Ο μεγαλύτερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο ετοιμάζεται να κυκλοφορήσει. Γραμμικοί φορτιστές σωματιδίων. Πώς λειτουργούν οι επιταχυντές σωματιδίων. Γιατί χρειαζόμαστε επιταχυντές σωματιδίων; Σε τι χρησιμεύει ο επιταχυντής σωματιδίων;

ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΟΣ ΑΞΕΣΟΥΑΡ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ
Επιταχυντές

Επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων - εγκαταστάσεις για την επιτάχυνση φορτισμένων σωματιδίων σε ενέργειες στις οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για φυσική έρευνα, στη βιομηχανία και στην ιατρική. Σε σχετικά χαμηλές ενέργειες, χρησιμοποιούνται επιταχυνόμενα σωματίδια, για παράδειγμα, για τη λήψη εικόνας σε οθόνη τηλεόρασης ή ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, δημιουργία ακτίνων Χ (σωλήνες καθοδικών ακτίνων), καταστροφή καρκινικών κυττάρων και θανάτωση βακτηρίων. Όταν τα φορτισμένα σωματίδια επιταχύνονται σε ενέργειες που ξεπερνούν το 1 megaelectronvolt (MeV), χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της δομής των μικρο-αντικειμένων (για παράδειγμα, των ατομικών πυρήνων) και της φύσης των θεμελιωδών δυνάμεων. Σε αυτήν την περίπτωση, οι επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων δρουν ως πηγές σωματιδίων δοκιμής που ανιχνεύουν το αντικείμενο που μελετάται.

Ο ρόλος του επιταχυντή σε ένα σύγχρονο πείραμα φυσικής απεικονίζεται στο σχήμα. Μια συσσωματωμένη δέσμη δοκιμαστικών σωματιδίων από τον επιταχυντή κατευθύνεται σε έναν λεπτό στόχο που ερευνάται, ο οποίος περιέχει, για παράδειγμα, πυρήνες οποιουδήποτε χημικού στοιχείου και τα σωματίδια δοκιμής που διασκορπίζονται από τον στόχο ή άλλα προϊόντα της αλληλεπίδρασής τους με τους πυρήνες στόχους καταγράφονται από έναν ανιχνευτή ή ένα σύστημα ανιχνευτών. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων του πειράματος παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη φύση της αλληλεπίδρασης και τη δομή του αντικειμένου που μελετάται.
Η ανάγκη χρήσης επιταχυντών για τη μελέτη μικρο-αντικειμένων όπως ατομικοί πυρήνες και στοιχειώδη σωματίδια οφείλεται στα ακόλουθα. Πρώτον, οι ατομικοί πυρήνες και τα στοιχειώδη σωματίδια καταλαμβάνουν μικρές περιοχές του διαστήματος (R< 10 -12 см), и проникновение в эти области требует высокой разрешающей способности (а значит и энергии) зондирующего пучка, обеспечивающей взаимодействие отдельной пробной частицы с отдельным микрообъектом. Во-вторых, чем меньше микрообъект, тем он прочнее и проведение экспериментов с перестройкой или разрушением внутренней структуры такого объекта также требует всё большей энергии.
Γνωρίζοντας το μέγεθος του αντικειμένου που μελετάται, είναι εύκολο να εκτιμηθεί η ενέργεια των σωματιδίων που απαιτούνται για τη μελέτη του. Τα σωματίδια έχουν ιδιότητες κυμάτων. Το μήκος κύματος ενός σωματιδίου εξαρτάται από την ορμή του p και δίνεται από τον τύπο de Broglie

Εδώ είναι η σταθερά του Planck και 1 fm \u003d 10 -13 cm. Ο παραπάνω τύπος δίνει επίσης μια σχέση μεταξύ του μήκους κύματος ενός σχετικιστικού σωματιδίου και της κινητικής του ενέργειας Ε σε μεγαλεκτρονόμετρα.
Σε ένα πείραμα σκέδασης, η δομή ενός αντικειμένου γίνεται «ορατή» (μέσω, για παράδειγμα, περίθλασης κυμάτων de Broglie) εάν το μήκος κύματος de Broglie είναι συγκρίσιμο με ή μικρότερο από το μέγεθος (ακτίνα) του αντικειμένου R, δηλαδή στο λ < R. Όταν χρησιμοποιείτε ηλεκτρόνια ως ανιχνευτικά σωματίδια μέσα στον πυρήνα, μπορεί κανείς να «κοιτάξει» εάν η ενέργεια των ηλεκτρονίων υπερβαίνει τα 100 MeV. Για να παρατηρηθεί η δομή ενός νουκλεόνιου, η ενέργεια ηλεκτρονίων πρέπει ήδη να υπολογίζεται σε gigaelectronvolts (1 GeV \u003d 10 9 eV).
Οι επιταχυντές διαφέρουν ως προς τον τύπο των επιταχυνόμενων σωματιδίων, τα χαρακτηριστικά της δέσμης (ενέργεια, ένταση κ.λπ.), καθώς και στο σχεδιασμό. Οι πιο συνηθισμένοι είναι οι επιταχυντές ηλεκτρονίων και πρωτονίων, καθώς αυτές οι δέσμες σωματιδίων είναι οι πιο εύκολες στην προετοιμασία. Στους σύγχρονους επιταχυντές που έχουν σχεδιαστεί για να μελετούν στοιχειώδη σωματίδια, τα αντισωματίδια (ποζιτρόνια, αντιπρωτόνια) μπορούν να επιταχυνθούν και προκειμένου να αυξηθεί η αποδοτικότητα της χρήσης της ενέργειας των σωματιδίων, οι ακτίνες τους σε διάφορες εγκαταστάσεις, που ονομάζονται συγκρούσεις, συγκρούονται (συγκρούσεις δέσμης) μετά την ολοκλήρωση του κύκλου επιτάχυνσης.
Κάθε επιταχυντής αποτελείται δομικά από τρία μέρη - ένα σύστημα όπου τα επιταχυνόμενα σωματίδια (εγχυτήρας) «κατασκευάζονται», ένα σύστημα επιταχυντή, όπου σωματίδια χαμηλής ενέργειας από έναν εγχυτήρα (συνήθως σχηματίζονται με τη μορφή δέσμων εντοπισμένων στο διάστημα) αυξάνουν την ενέργεια σε υψηλά επίπεδα κενό προς το σχεδιασμό και ένα σύστημα μεταφοράς (εξαγωγή) της δέσμης στην πειραματική εγκατάσταση.
Συμβατικά, από την άποψη της τροχιάς κατά την οποία τα σωματίδια κινούνται κατά την επιτάχυνση, οι επιταχυντές μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες - γραμμική (και άμεση δράση) και κυκλική. Σε γραμμικούς επιταχυντές, τα σωματίδια στη διαδικασία επιτάχυνσης κινούνται ευθύγραμμα και σε κυκλικά, είτε κατά μήκος της ίδιας κλειστής τροχιάς, περνώντας επανειλημμένα τα ίδια κενά επιτάχυνσης (συγχρονόμετρα), είτε κατά μήκος μιας τροχιάς που μοιάζει με μια σπείρα που ξετυλίγεται (κυκλοτρόνια, μικροτρόνια, φασοτρόνια) .

Το περιεχόμενο του άρθρου

ΑΞΕΣΟΥΑΡ ΜΕΡΩΝ,μια εγκατάσταση στην οποία κατευθύνονται δέσμες ηλεκτρονίων, πρωτονίων, ιόντων και άλλων φορτισμένων σωματιδίων με ενέργεια που υπερβαίνει σημαντικά τη θερμική ενέργεια χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Κατά τη διαδικασία επιτάχυνσης, οι ταχύτητες των σωματιδίων αυξάνονται και συχνά σε τιμές κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Προς το παρόν, χρησιμοποιούνται πολλοί μικροί επιταχυντές στην ιατρική (ακτινοθεραπεία) και επίσης στη βιομηχανία (για παράδειγμα, για εμφύτευση ιόντων σε ημιαγωγούς). Οι μεγάλοι επιταχυντές χρησιμοποιούνται κυρίως για επιστημονικούς σκοπούς - για τη μελέτη υποπυρηνικών διεργασιών και ιδιοτήτων στοιχειωδών σωματιδίων.

Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, μια δέσμη σωματιδίων, όπως μια φωτεινή δέσμη, έχει ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος. Όσο υψηλότερη είναι η ενέργεια των σωματιδίων, τόσο μικρότερο είναι αυτό το μήκος κύματος. Και όσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος, τόσο μικρότερα είναι τα αντικείμενα που μπορούν να μελετηθούν, αλλά όσο μεγαλύτεροι είναι οι επιταχυντές και τόσο πιο περίπλοκοι είναι. Η ανάπτυξη της έρευνας στον κόσμο του κόσμου απαιτούσε περισσότερη ενέργεια της δέσμης ανιχνευτών. Οι φυσικές ραδιενεργές ουσίες ήταν οι πρώτες πηγές ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας. Αλλά έδωσαν στους ερευνητές μόνο ένα περιορισμένο σύνολο σωματιδίων, εντάσεων και ενεργειών. Τη δεκαετία του 1930, οι επιστήμονες άρχισαν να εργάζονται για τη δημιουργία εγκαταστάσεων που θα μπορούσαν να παράγουν πιο διαφορετικά δοκάρια. Επί του παρόντος, υπάρχουν επιταχυντές που καθιστούν δυνατή την απόκτηση κάθε είδους ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας. Εάν, για παράδειγμα, απαιτείται ακτινογραφία ακτίνων Χ ή γάμμα, τότε τα ηλεκτρόνια υποβάλλονται σε επιτάχυνση, τα οποία στη συνέχεια εκπέμπουν φωτόνια στις διαδικασίες ακτινοβολίας bremsstrahlung ή synchrotron. Τα νετρόνια παράγονται βομβαρδίζοντας έναν κατάλληλο στόχο με έντονη δέσμη πρωτονίων ή δευτερονών.

