейтарап бөлшектер олар қозғалыста болады зарядталған бөлшектердің мінез-арқылы жанама анықтауға болады.

көптеген мамандандырылған детекторлар бар. Мұндай энергияны тректерді немесе жылдамдығын өлшеу жазу үшін, мысалы Гейгера, бөлшектердің санау, және басқа да пайдалану, сондай-ақ олардың кейбіреулері,. мөлшері мен технологияның қазіргі заманғы детекторлар, зарядталған бөлшектер өндірілген иондалған тректерді анықтау сымдар бар ірі газ толтырылған палаталарының шағын заряд жалғасатын құрылғылардан әр түрлі болуы мүмкін.

әңгіме

Зарядталған бөлшектердің үдеткіші негізінен атом ядроларының және элементар бөлшектердің қасиеттерін зерттеу үшін жасалды. 1919 жылы британдық физик Эрнест Рутерфорд ашылғаннан бастап, азот және альфа бөлшектерінің ядросы реакциялары, ядролық физикадағы барлық зерттеулер 1932 жылға дейін табиғи радиоактивті элементтердің ыдырауы нәтижесінде шығарылған гелий ядроларымен жүргізілді. Табиғи альфа бөлшектердің 8 МэВ кинетикалық энергиясы бар, бірақ Рутерфорд ауыр ядролардың ыдырауын бақылап отыру үшін жасанды түрде оларды одан да көп құндылықтармен жеделдету керек деп санайды. Сол кезде қиын болды. Алайда 1928 жылы Георгий Гамов (Германияның Гёттинген қаласындағы) есептеуі бойынша, әлдеқайда төмен энергияларға ие иондар қолданыла алады және бұл ядролық зерттеулерге жеткілікті пучок қамтамасыз ететін қондырғыны салу әрекетін ынталандырды.

Осы кезеңдегі басқа оқиғалар зарядталған бөлшектердің үдеткіші бүгінгі күнге дейін құрылған принциптерді көрсетті. Жасанды жылдамдатылған иондармен алғашқы табысты эксперименттерді Кокбридж университетінде 1932 жылы Cockcroft пен Уолтон жасаған. Кернеу мультипликаторын пайдалана отырып, олар протондарды 710 кэВ-қа дейін жылдамдатады және соңғы екі альфа бөлшектерін қалыптастыру үшін литий ядросымен әрекеттесетіндігін көрсетті. 1931 жылы Нью-Джерси қаласындағы Принстон университетінде Роберт Ван де Граф жоғары әлеуеттің бірінші белбеу электростатикалық генераторын салған. Cokroft-Walton кернеу мультипликаторлары және Van de Graaff генераторлары әлі де үдеткіштер үшін энергия көздері ретінде пайдаланылады.

1928 жылы Рольф Видерёдің желілік резонанс үдеткіші принципін көрсетті. Германияның Аахендегі Рейн-Вестфалия Техникалық Университетінде ол екі рет берген натрий мен калий иондарын жылдамдату үшін жоғары айнымалы кернеуді пайдаланды. 1931 жылы АҚШ-та, Эрнест Лоуренс пен оның көмекшісі Дэвид Слоан, Калифорния университетінің Беркли, 1,2 МэВ-ден асатын энергияға сынап иондарын жылдамдату үшін жоғары жиілікті өрістерді пайдаланды. Бұл жұмыс ауыр зарядталған бөлшектердің Wideröe үдеткіші арқылы толықтырылды, бірақ иондық сәулелер ядролық зерттеулерде пайдалы емес еді.

Магниттік резонансты үдеткіш немесе циклотрон Лоуренспен Wideröe қондырғысының модификациясы ретінде ойластырылды. Лоуренс Ливингстонның студенті 1931 жылы циклотрон принципін көрсетті, ол 80 кэВ энергиясы бар иондар шығарады. 1932 жылы Лоренс және Ливингстон протондардың 1 МэВ-ден астамын үдету туралы жариялады. Кейінірек 30-шы жылдары циклотрон энергиясы шамамен 25 МэВ, Ван де Грааф генераторлары шамамен 4 МэВ-қа жетті. 1940 жылы Дональд Керст, магниттерді жобалауға орбитаны мұқият есептеулердің нәтижелерін пайдалана отырып, Иллинойс университетінде магнитті индукциялық электронды үдеткіштегі бірінші бетаатронды салады.

Заманауи физика: зарядталған бөлшектердің үдеткіші

Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін бөлшектердің жоғары энергияға айналу ғылымы жылдам прогреске қол жеткізді. Ол Беркли мен Эдвин Макмилланды Мәскеуде Владимир Векслерге бастады. 1945 жылы олар фаза тұрақтылығының принципін өздігінен сипаттады. Бұл ұғым протондардың энергиясына шектеуді алып тастап, электрондардың магниттік резонансты үдеткіштерін (синхротрондарды) жасауға мүмкіндік беретін циклдік үдеткіште бөлшектердің тұрақты орбиталарын ұстап тұруға мүмкіндік береді. Фазалық тұрақтылық қағидасын іске асыру автофаза, Калифорния университетінде және синхротронда Англияда кішкентай синхроксиклоцронды салудан кейін расталды. Көп ұзамай алғашқы протон сызықты резонансты үдеткіш құрылды. Бұл принцип сол уақыттан бері жасалған барлық ірі протон синхротрондарында қолданылады.

1947 жылы Калифорниядағы Стэнфорд университетінде Уильям Хэнсен Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде радиолокация үшін әзірленген микротолқынды технологияны қолданып, саяхатшы толқында бірінші желілік электронды үдеткішті салған.

Зерттеудегі прогресс протондар энергиясын ұлғайту есебінен мүмкін болды, бұл үлкен жылдамдатқыштардың құрылысына әкелді. Бұл үрдіс үлкен сақиналық магнит жасаудың қымбатшылығымен тоқтатылды. Ең үлкен салмағы 40 мың тонна. Машиналардың мөлшерін жоғарыламай энергияны жоғарылату әдістемесі Ливингстон, Кулент және Снайдермен 1952 жылы ауыспалы фокустау әдісінде (кейде күшті фокустау деп аталатын) көрсетті. Осы принцип бойынша жұмыс істейтін синхротрондар бұрынғыға қарағанда 100 есе аз магниттерді пайдаланады. Мұндай фокустау барлық заманауи синхротрондарда қолданылады.

1956 жылы Керстің айтуынша, егер орбиталармен қиылысатын бөлшектердің екі жиынтығы болса, олардың соқтығысуын байқауға болады. Осы идеяның қолданылуы кумулятивтік шоқтар деп аталатын циклдарда жылдамдықты шоқтарды жинақтауды талап етті. Бұл технология бөлшектердің өзара әрекеттесуінің максималды энергиясына қол жеткізуге мүмкіндік берді.