Η ενέργεια των πυρηνικών σωματιδίων μετράται σε ηλεκτρονικά βολτ (eV). Electronvolt είναι η ενέργεια που αποκτάται από ένα φορτισμένο σωματίδιο που μεταφέρει ένα στοιχειώδες φορτίο (ηλεκτρονικό φορτίο) όταν κινείται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ δύο σημείων με πιθανή διαφορά 1 V. (1 eV »1,6021919 10 -19 J.) ενέργειας στην περιοχή από χιλιάδες έως αρκετά τρισεκατομμύρια (10 12) ηλεκτρονικά βολτ - στον μεγαλύτερο επιταχυντή στον κόσμο.

Για την ανίχνευση σπάνιων διαδικασιών στο πείραμα, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η αναλογία σήματος προς θόρυβο. Αυτό απαιτεί ολοένα και πιο έντονες πηγές ακτινοβολίας. Η αιχμή της σύγχρονης τεχνολογίας επιταχυντή καθορίζεται από δύο κύριες παραμέτρους - την ενέργεια και την ένταση της δέσμης σωματιδίων.

Πολυάριθμοι και ποικίλοι τύποι τεχνολογίας χρησιμοποιούνται στους σύγχρονους επιταχυντές: γεννήτριες υψηλής συχνότητας, ηλεκτρονικά υψηλής ταχύτητας και συστήματα αυτόματου ελέγχου, εξελιγμένες συσκευές διάγνωσης και ελέγχου, εξοπλισμός εξαιρετικά υψηλού κενού, ισχυροί μαγνήτες ακριβείας (τόσο "συμβατικοί" όσο και κρυογενικοί) και σύνθετα συστήματα προσαρμογής και στερέωσης.

ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ

Το κύριο σχήμα επιτάχυνσης σωματιδίων προβλέπει τρία στάδια: 1) σχηματισμός δέσμης και έγχυση, 2) επιτάχυνση δέσμης, και 3) εξαγωγή δέσμης στον στόχο ή σύγκρουση συγκρούσεων δοκών στον ίδιο τον επιταχυντή.

Σχηματισμός δέσμης και έγχυση δέσμης.

Το αρχικό στοιχείο κάθε επιταχυντή είναι ένας εγχυτήρας, ο οποίος περιέχει μια πηγή κατευθυνόμενης ροής σωματιδίων χαμηλής ενέργειας (ηλεκτρόνια, πρωτόνια ή άλλα ιόντα) και ηλεκτρόδια και μαγνήτες υψηλής τάσης που εξάγουν τη δέσμη από την πηγή και τη διαμορφώνουν. Στις πηγές πρωτονίων των πρώτων επιταχυντών, το αέριο υδρογόνο διήλθε μέσω της περιοχής της ηλεκτρικής εκφόρτισης ή κοντά σε ένα ερυθρό-θερμό νήμα. Υπό τέτοιες συνθήκες, τα άτομα υδρογόνου χάνουν τα ηλεκτρόνια τους και παραμένουν μόνο πυρήνες - πρωτόνια. Αυτή η μέθοδος (και παρόμοια με άλλα αέρια) σε βελτιωμένη μορφή χρησιμοποιείται ακόμη για τη λήψη δέσμης πρωτονίων (και βαρέων ιόντων).

Η πηγή σχηματίζει μια δέσμη σωματιδίων, η οποία χαρακτηρίζεται από τη μέση αρχική ενέργεια, το ρεύμα της δέσμης, τις εγκάρσιες διαστάσεις της και τη μέση γωνιακή απόκλιση. Ένας δείκτης της ποιότητας της εγχυόμενης δέσμης είναι η εκπομπή του, δηλ. το προϊόν της ακτίνας δέσμης από τη γωνιακή απόκλιση. Όσο χαμηλότερη είναι η εκπομπή, τόσο υψηλότερη είναι η ποιότητα της τελικής δέσμης σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Αναλογικά με την οπτική, το ρεύμα σωματιδίων διαιρούμενο με την εκπομπή (που αντιστοιχεί στην πυκνότητα σωματιδίων διαιρούμενη με τη γωνιακή απόκλιση) ονομάζεται φωτεινότητα δέσμης. Πολλές εφαρμογές σύγχρονων επιταχυντών απαιτούν την υψηλότερη δυνατή φωτεινότητα δέσμης.

Επιτάχυνση δέσμης.

Η δέσμη σχηματίζεται σε θαλάμους ή εγχύεται σε έναν ή περισσότερους θαλάμους του επιταχυντή, στον οποίο το ηλεκτρικό πεδίο αυξάνει την ταχύτητα και, κατά συνέπεια, την ενέργεια των σωματιδίων. Στους πρώτους, απλούστερους επιταχυντές, η ενέργεια των σωματιδίων αυξήθηκε σε ένα ισχυρό ηλεκτροστατικό πεδίο που δημιουργήθηκε μέσα σε έναν θάλαμο υψηλού κενού. Η μέγιστη ενέργεια που θα μπορούσε να επιτευχθεί σε αυτήν την περίπτωση καθορίστηκε από την ηλεκτρική ισχύ των μονωτών επιταχυντή. Σε πολλούς σύγχρονους επιταχυντές, ηλεκτροστατικοί επιταχυντές ηλεκτρονίων και ιόντων (έως ιόντα ουρανίου) με ενέργεια από 30 keV έως 1 MeV εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ως εγχυτήρες.

Η λήψη υψηλής τάσης παραμένει ένα πολύπλοκο τεχνικό πρόβλημα σήμερα. Μπορεί να ληφθεί φορτίζοντας μια ομάδα πυκνωτών συνδεδεμένων παράλληλα και έπειτα συνδέοντάς τους σε σειρά σε μια σειρά σωλήνων επιτάχυνσης. Με αυτόν τον τρόπο το 1932 οι J. Cockroft και E. Walton απέκτησαν τάσεις έως 1 MV. Ένα σημαντικό πρακτικό μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι η υψηλή τάση εμφανίζεται στα εξωτερικά στοιχεία του συστήματος, κάτι που είναι επικίνδυνο για τους πειραματιστές.

Μια άλλη μέθοδος απόκτησης υψηλής τάσης εφευρέθηκε το 1931 από τον R. Van de Graaf. Σε μια γεννήτρια Van de Graaff (Εικ. 1), μια διηλεκτρική ταινία μεταφέρει ηλεκτρικά φορτία από μια πηγή τάσης στο δυναμικό γείωσης σε ένα ηλεκτρόδιο υψηλής τάσης, αυξάνοντας έτσι το δυναμικό της σε σχέση με τη γείωση. Μια γεννήτρια Van de Graaff ενός σταδίου επιτρέπει τάσεις έως 10 MV. Σε επιταχυντές υψηλής τάσης πολλαπλών σταδίων, αποκτήθηκαν πρωτόνια με ενέργεια έως 30 MeV.

Εάν δεν απαιτείται συνεχής δέσμη, αλλά ένας σύντομος παλμός σωματιδίων υψηλής ενέργειας, τότε μπορεί κανείς να εκμεταλλευτεί το γεγονός ότι για μικρό χρονικό διάστημα (λιγότερο από ένα μικροδευτερόλεπτο) οι μονωτές είναι σε θέση να αντέχουν πολύ υψηλότερες τάσεις. Οι δίοδοι παλμού παρέχουν τάσεις έως και 15 MV ανά στάδιο σε κυκλώματα πολύ χαμηλής σύνθετης αντίστασης. Αυτό καθιστά δυνατή την απόκτηση ρεύματος δέσμης αρκετών δεκάδων χιλιομέτρων και όχι δεκάδων χιλιομέτρων, όπως στους ηλεκτροστατικούς επιταχυντές.

Η συνήθης μέθοδος για την παραγωγή υψηλής τάσης βασίζεται σε ένα κύκλωμα γεννήτριας παλμών Marx, στο οποίο μια συστοιχία πυκνωτών φορτίζεται πρώτα παράλληλα και στη συνέχεια συνδέεται εν σειρά και εκφορτίζεται μέσω ενός κενού εκφόρτισης. Ο παλμός υψηλής τάσης της γεννήτριας εισέρχεται σε μια μακρά γραμμή, η οποία σχηματίζει τον παλμό, ρυθμίζοντας τον χρόνο ανόδου της. Η γραμμή είναι γεμάτη με ηλεκτρόδια που επιταχύνουν τη δέσμη.

Σε τάση επιτάχυνσης υψηλής συχνότητας, η δομή του επιταχυντή αντέχει πολύ ισχυρότερα ηλεκτρικά πεδία χωρίς διακοπή από ό, τι σε σταθερή τάση. Ωστόσο, η χρήση πεδίων υψηλής συχνότητας για την επιτάχυνση σωματιδίων καθίσταται δύσκολη από το γεγονός ότι το σημάδι του πεδίου αλλάζει γρήγορα και το πεδίο αποδεικνύεται είτε επιταχυνόμενο είτε επιβραδυνόμενο. Στα τέλη της δεκαετίας του 1920, προτάθηκαν δύο μέθοδοι για να ξεπεραστεί αυτή η δυσκολία, οι οποίες χρησιμοποιούνται τώρα στους περισσότερους επιταχυντές.

ΓΡΑΜΜΙΚΟΙ ΑΞΕΣΟΥΑΡ

Η δυνατότητα χρήσης ηλεκτρικών πεδίων υψηλής συχνότητας σε επιταχυντές μεγάλων σταδίων βασίζεται στο γεγονός ότι ένα τέτοιο πεδίο αλλάζει όχι μόνο στο χρόνο, αλλά και στο διάστημα. Ανά πάσα στιγμή, η ισχύς του πεδίου αλλάζει ημιτονοειδώς ανάλογα με τη θέση στο διάστημα, δηλαδή η κατανομή πεδίου στο διάστημα έχει τη μορφή κύματος. Και σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου, αλλάζει ημιτονοειδώς στο χρόνο. Επομένως, τα μέγιστα πεδίου κινούνται στο διάστημα με τη λεγόμενη ταχύτητα φάσης. Κατά συνέπεια, τα σωματίδια μπορούν να κινούνται έτσι ώστε το τοπικό πεδίο να τα επιταχύνει συνεχώς.

Στα γραμμικά συστήματα επιτάχυνσης, τα πεδία υψηλής συχνότητας χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά το 1929, όταν ο Νορβηγός μηχανικός R. Videroe επιτάχυνε τα ιόντα σε ένα σύντομο σύστημα συζευγμένων αντηχείων υψηλής συχνότητας. Εάν οι συντονιστές έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε η ταχύτητα φάσης του πεδίου να είναι πάντα ίση με την ταχύτητα των σωματιδίων, τότε κατά τη διάρκεια της κίνησής του στον επιταχυντή η δέσμη επιταχύνεται συνεχώς. Η κίνηση των σωματιδίων σε αυτήν την περίπτωση είναι σαν ένα σέρφερ που γλιστρά στην κορυφή ενός κύματος. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ταχύτητες των πρωτονίων ή των ιόντων κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης μπορούν να αυξηθούν σημαντικά. Κατά συνέπεια, η ταχύτητα φάσης του κύματος θα πρέπει επίσης να αυξηθεί β φάσεις. Εάν τα ηλεκτρόνια μπορούν να εγχυθούν στον επιταχυντή με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός από, τότε σε αυτή τη λειτουργία η ταχύτητα φάσης είναι πρακτικά σταθερή: β φάσεις \u003d ντο.

Μια άλλη προσέγγιση, η οποία καθιστά δυνατό τον αποκλεισμό της επιρροής της επιβραδυντικής φάσης ενός ηλεκτρικού πεδίου υψηλής συχνότητας, βασίζεται στη χρήση μιας μεταλλικής δομής που ελέγχει τη δέσμη από το πεδίο κατά τη διάρκεια αυτής της μισής περιόδου. Για πρώτη φορά μια τέτοια μέθοδος εφαρμόστηκε από τον E. Lawrence στο κυκλοτρόνιο ( Δες παρακάτω); χρησιμοποιείται επίσης στον γραμμικό επιταχυντή Alvarez. Ο τελευταίος είναι ένας μακρύς σωλήνας κενού που περιέχει μια σειρά από μεταλλικούς σωλήνες μετατόπισης. Κάθε σωλήνας συνδέεται εν σειρά με μια γεννήτρια υψηλής συχνότητας μέσω μιας μακράς γραμμής, κατά μήκος της οποίας ένα κύμα επιταχυνόμενης τάσης κινείται με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός (Εικ. 2). Έτσι, όλοι οι σωλήνες με τη σειρά τους έχουν υψηλή τάση. Ένα φορτισμένο σωματίδιο που εκπέμπεται από τον εγχυτήρα σε κατάλληλο χρόνο επιταχύνεται προς την κατεύθυνση του πρώτου σωλήνα, αποκτώντας μια συγκεκριμένη ενέργεια. Μέσα σε αυτόν τον σωλήνα, το σωματίδιο παρασύρεται - κινείται με σταθερή ταχύτητα. Εάν το μήκος του σωλήνα έχει επιλεγεί σωστά, τότε θα βγει από αυτό τη στιγμή που η επιταχυνόμενη τάση έχει προχωρήσει ένα μήκος κύματος. Σε αυτήν την περίπτωση, η τάση στον δεύτερο σωλήνα θα επιταχύνεται και ανέρχεται σε εκατοντάδες χιλιάδες βολτ. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται πολλές φορές και σε κάθε στάδιο το σωματίδιο λαμβάνει επιπλέον ενέργεια. Προκειμένου η κίνηση των σωματιδίων να είναι συγχρονισμένη με την αλλαγή στο πεδίο, το μήκος των σωλήνων πρέπει να αυξάνεται ανάλογα με την αύξηση της ταχύτητάς τους. Τελικά η ταχύτητα του σωματιδίου θα φτάσει σε μια ταχύτητα πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός, και το περιοριστικό μήκος των σωλήνων θα είναι σταθερό.

Οι αλλαγές χωρικού πεδίου επιβάλλουν περιορισμούς στη χρονική δομή της δέσμης. Το πεδίο επιτάχυνσης ποικίλλει μέσα σε μια δέσμη σωματιδίων οποιουδήποτε πεπερασμένου μήκους. Κατά συνέπεια, το μήκος της δέσμης σωματιδίων πρέπει να είναι μικρό σε σύγκριση με το μήκος κύματος του επιταχυνόμενου πεδίου υψηλής συχνότητας. Διαφορετικά, τα σωματίδια θα επιταχυνθούν με διαφορετικούς τρόπους εντός της δέσμης. Η υπερβολικά μεγάλη κατανομή ενέργειας στη δέσμη όχι μόνο αυξάνει τη δυσκολία εστίασης της δέσμης λόγω της παρουσίας χρωματικής εκτροπής σε μαγνητικούς φακούς, αλλά περιορίζει επίσης τις δυνατότητες χρήσης της δέσμης σε συγκεκριμένα προβλήματα. Η εξάπλωση των ενεργειών μπορεί επίσης να οδηγήσει σε κηλίδες των σωμάτων των δοκών κατά την αξονική διεύθυνση.

Σκεφτείτε μια δέσμη μη σχετιστικών ιόντων που κινούνται με αρχική ταχύτητα β 0 Οι διαμήκεις ηλεκτρικές δυνάμεις λόγω φορτίου χώρου επιταχύνουν την κεφαλή της δέσμης και επιβραδύνουν την ουρά. Με τον κατάλληλο συγχρονισμό της κίνησης της δέσμης με το πεδίο υψηλής συχνότητας, είναι δυνατόν να επιτευχθεί μεγαλύτερη επιτάχυνση της ουράς της δέσμης από την κεφαλή. Ένα τέτοιο ταίριασμα φάσης της επιταχυνόμενης τάσης και της δέσμης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη φάση της δέσμης - για να αντισταθμίσει το αποτέλεσμα αποφόρτισης του φορτίου χώρου και της ενεργειακής διάδοσης. Ως αποτέλεσμα, σε ένα συγκεκριμένο εύρος τιμών της κεντρικής φάσης της δέσμης, παρατηρούνται κεντράρισμα και ταλαντώσεις σωματιδίων σε σχέση με μια ορισμένη φάση σταθερής κίνησης. Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται αυτόματη φάση, είναι εξαιρετικά σημαντικό για τους γραμμικούς επιταχυντές ιόντων και τους σύγχρονους κυκλικούς επιταχυντές ηλεκτρονίων και ιόντων. Δυστυχώς, η αυτόματη φάση επιτυγχάνεται με το κόστος της μείωσης του συντελεστή πλήρωσης του επιταχυντή σε τιμές πολύ λιγότερες από την ενότητα.

Στη διαδικασία επιτάχυνσης, σχεδόν όλες οι δέσμες παρουσιάζουν την τάση αύξησης της ακτίνας για δύο λόγους: λόγω της αμοιβαίας ηλεκτροστατικής απώθησης σωματιδίων και λόγω της εξάπλωσης εγκάρσιων (θερμικών) ταχυτήτων. Η πρώτη τάση αποδυναμώνεται με την αύξηση της ταχύτητας της δέσμης, επειδή το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το ρεύμα δέσμης συμπιέζει τη δέσμη και, στην περίπτωση σχετικιστικών ακτίνων, αντισταθμίζει σχεδόν το αποτέλεσμα αποσυμπίεσης του φορτίου χώρου στην ακτινική κατεύθυνση. Επομένως, αυτό το φαινόμενο είναι πολύ σημαντικό στην περίπτωση των επιταχυντών ιόντων, αλλά σχεδόν ασήμαντο για τους επιταχυντές ηλεκτρονίων, στους οποίους η δέσμη εγχέεται με σχετικιστικές ταχύτητες. Το δεύτερο αποτέλεσμα, που σχετίζεται με την εκπομπή δέσμης, είναι σημαντικό για όλους τους επιταχυντές.

Είναι δυνατόν να διατηρήσετε τα σωματίδια κοντά στον άξονα χρησιμοποιώντας τετράπολους μαγνήτες. Είναι αλήθεια ότι ένας μοναδικός τετραπολικός μαγνήτης, εστιάζοντας σωματίδια σε ένα από τα επίπεδα, τα αποπροσανατολίζει στο άλλο. Αλλά εδώ η αρχή της «ισχυρής εστίασης», που ανακαλύφθηκε από τους E. Kurant, S. Livingston και H. Snyder, βοηθά: ένα σύστημα δύο τετράπολων μαγνητών που χωρίζονται από ένα διάκενο πτήσης, με εναλλασσόμενα επίπεδα εστίασης και αποπροσανατολισμού, τελικά διασφαλίζει την εστίαση σε όλα αεροπλάνα.

Οι παρασυρόμενοι σωλήνες εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σε γραμμικούς επιταχυντές πρωτονίων, όπου η ενέργεια της δέσμης αυξάνεται από μερικά μεγαλεκτρονικά βολτ σε περίπου 100 MeV. Οι πρώτοι γραμμικοί επιταχυντές ηλεκτρονίων, όπως ο επιταχυντής 1 GeV που κατασκευάστηκε στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ (ΗΠΑ), χρησιμοποίησαν επίσης σωλήνες μετατόπισης σταθερού μήκους, καθώς η δέσμη εγχύθηκε με ενέργεια περίπου 1 MeV. Οι πιο σύγχρονοι ηλεκτρονικοί γραμμικοί επιταχυντές, ο μεγαλύτερος από τους οποίους είναι ο επιταχυντής 3,2 km 50 GeV που χτίστηκε στο Stanford Linear Accelerator Center, χρησιμοποιούν την αρχή του «surfing electrons» σε ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, το οποίο επιτρέπει την επιτάχυνση της δέσμης σε αυξήσεις ενέργειας σχεδόν 20 MeV ανά μέτρο του συστήματος επιτάχυνσης. Σε αυτόν τον επιταχυντή, η ισχύς υψηλής συχνότητας σε μια συχνότητα περίπου 3 GHz παράγεται από μεγάλες συσκευές ηλεκτροαερίου - klystrons.

Ο γραμμικός επιταχυντής πρωτονίων με την υψηλότερη ενέργεια κατασκευάστηκε στο Εθνικό Εργαστήριο Losalamos στις ΗΠΑ. Νέο Μεξικό (ΗΠΑ) ως «εργοστάσιο μεσονίων» για την παραγωγή έντονων δοκών πόνου και μιονίου Οι αντηχείες χαλκού του δημιουργούν ένα επιταχυνόμενο πεδίο της τάξης των 2 MeV / m, λόγω του οποίου δίνει έως 1 mA 800 MeV πρωτονίων σε μια παλμική δέσμη.

Υπεραγωγικά συστήματα υψηλής συχνότητας έχουν αναπτυχθεί για να επιταχύνουν όχι μόνο πρωτόνια αλλά και βαριά ιόντα. Ο μεγαλύτερος υπεραγωγός γραμμικός επιταχυντής πρωτονίων χρησιμεύει ως εγχυτήρας για τον επιταχυντή σύγκρουσης HERA στο εργαστήριο του γερμανικού Electron Synchrotron (DESI) στο Αμβούργο (Γερμανία).

ΚΥΚΛΙΚΟΙ ΑΞΕΣΟΥΑΡ

Πρωτόνιο κυκλοτρόνιο.

Υπάρχει ένας πολύ κομψός και οικονομικός τρόπος για να επιταχύνετε μια δέσμη μεταδίδοντας επανειλημμένα μικρά τμήματα ενέργειας σε αυτήν. Για να γίνει αυτό, με τη βοήθεια ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου, η δέσμη αναγκάζεται να κινηθεί σε κυκλική τροχιά και πολλές φορές περνά το ίδιο επιταχυνόμενο κενό. Αυτή η μέθοδος εφαρμόστηκε για πρώτη φορά το 1930 από τους E. Lawrence και S. Livingston στο κυκλοτρόνιο που εφευρέθηκαν. Όπως σε έναν γραμμικό επιταχυντή με σωλήνες μετάδοσης κίνησης, η δέσμη κοσκινίζεται από τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου στο μισό διάστημα όταν λειτουργεί ως επιβραδυντικό. Φορτισμένο σωματίδιο με μάζα Μ και χρέωση εκινείται με ταχύτητα β σε μαγνητικό πεδίο Η, κάθετα προς την ταχύτητά του, περιγράφει σε αυτό το πεδίο έναν κύκλο με ακτίνα Ρ = mv/qΗ... Καθώς η επιτάχυνση αυξάνει την ταχύτητα β, η ακτίνα αυξάνεται επίσης Ρ... Έτσι, τα πρωτόνια και τα βαριά ιόντα κινούνται κατά μήκος μιας χαλαρωτικής σπείρας αυξανόμενης ακτίνας. Σε κάθε περιστροφή κατά μήκος της τροχιάς, η δέσμη περνά μέσα από το κενό μεταξύ των ελαφιών - κοίλου υψηλής τάσης ηλεκτροδίου σχήματος D, όπου ένα ηλεκτρικό πεδίο υψηλής συχνότητας δρα πάνω του (Εικ. 3). Ο Λόρενς συνειδητοποίησε ότι ο χρόνος ανάμεσα στα περάσματα της δέσμης μέσω του κενού στην περίπτωση των μη σχετιστικών σωματιδίων παραμένει σταθερός, καθώς η αύξηση της ταχύτητάς τους αντισταθμίζεται από την αύξηση της ακτίνας. Κατά τη διάρκεια αυτού του τμήματος της τροχιακής περιόδου, όταν το πεδίο υψηλής συχνότητας έχει ακατάλληλη φάση, η δέσμη βρίσκεται εκτός του κενού. Η συχνότητα αναφοράς δίνεται από την έκφραση

Που φά - Συχνότητα τάσης AC σε MHz, Η Είναι η ισχύς του μαγνητικού πεδίου σε T, και mc 2 - μάζα σωματιδίων σε MeV. Εάν η τιμή Η είναι σταθερή στην περιοχή όπου συμβαίνει επιτάχυνση, τότε η συχνότητα φάπροφανώς δεν εξαρτάται από την ακτίνα.

Για την επιτάχυνση των ιόντων σε υψηλές ενέργειες, είναι απαραίτητο μόνο το μαγνητικό πεδίο και η συχνότητα της τάσης υψηλής τάσης να πληρούν την κατάσταση συντονισμού. τότε τα σωματίδια θα περάσουν μέσα από το κενό μεταξύ των ελαφιών δύο φορές ανά περιστροφή την κατάλληλη στιγμή. Για την επιτάχυνση της δέσμης σε ενέργεια 50 MeV σε επιταχυνόμενη τάση 10 keV, απαιτούνται 2500 περιστροφές. Η συχνότητα λειτουργίας του πρωτονίου κυκλοτρόνιο μπορεί να είναι 20 MHz, οπότε ο χρόνος επιτάχυνσης είναι της τάξης του 1 ms.

Όπως και στους γραμμικούς επιταχυντές, τα σωματίδια κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης σε ένα κυκλοτρόνιο πρέπει να εστιάζονται στην εγκάρσια κατεύθυνση, διαφορετικά όλα αυτά, εκτός από αυτά που εγχέονται με ταχύτητες παράλληλες με τα πόλια του μαγνήτη, θα πέσουν έξω από τον κύκλο επιτάχυνσης. Σε ένα κυκλοτρόνιο, παρέχεται η δυνατότητα επιτάχυνσης σωματιδίων με πεπερασμένη γωνιακή εξάπλωση δίνοντας στο μαγνητικό πεδίο μια ειδική διαμόρφωση, στην οποία οι δυνάμεις που τα επιστρέφουν σε αυτό το επίπεδο δρουν στα σωματίδια που αναδύονται από το τροχιακό επίπεδο.

Δυστυχώς, σύμφωνα με τις απαιτήσεις για τη σταθερότητα της δέσμης επιταχυνόμενων σωματιδίων, το στοιχείο εστίασης του μαγνητικού πεδίου θα πρέπει να μειωθεί με την αύξηση της ακτίνας. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την κατάσταση συντονισμού και οδηγεί σε αποτελέσματα που περιορίζουν την ένταση της δέσμης. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας που μειώνει τις δυνατότητες ενός απλού κυκλοτρονίου είναι η σχετικιστική αύξηση της μάζας, ως απαραίτητη συνέπεια της αύξησης της ενέργειας των σωματιδίων:

Στην περίπτωση επιτάχυνσης των πρωτονίων, ο συγχρονισμός θα σπάσει λόγω της σχετικιστικής αύξησης της μάζας σε περίπου 10 MeV. Ένας τρόπος για να διατηρηθεί ο συγχρονισμός είναι να ρυθμιστεί η συχνότητα της επιταχυνόμενης τάσης έτσι ώστε να μειώνεται καθώς αυξάνεται η τροχιακή ακτίνα και η ταχύτητα των σωματιδίων αυξάνεται. Η συχνότητα πρέπει να αλλάξει σύμφωνα με το νόμο

Ένα τέτοιο συγχοκυκλοτρόνιο μπορεί να επιταχύνει τα πρωτόνια σε ενέργειες αρκετών εκατοντάδων μεγαλεκτροβόλων. Για παράδειγμα, εάν η ισχύς του μαγνητικού πεδίου είναι 2 T, τότε η συχνότητα θα πρέπει να μειωθεί από περίπου 32 MHz κατά τη στιγμή της έγχυσης στα 19 MHz ή λιγότερο όταν τα σωματίδια φτάσουν σε ενέργεια 400 MeV. Μια τέτοια αλλαγή στη συχνότητα της επιταχυνόμενης τάσης θα πρέπει να συμβεί για μια περίοδο αρκετών χιλιοστών του δευτερολέπτου. Αφού τα σωματίδια φτάσουν στην υψηλότερη ενέργεια και αφαιρεθούν από τον επιταχυντή, η συχνότητα επιστρέφει στην αρχική της τιμή και εισάγεται μια νέα δέσμη σωματιδίων στον επιταχυντή.

Αλλά ακόμη και με τον βέλτιστο σχεδιασμό του μαγνήτη και την καλύτερη απόδοση του συστήματος παροχής ισχύος RF, οι δυνατότητες των κυκλοτρονίων περιορίζονται από πρακτικές εκτιμήσεις: απαιτούνται εξαιρετικά μεγάλοι μαγνήτες για να διατηρηθούν τα επιταχυνόμενα σωματίδια υψηλής ενέργειας σε τροχιά. Έτσι, η μάζα ενός μαγνήτη κυκλοτρόνης 600 MeV, που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο TRIUMPH στον Καναδά, υπερβαίνει τους 2000 τόνους και καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια της τάξης αρκετών μεγαβάτ. Το κόστος κατασκευής ενός συγκροκυκλοτρόνου είναι περίπου ανάλογο με τον κύβο της ακτίνας του μαγνήτη. Επομένως, για την επίτευξη υψηλότερων ενεργειών με πρακτικά αποδεκτό κόστος, απαιτούνται νέες αρχές επιτάχυνσης.

Συγχρονικό πρωτόνιο.

Το υψηλό κόστος των κυκλικών επιταχυντών σχετίζεται με τη μεγάλη ακτίνα του μαγνήτη. Αλλά είναι δυνατόν να διατηρηθούν τα σωματίδια σε τροχιά σταθερής ακτίνας αυξάνοντας την ισχύ του μαγνητικού πεδίου καθώς αυξάνεται η ενέργειά τους. Ένας γραμμικός επιταχυντής εγχέει μια δέσμη σωματιδίων σχετικά χαμηλής ενέργειας σε αυτήν την τροχιά. Επειδή το πεδίο περιορισμού απαιτείται μόνο σε μια στενή περιοχή κοντά στην τροχιά της δέσμης, δεν υπάρχει ανάγκη για μαγνήτες που να καλύπτουν ολόκληρη την τροχιακή περιοχή. Οι μαγνήτες βρίσκονται μόνο κατά μήκος του δακτυλιοειδούς θαλάμου κενού, ο οποίος παρέχει τεράστια εξοικονόμηση κόστους.

Αυτή η προσέγγιση έχει εφαρμοστεί στο συγχρονικό πρωτόνιο. Ο πρώτος επιταχυντής αυτού του τύπου ήταν το 3 GeV Kosmotron (Εικ. 4), το οποίο άρχισε να λειτουργεί στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven το 1952 στις Ηνωμένες Πολιτείες. Ακολούθησε σύντομα το 6 GeV Bevatron, χτισμένο στο Πανεπιστήμιο Lawrence της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ (ΗΠΑ). Κατασκευασμένο ειδικά για ανίχνευση αντιπρωτονίων, λειτουργεί για 39 χρόνια, αποδεικνύοντας την ανθεκτικότητα και την αξιοπιστία των επιταχυντών σωματιδίων.

Στα συγχροντρόνια πρώτης γενιάς που κατασκευάστηκαν στις ΗΠΑ, τη Μεγάλη Βρετανία, τη Γαλλία και την ΕΣΣΔ, η εστίαση ήταν αδύναμη. Επομένως, το πλάτος των ακτινικών ταλαντώσεων των σωματιδίων ήταν μεγάλο κατά τη διαδικασία επιτάχυνσης τους. Το πλάτος των θαλάμων κενού ήταν περίπου 30 cm, και σε αυτόν τον μεγάλο όγκο, ήταν απαραίτητο να ελεγχθεί προσεκτικά η διαμόρφωση του μαγνητικού πεδίου.

Το 1952, έγινε μια ανακάλυψη που κατέστησε δυνατή τη δραστική μείωση των ταλαντώσεων της δέσμης και, κατά συνέπεια, των διαστάσεων του θαλάμου κενού. Αυτή ήταν η αρχή της ισχυρής, ή σκληρής, εστίασης. Στα σύγχρονα συγχροντρόνια πρωτονίων με υπεραγωγούς μαγνήτες τετραπόλης διατεταγμένους σε ένα ισχυρό σχήμα εστίασης, ο θάλαμος κενού μπορεί να έχει διάμετρο μικρότερη από 10 cm, γεγονός που οδηγεί σε σημαντική μείωση του μεγέθους, του κόστους και της κατανάλωσης ισχύος μαγνητών εστίασης και εκτροπής.

Το πρώτο συγχροντρόν που βασίστηκε σε αυτήν την αρχή ήταν το 30 GeV Variable Gradient Synchrotron στο Brookhaven. Μια παρόμοια εγκατάσταση χτίστηκε στο εργαστήριο του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών (CERN) στη Γενεύη. Στα μέσα της δεκαετίας του 1990, και οι δύο επιταχυντές ήταν ακόμη σε λειτουργία. Το διάφραγμα μεταβλητής διαβάθμισης Synchrotron ήταν περίπου 25 φορές μικρότερο από αυτό του Kosmatron. Η ισχύς που καταναλώνεται από τον μαγνήτη σε ενέργεια 30 GeV αντιστοιχεί περίπου στην ισχύ που καταναλώνεται από τον μαγνήτη Kosmotron στα 3 GeV. Το "συγχροντρόν με μεταβλητή κλίση" επιτάχυνσε 6 × 10 13 πρωτόνια ανά παλμό, το οποίο αντιστοιχούσε στην υψηλότερη ένταση μεταξύ των εγκαταστάσεων αυτής της κλάσης. Η εστίαση σε αυτόν τον επιταχυντή πραγματοποιήθηκε με τους ίδιους μαγνήτες που εκτρέπουν τη δέσμη. Αυτό επιτεύχθηκε με τη διαμόρφωση των πόλων του μαγνήτη όπως φαίνεται στο Σχ. 5. Στους σύγχρονους επιταχυντές, συνήθως χρησιμοποιούνται ξεχωριστοί μαγνήτες για εκτροπή και εστίαση της δέσμης.

Έτσι, σε πειράματα με στόχο ανάπαυσης στο Tevatron, η ωφέλιμη ενέργεια είναι μόνο 43 GeV.

Η επιθυμία για χρήση των υψηλότερων δυνατών ενεργειών στην έρευνα σωματιδίων οδήγησε στη δημιουργία στο CERN και στο Εργαστήριο. Ε. Fermi proton-antiproton colliders, καθώς και μεγάλος αριθμός εγκαταστάσεων σε διαφορετικές χώρες με συγκρούσεις δέσμης ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων. Στον πρώτο συγκολλητή πρωτονίων, οι συγκρούσεις 26 GeV πρωτονίων και αντιπρωτονίων πραγματοποιήθηκαν σε δακτύλιο με περιφέρεια 1,6 χλμ. (Εικ. 6). Σε λίγες μέρες, ήταν δυνατή η συσσώρευση δοκών με ρεύματα έως 50 A.

Προς το παρόν, ο συγκρουόμενος με την υψηλότερη ενέργεια είναι το Tevatron, όπου διεξάγονται πειράματα κατά τη σύγκρουση μιας δέσμης 1 TeV πρωτονίων με μια συγκρούσιμη δέσμη αντιπρωτονίων της ίδιας ενέργειας. Για τέτοια πειράματα, χρειάζονται αντιπρωτόνια, τα οποία μπορούν να επιτευχθούν με βομβαρδισμό ενός μεταλλικού στόχου με μια δέσμη πρωτονίων υψηλής ενέργειας από τον "Κύριο δακτύλιο". Τα αντιπρωτόνια που δημιουργούνται σε αυτές τις συγκρούσεις συσσωρεύονται σε ξεχωριστό δακτύλιο με ενέργεια 8 GeV. Όταν έχουν συσσωρευτεί αρκετά αντιπρωτόνια, εγχύονται στον Κύριο Δακτύλιο, επιταχύνονται στα 150 GeV και στη συνέχεια εγχύονται στο Tevatron. Εδώ τα πρωτόνια και τα αντιπρωτόνια επιταχύνονται ταυτόχρονα σε πλήρη ενέργεια και μετά συγκρούονται. Η συνολική ορμή των συγκρουόμενων σωματιδίων είναι μηδέν, έτσι ώστε όλη η ενέργεια 2 μι αποδεικνύεται χρήσιμο. Στην περίπτωση του Tevatron, φτάνει σχεδόν τα 2 TeV.

Η υψηλότερη ενέργεια μεταξύ των συγκρούσεων ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων επιτεύχθηκε στον Μεγάλο δακτύλιο αποθήκευσης ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων στο CERN, όπου η ενέργεια των συγκρούσεων δέσμης στο πρώτο στάδιο ήταν 50 GeV ανά δέσμη και στη συνέχεια αυξήθηκε στα 100 GeV ανά δέσμη. Ο συγκροτητής HERA κατασκευάστηκε στο DESY, στον οποίο πραγματοποιούνται συγκρούσεις ηλεκτρονίων με πρωτόνια.

Αυτό το τεράστιο κέρδος ενέργειας έρχεται στο κόστος μιας σημαντικής μείωσης της πιθανότητας συγκρούσεων μεταξύ σωματιδίων συγκρούσεων δοκών χαμηλής πυκνότητας. Ο ρυθμός σύγκρουσης καθορίζεται από τη φωτεινότητα, δηλαδή ο αριθμός συγκρούσεων ανά δευτερόλεπτο, συνοδευόμενος από αντίδραση ενός δεδομένου τύπου, με συγκεκριμένη διατομή. Η φωτεινότητα εξαρτάται γραμμικά από την ενέργεια και το ρεύμα της δέσμης και είναι αντιστρόφως ανάλογη με την ακτίνα της. Η ενέργεια της δέσμης συγκρούσεων επιλέγεται σύμφωνα με την ενεργειακή κλίμακα των φυσικών διεργασιών που μελετώνται.

Για να εξασφαλιστεί η υψηλότερη φωτεινότητα, είναι απαραίτητο να επιτευχθεί η μέγιστη δυνατή πυκνότητα των δοκών στο σημείο της συνάντησής τους. Επομένως, το κύριο τεχνικό πρόβλημα στο σχεδιασμό των συγκρούσεων είναι η εστίαση των δοκών στο σημείο της συνάντησής τους σε ένα πολύ μικρό σημείο και η αύξηση του ρεύματος της δέσμης. Για να επιτευχθεί η επιθυμητή φωτεινότητα, ενδέχεται να απαιτούνται ρεύματα άνω του 1 A.

Ένα άλλο εξαιρετικά δύσκολο τεχνικό πρόβλημα σχετίζεται με την ανάγκη παροχής υπερβολικού κενού στον θάλαμο συγκρούσεων. Δεδομένου ότι οι συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων δέσμης είναι σχετικά σπάνιες, οι συγκρούσεις με τα εναπομείναντα μόρια αερίου μπορούν να αποδυναμώσουν σημαντικά τις δέσμες, μειώνοντας την πιθανότητα των αλληλεπιδράσεων υπό μελέτη. Επιπλέον, η διασπορά των δοκών από το εναπομένον αέριο δίνει ένα ανεπιθύμητο υπόβαθρο στον ανιχνευτή, ο οποίος μπορεί να καλύψει τη φυσική διαδικασία που μελετάται. Το κενό στο θάλαμο συγκρούσεων πρέπει να είναι εντός 10 –9 –10 –7 Pa (10 –11 –10 –9 mm Hg) ανάλογα με τη φωτεινότητα.

Σε χαμηλότερες ενέργειες, πιο έντονες δέσμες ηλεκτρονίων μπορούν να επιταχυνθούν, γεγονός που καθιστά δυνατή τη διερεύνηση σπάνιων αποσυνθέσεων ΣΕ- και ΠΡΟΣ ΤΗΝ-Μήσονες λόγω αλληλεπιδράσεων με ηλεκτροπληξία. Ορισμένες από αυτές τις εγκαταστάσεις, μερικές φορές ονομάζονται "εργοστάσια αρωμάτων", βρίσκονται υπό κατασκευή στις Ηνωμένες Πολιτείες, την Ιαπωνία και την Ιταλία. Τέτοιες εγκαταστάσεις έχουν δύο δακτυλίους αποθήκευσης - για ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, που τέμνονται σε ένα ή δύο σημεία - περιοχές αλληλεπίδρασης. Κάθε δακτύλιος περιέχει πολλές δέσμες σωματιδίων με συνολικό ρεύμα άνω του 1 A. Οι ενέργειες των δοκών επιλέγονται έτσι ώστε η χρήσιμη ενέργεια να αντιστοιχεί σε έναν συντονισμό που αποσυντίθεται στα βραχύβια σωματίδια υπό μελέτη - ΣΕ- ή ΠΡΟΣ ΤΗΝ- παιδιά. Ο σχεδιασμός αυτών των εγκαταστάσεων βασίζεται σε συγχροντρόνια ηλεκτρονίων και δακτυλίους αποθήκευσης.

Γραμμικοί συγκρούστες.

Οι ενέργειες των κυκλικών συγκρούσεων ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων περιορίζονται από έντονη ακτινοβολία συγχροντρόν που εκπέμπεται από δέσμες επιταχυνόμενων σωματιδίων ( Δες παρακάτω). Αυτό το μειονέκτημα απουσιάζει σε γραμμικά συγκολλητικά, στα οποία η ακτινοβολία συγχροντρόν δεν επηρεάζει τη διαδικασία επιτάχυνσης. Το Linear Collider αποτελείται από δύο γραμμικούς επιταχυντές υψηλής ενέργειας, οι ακτίνες υψηλής έντασης των οποίων - το ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο - κατευθύνονται το ένα προς το άλλο. Οι δοκοί συναντιούνται και συγκρούονται μόνο μία φορά, μετά την οποία αφαιρούνται στους απορροφητές.

Το πρώτο γραμμικό collider είναι το Stanford Linear Collider, το οποίο χρησιμοποιεί γραμμικό επιταχυντή Stanford μήκους 3,2 km που λειτουργεί στα 50 GeV. Στο σύστημα αυτού του συγκρουστήρα, δέσμες ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων επιταχύνονται στον ίδιο γραμμικό επιταχυντή και διαχωρίζονται όταν οι δέσμες φτάσουν στην πλήρη τους ενέργεια. Στη συνέχεια, οι δέσμες ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων μεταφέρονται κατά μήκος ξεχωριστών τόξων, το σχήμα των οποίων μοιάζει με τους σωλήνες ενός ιατρικού στηθοσκοπίου, και εστιάζεται σε διάμετρο περίπου 2 μικρών στην περιοχή αλληλεπίδρασης.

Νέες τεχνολογίες.

Η αναζήτηση πιο οικονομικών μεθόδων επιτάχυνσης οδήγησε στη δημιουργία νέων συστημάτων επιταχυντή και γεννητριών υψηλής ισχύος υψηλής συχνότητας που λειτουργούν στο εύρος συχνοτήτων από 10 έως 35 GHz. Η φωτεινότητα των συγκρούσεων ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων πρέπει να είναι εξαιρετικά υψηλή, καθώς η διατομή των διεργασιών μειώνεται καθώς το τετράγωνο της ενέργειας των σωματιδίων. Κατά συνέπεια, η πυκνότητα της δέσμης πρέπει να είναι εξαιρετικά υψηλή. Σε έναν γραμμικό συγκολλητή με ενέργεια της τάξης του 1 TeV, τα μεγέθη της δέσμης μπορούν να φτάσουν τα 10 nm, το οποίο είναι πολύ μικρότερο από τη δέσμη του Stanford Linear Collider (2 μm). Με τέτοια μικρά μεγέθη δέσμης, απαιτούνται πολύ ισχυροί, σταθεροί μαγνήτες με προηγμένα ηλεκτρονικά αυτόματα χειριστήρια για να ταιριάζουν με ακρίβεια τα στοιχεία εστίασης. Όταν οι δέσμες ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων περνούν μεταξύ τους, η ηλεκτρική τους αλληλεπίδραση εξουδετερώνεται και η μαγνητική ενισχύεται. Ως αποτέλεσμα, τα μαγνητικά πεδία μπορούν να φτάσουν τα 10.000 Tesla. Τέτοια τεράστια πεδία είναι ικανά να παραμορφώνουν έντονα τις ακτίνες και να οδηγούν σε μεγάλη ενεργειακή εξάπλωση λόγω της δημιουργίας ακτινοβολίας συγχροντρόν. Αυτά τα αποτελέσματα, μαζί με τα οικονομικά ζητήματα που σχετίζονται με την κατασκευή όλο και πιο εκτεταμένων μηχανών, θα θέσουν ένα όριο στην ενέργεια που επιτυγχάνεται σε συγκρούσεις ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων.

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΚΑΤΑΣΤΗΜΑΤΑ

Τα ηλεκτρονικά συγχροντρόνια βασίζονται στις ίδιες αρχές με τα συγχροντρόνια πρωτονίων. Ωστόσο, λόγω ενός σημαντικού χαρακτηριστικού, είναι τεχνικά απλούστερα. Η μικρή μάζα του ηλεκτρονίου καθιστά δυνατή την έγχυση της δέσμης σε ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Επομένως, μια περαιτέρω αύξηση της ενέργειας δεν σχετίζεται με μια αξιοσημείωτη αύξηση της ταχύτητας, και τα συγχροντρόνια ηλεκτρονίων μπορούν να λειτουργήσουν σε μια σταθερή συχνότητα της επιταχυνόμενης τάσης εάν η δέσμη εγχυθεί με ενέργεια περίπου 10 MeV.

Ωστόσο, αυτό το πλεονέκτημα ακυρώνεται από μια άλλη συνέπεια της μικρότητας της μάζας ηλεκτρονίων. Δεδομένου ότι το ηλεκτρόνιο κινείται σε κυκλική τροχιά, κινείται με επιτάχυνση (κεντρομετρική) και επομένως εκπέμπει φωτόνια - ακτινοβολία, η οποία ονομάζεται συγχρονισμός ακτινοβολίας. Εξουσία Ρ Η ακτινοβολία συγχρότρου είναι ανάλογη με την τέταρτη ισχύ της ενέργειας δέσμης μι και τρέχον Εγώκαι είναι επίσης αντίστροφα ανάλογη με την ακτίνα του δακτυλίου Ρ, έτσι ώστε να είναι ανάλογη με την τιμή ( μι/Μ) 4 IR -ένας . Αυτή η ενέργεια, που χάνεται σε κάθε περιστροφή της δέσμης ηλεκτρονίων στην τροχιά της, πρέπει να αντισταθμίζεται από την τάση υψηλής συχνότητας που εφαρμόζεται στα επιταχυνόμενα κενά. Σε "εργοστάσια αρώματος" σχεδιασμένα για υψηλές εντάσεις, τέτοιες απώλειες ισχύος μπορούν να φτάσουν δεκάδες μεγαβάτ.

Οι κυκλικοί επιταχυντές όπως τα συγχροντρόνια ηλεκτρονίων μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως συσσωρευτές μεγάλων κυκλοφορούντων ρευμάτων με σταθερή υψηλή ενέργεια. Τέτοιοι δακτύλιοι αποθήκευσης έχουν δύο κύριες εφαρμογές: 1) σε μελέτες του πυρήνα και των στοιχειωδών σωματιδίων με τη μέθοδο σύγκρουσης δοκών, όπως συζητήθηκε παραπάνω και 2) ως πηγές ακτινοβολίας συγχροντρόν που χρησιμοποιούνται στην ατομική φυσική, την επιστήμη των υλικών, τη χημεία, τη βιολογία και φάρμακο.

Η μέση ενέργεια φωτονίων της ακτινοβολίας συγχροντρόν είναι ανάλογη με ( μι/Μ) 3 Ρ -ένας . Έτσι, ηλεκτρόνια με ενέργειες της τάξης του 1 GeV που κυκλοφορούν στον δακτύλιο αποθήκευσης εκπέμπουν έντονη ακτινοβολία συγχροντρόν στις περιοχές υπεριώδους και ακτίνων Χ. Τα περισσότερα από τα φωτόνια εκπέμπονται σε στενή κατακόρυφη γωνία της τάξης του Μ/μι... Δεδομένου ότι η ακτίνα ηλεκτρονικών ακτίνων σε σύγχρονους δακτυλίους αποθήκευσης για ενέργειες της τάξης του 1 GeV μετράται σε δεκάδες μικρόμετρα, οι ακτίνες ακτινογραφίας που εκπέμπονται από αυτά χαρακτηρίζονται από υψηλή φωτεινότητα και επομένως μπορούν να χρησιμεύσουν ως ένα ισχυρό εργαλείο για μελετώντας τη δομή της ύλης. Η ακτινοβολία εκπέμπεται εφαπτομενικά στην καμπύλη διαδρομή των ηλεκτρονίων. Κατά συνέπεια, κάθε μαγνήτης εκτροπής του δακτυλίου αποθήκευσης ηλεκτρονίων, όταν μια δέσμη ηλεκτρονίων διέρχεται από αυτόν, δημιουργεί ένα ξεδιπλωμένο «επίκεντρο» ακτινοβολίας. Εκκενώνεται μέσω μακρών καναλιών κενού εφαπτόμενων στον κύριο θάλαμο κενού της συσκευής αποθήκευσης. Οι σχισμές και οι συγκολλητές που βρίσκονται κατά μήκος αυτών των καναλιών σχηματίζουν στενά δοκάρια, από τα οποία στη συνέχεια εξάγεται το απαιτούμενο εύρος ενεργειών ακτίνων Χ με τη βοήθεια μονοχρωματιστών.

Οι πρώτες πηγές ακτινοβολίας synchrotron ήταν εγκαταστάσεις που κατασκευάστηκαν αρχικά για την επίλυση προβλημάτων στη φυσική υψηλής ενέργειας. Ένα παράδειγμα είναι ο δακτύλιος αποθήκευσης positron-electron Stanford 3 GeV στο εργαστήριο ακτινοβολίας Stanford Synchrotron. Κάποτε, αυτή η εγκατάσταση χρησιμοποιήθηκε για να ανακαλύψει "γοητευτικά" μεσόνια.

Οι πηγές φωτός πρώιμου συγχροντρόν δεν ήταν αρκετά ευέλικτες για να καλύψουν τις διαφορετικές ανάγκες εκατοντάδων χρηστών. Η ραγδαία αύξηση της ζήτησης για ακτινοβολία συγχροντρόνης υψηλής ροής και υψηλής έντασης δέσμης προκάλεσε πηγές δεύτερης γενιάς σχεδιασμένες με γνώμονα τις ανάγκες όλων των πιθανών χρηστών. Συγκεκριμένα, επιλέχθηκαν συστήματα μαγνητών για τη μείωση της εκπομπής της δέσμης ηλεκτρονίων. Η χαμηλή εκπομπή σημαίνει μικρότερα μεγέθη δέσμης και συνεπώς υψηλότερη φωτεινότητα της πηγής ακτινοβολίας. Τυπικοί εκπρόσωποι αυτής της γενιάς ήταν δακτύλιοι αποθήκευσης στο Brookhaven, οι οποίοι χρησίμευαν ως πηγές ακτίνων Χ και ακτινοβολίας από την περιοχή υπεριώδους κενού του φάσματος.

Η φωτεινότητα της ακτινοβολίας μπορεί επίσης να αυξηθεί αναγκάζοντας τη δέσμη να κινείται κατά μήκος μιας ημιτονοειδούς διαδρομής σε μια περιοδική μαγνητική δομή και στη συνέχεια να συνδυάζει την ακτινοβολία που εμφανίζεται σε κάθε στροφή. Undulators - μαγνητικές δομές που παρέχουν μια τέτοια κίνηση, είναι μια σειρά μαγνητικών διπόλων που εκτρέπουν τη δέσμη σε μικρή γωνία, που βρίσκεται σε ευθεία γραμμή στον άξονα της δέσμης. Η φωτεινότητα της ακτινοβολίας από έναν τέτοιο κυματομορφή μπορεί να είναι εκατοντάδες φορές υψηλότερη από τη φωτεινότητα της ακτινοβολίας που προκύπτει στους εκτροπείς μαγνήτες.

Στα μέσα της δεκαετίας του 1980, ξεκίνησε η ανάπτυξη πηγών ακτινοβολίας synchrotron τρίτης γενιάς με μεγάλο αριθμό τέτοιων κυματομορφών. Μεταξύ των πρώτων πηγών της τρίτης γενιάς είναι η «Προηγμένη Πηγή Φωτός» με ενέργεια 1,5 GeV στο Μπέρκλεϊ, δημιουργώντας μαλακές ακτίνες Χ, καθώς και η «Προηγμένη Πηγή Φωτονίου» με ενέργεια 6 GeV στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne (ΗΠΑ) και ένα συγχροντρόν με ενέργεια 6 GeV στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Ακτινοβολίας Synchrotron στη Γκρενόμπλ (Γαλλία), τα οποία χρησιμοποιούνται ως πηγές σκληρών ακτίνων Χ. Μετά την επιτυχή κατασκευή αυτών των εγκαταστάσεων, δημιουργήθηκαν διάφορες πηγές ακτινοβολίας synchrotron σε άλλα μέρη.

Ένα νέο βήμα προς τη μεγαλύτερη φωτεινότητα στο εύρος ακτίνων X υπέρυθρων και σκληρών συνδέεται με τη χρήση «θερμών» μαγνητικών διπόλων με ισχύ μαγνητικού πεδίου περίπου 1,5 T και πολύ βραχύτερα υπεραγώγιμα μαγνητικά δίπολα με πεδίο αρκετών Tesla στην κάμψη σύστημα μαγνητών. Αυτή η προσέγγιση εφαρμόζεται σε μια νέα πηγή ακτινοβολίας synchrotron που δημιουργείται στο Scherrer Institute της Ελβετίας και στον εκσυγχρονισμό της πηγής στο Μπέρκλεϋ.

Η χρήση ακτινοβολίας synchrotron στην επιστημονική έρευνα έχει αποκτήσει ευρύ πεδίο και συνεχίζει να επεκτείνεται. Η εξαιρετική φωτεινότητα τέτοιων ακτίνων Χ καθιστά δυνατή τη δημιουργία μιας νέας γενιάς μικροσκοπίων ακτίνων Χ για τη μελέτη βιολογικών συστημάτων στο κανονικό υδάτινο περιβάλλον τους. Αυτό ανοίγει τη δυνατότητα ταχείας ανάλυσης της δομής των ιών και των πρωτεϊνών για την ανάπτυξη νέων φαρμακευτικών σκευασμάτων με στενή εστίαση σε παράγοντες που προκαλούν ασθένειες και ελάχιστες παρενέργειες. Οι φωτεινές ακτίνες των ακτίνων Χ μπορούν να χρησιμεύσουν ως ισχυρά μικροβύσματα για την ανίχνευση ακόμη και των μικρότερων ποσοτήτων ακαθαρσιών και ρύπων. Καθιστούν δυνατή την πολύ γρήγορη ανάλυση των περιβαλλοντικών δειγμάτων στη μελέτη των οδών ρύπανσης του περιβάλλοντος. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την εκτίμηση της καθαρότητας μεγάλων πλακιδίων πυριτίου πριν από την δαπανηρή διαδικασία κατασκευής πολύπλοκων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και ανοίγουν νέες προοπτικές για λιθογραφία, επιτρέποντας, κατ 'αρχήν, τη δημιουργία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με στοιχεία κάτω των 100 nm.

ΑΞΕΣΟΥΑΡ ΣΕ ΦΑΡΜΑΚΟ

Οι επιταχυντές παίζουν σημαντικό πρακτικό ρόλο στην ιατρική θεραπεία και τη διάγνωση. Πολλά νοσοκομεία σε όλο τον κόσμο σήμερα διαθέτουν μικρά γραμμικά επιταχυντές ηλεκτρονίων που παράγουν έντονες ακτίνες Χ που χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία όγκων. Κυκλοτρόνια ή συγχρονόμετρα που παράγουν δέσμες πρωτονίων χρησιμοποιούνται σε μικρότερο βαθμό. Το πλεονέκτημα των πρωτονίων στη θεραπεία όγκων έναντι των ακτίνων Χ είναι σε μια πιο τοπική απελευθέρωση ενέργειας. Επομένως, η θεραπεία πρωτονίων είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική στη θεραπεία των όγκων του εγκεφάλου και των ματιών, όταν η βλάβη στον περιβάλλοντα υγιή ιστό πρέπει να είναι όσο το δυνατόν ελάχιστη. .

ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΟΣ ΑΞΕΣΟΥΑΡ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - εγκαταστάσεις που εξυπηρετούν την επιτάχυνση της χρέωσης. σωματίδια έως υψηλές ενέργειες. Στη συνηθισμένη χρήση λέξεων, καλούνται επιταχυντές (U.). εγκαταστάσεις που έχουν σχεδιαστεί για να επιταχύνουν τα σωματίδια στις παραπάνω ενέργειες \ MeV. Μια ενέργεια 940 GeV έχει επιτευχθεί στον υπερηχογράφο πρωτονίων ρεκόρ, το Tevatron (Fermi Laboratory, USA). Ο μεγαλύτερος επιταχυντής ηλεκτρονίων LEP (CERN, Ελβετία) επιταχύνει τις συγκρούσεις δέσμης ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων έως και ενέργεια 45 GeV (μετά την εγκατάσταση πρόσθετων επιταχυντικών συσκευών, η ενέργεια μπορεί να διπλασιαστεί). Οι ΗΠΑ χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο στην επιστήμη (η δημιουργία στοιχειωδών σωματιδίων, η μελέτη των ιδιοτήτων τους και η εσωτερική δομή τους, η παραγωγή νουκλεϊδίων που δεν συμβαίνουν στη φύση, η μελέτη των πυρηνικών αντιδράσεων, της ραδιοβιολογίας, της χημικής έρευνας, της εργασίας στον τομέα φυσικής στερεάς κατάστασης, κ.λπ.) και για εφαρμοσμένους σκοπούς (αποστείρωση ιατρικού εξοπλισμού, υλικών, κ.λπ., defectoscopy, παραγωγή μικροηλεκτρονικών στοιχείων, παραγωγή ραδιοφαρμακολογικών παρασκευασμάτων για ιατρική διάγνωση, ακτινοθεραπεία, τεχνολογίες ακτινοβολίας στην τέχνη, πολυμερισμός βερνικιών, τροποποίηση ιδιοτήτων υλικού, π.χ. καουτσούκ, κατασκευή θερμοσυστελλόμενων σωλήνων κ.λπ.).

Σε όλες τις ΗΠΑ ενεργεί μια αύξηση της ενέργειας. Τα σωματίδια συμβαίνουν υπό τη δράση εξωτερικού διαμήκους (κατευθυνόμενου κατά την ταχύτητα των επιταχυνόμενων σωματιδίων) ηλεκτρικού. πεδία. Μια αναζήτηση βρίσκεται σε εξέλιξη για τρόπους επιτάχυνσης με τη βοήθεια πεδίων που δημιουργούνται από άλλα κινούμενα σωματίδια ή ηλεκτρομαγνήτες. κύματα, τα οποία διεγείρονται ή τροποποιούνται από τη δέσμη επιταχυνόμενων σωματιδίων ή άλλων ακτίνων ( συλλογικές μέθοδοι επιτάχυνσης) Θεωρητικά, οι συλλογικές μέθοδοι καθιστούν δυνατή την δραματική αύξηση του ρυθμού επιτάχυνσης (η ενέργεια που συσσωρεύεται \ m path) και την ένταση των δοκών, αλλά μέχρι στιγμής δεν έχουν οδηγήσει σε σοβαρή επιτυχία.

ΗΠΑ. Περιλαμβάνουν τα ακόλουθα στοιχεία: πηγή επιταχυνόμενων σωματιδίων (ηλεκτρόνια, πρωτόνια, αντισωματίδια). ηλεκτρικές γεννήτριες ή e - magn. επιτάχυνση πεδίων θάλαμος κενού, στον οποίο τα σωματίδια κινούνται κατά τη διαδικασία επιτάχυνσης (σε ένα πυκνό αέριο μέσο, \u200b\u200bη επιτάχυνση των φορτισμένων σωματιδίων είναι αδύνατη λόγω της αλληλεπίδρασής τους με μόρια αερίου που γεμίζουν τον θάλαμο). συσκευές που εξυπηρετούν την είσοδο () και την απελευθέρωση (εξαγωγή) της δέσμης από το U. συσκευές εστίασης που εξασφαλίζουν την κίνηση σωματιδίων χωρίς κρούσεις στους τοίχους του θαλάμου κενού. μαγνήτες που λυγίζουν τις τροχιές των επιταχυνόμενων σωματιδίων · συσκευές για έρευνα και διόρθωση της θέσης και της διαμόρφωσης των επιταχυνόμενων δοκών. Ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες του Η.Π.Α., ένα ή περισσότερα από τα αναφερόμενα στοιχεία ενδέχεται να απουσιάζουν από αυτά.

Για σκοπούς ακτινοβολίας. Η ασφάλεια U. περιβάλλεται από προστατευτικούς τοίχους και οροφές (βιολογική προστασία). Το πάχος και η επιλογή του υλικού θωράκισης εξαρτώνται από την ενέργεια και την ένταση των επιταχυνόμενων δοκών. Επιταχυντές με ενέργειες υψηλότερες από αρκετές. Το GeV βρίσκεται συνήθως υπόγεια για λόγους ασφαλείας.

Σύμφωνα με την αρχή της συσκευής, η άμεση δράση των ΗΠΑ διακρίνεται ή επιταχυντές υψηλής τάσης (επιτάχυνση σε θέση, ηλεκτρικό πεδίο), επιταχυντές επαγωγής (επιτάχυνση σε ηλεκτρικά πεδία στροβιλισμού που προκύπτουν από μια αλλαγή στη μαγνητική επαγωγή) και το συντονισμό U., στο οποίο χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης V Ch el - magn. πεδία. Όλες οι λειτουργίες με εξαιρετικά υψηλή ενέργεια ανήκουν στον τελευταίο τύπο.

Οι σύγχρονες ΗΠΑ χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: γραμμικοί επιταχυντές και κυκλικοί επιταχυντές... Σε γραμμικό υπερηχογράφημα, οι τροχιές των επιταχυνόμενων σωματιδίων είναι κοντά σε ευθείες γραμμές. Οι σταθμοί επιτάχυνσης βρίσκονται σε όλο το μήκος αυτού του U. Το μεγαλύτερο από το λειτουργικό γραμμικό U. (ηλεκτρονικό U. στο Stanford) έχει μήκος ενός μιλίου (3,05 km). Το Linear U. καθιστά δυνατή την απόκτηση ισχυρών ροών σωματιδίων, αλλά σε υψηλές ενέργειες αποδεικνύονται πολύ ακριβές. Σε κυκλικό. W. "κορυφαίος" magn. το πεδίο λυγίζει τις τροχιές των επιταχυνόμενων σωματιδίων, κυλώντας τα σε κύκλο ( επιταχυντές δακτυλίου ή συγχρονόμετρα) ή σπείρες ( κυκλοτρόνια, φαστροτρόνια, βητρατρόνια και μικροτρόνια) Τέτοιες ΗΠΑ περιέχουν μία ή περισσότερες συσκευές επιτάχυνσης, στις οποίες τα σωματίδια επιστρέφουν επανειλημμένα κατά τη διάρκεια του κύκλου επιτάχυνσης.

Θα πρέπει να σημειωθεί η διαφορά μεταξύ του υ. Σωματιδίων φωτός (ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια), τα οποία συνήθως ονομάζονται. ηλεκτρονικά βαριά σωματίδια U. και U. (πρωτόνια και ιόντα).

Ηλεκτρονικοί επιταχυντές... Χαρακτηριστικά του ηλεκτρο. σχετίζονται με δύο λόγους. Η ταχύτητα των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων ακόμη και σε χαμηλές ενέργειες (αρκετά MeV) διαφέρει λίγο από την ταχύτητα του φωτός και συνήθως μπορεί να θεωρηθεί σταθερή, γεγονός που απλοποιεί πολύ και φτηνίζει το U. Αλλά, από την άλλη πλευρά, τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια σε μαγνήσιο. Τα πεδία χάνουν πολλή ενέργεια στον ηλεκτρομαγνήτη. ακτινοβολία ( ακτινοβολία συγχρότρου)... Σε κυκλικό. Αυτές οι απώλειες οδηγούν είτε σε τεράστιες διαστάσεις της ακτινοβολίας (σε μεγάλες ακτίνες καμπυλότητας, οι απώλειες στη μείωση της ακτινοβολίας συγχροντρόν), είτε στην ανάγκη να υπάρχουν ισχυροί σταθμοί επιτάχυνσης, οι οποίοι θα αυξήσουν σημαντικά το κόστος της ακτινοβολίας. μονάδες δίσκουεπιτρέποντας τα πειράματα συγκρούσεις δοκούς.

Οι ηλεκτρονικοί δακτύλιοι U χρησιμοποιούνται ως πηγές ακτινοβολίας συγχροντρόν σε υπεριώδεις ακτίνες ή ακτίνες Χ. εύρος. Λόγω της υψηλής πυκνότητας της ακτινοβολίας και της απότομης κατευθυντικότητας, κυκλική. W. είναι μοναδικές πηγές ηλεκτρομαγνήτη. κύματα των υποδεικνυόμενων περιοχών. Οι μεγάλες απώλειες ηλεκτρονίων στην ακτινοβολία αναγκάζονται συχνά να προτιμούν το γραμμικό Υ.

Επιταχυντές βαρέων σωματιδίων (κυρίως πρωτόνια) είναι πολύ διαφορετικά από τα ηλεκτρονικά U. Οι απώλειες ενέργειας για την ακτινοβολία συγχρονών σε αυτές στις ενέργειες που επιτυγχάνονται αυτήν τη στιγμή (~ \ Το TeV) είναι πρακτικά απουσιάζει και είναι συνήθως μη επικερδές να διατηρείται ένας υψηλός ρυθμός επιτάχυνσης (δεδομένου ότι η ισχύς που καταναλώνεται για την τροφοδοσία των σταθμών επιτάχυνσης είναι ανάλογη με το τετράγωνο της ισχύος του ηλεκτρικού πεδίου και αυξάνεται ταχύτατα με αύξηση του ρυθμού επιτάχυνσης) Η απουσία αισθητής ακτινοβολίας συγχροντρόν οδηγεί στο γεγονός ότι το πλάτος των εγκάρσιων σωματιδίων στη διαδικασία θα επιταχυνθεί, ο κύκλος μειώνεται σχετικά αργά (όπως η τετραγωνική ρίζα της ορμής των σωματιδίων) και η σταθερότητα της κίνησης απουσία ειδικός. τα μέτρα παραβιάζονται υπό την επιρροή ακόμη και σχετικά ασθενών διαταραχών. Όλα τα βαριά σωματίδια υψηλής ενέργειας είναι κυκλικού τύπου. ^ iV

Στη δεκαετία του '90. οι δακτύλιοι αποθήκευσης και σύγκρουσης, στους οποίους φορτίζονται πυκνές δοκοί, αποκτούν ολοένα και μεγαλύτερη σημασία. τα σωματίδια κυκλοφορούν για μεγάλο χρονικό διάστημα, χωρίς να αλλάζουν την ενέργειά τους. Τέτοιοι δακτύλιοι χρησιμοποιούνται για τη διεξαγωγή αντιδράσεων μεταξύ σωματιδίων που κινούνται το ένα προς το άλλο (συγκρουόμενες δέσμες), για τη συσσώρευση ιόντων και σωματιδίων που δεν εμφανίζονται άμεσα στη φύση (ποζιτρόνια και αντιπρωτόνια), καθώς και για τη δημιουργία ακτινοβολίας συγχροντρόν. Στην αλληλεπίδραση των σωματιδίων που κινούνται το ένα προς το άλλο, όλη η ενέργεια που τους προσδίδεται κατά την επιτάχυνση μπορεί να πραγματοποιηθεί, ενώ στην αλληλεπίδραση των επιταχυνόμενων σωματιδίων με στατικά, η περισσότερη ενέργεια σχετίζεται με την κίνηση του κέντρου μάζας των σωματιδίων και δεν συμμετέχει σε αντιδράσεις.

Αναφορά ιστορικού... Η ανάπτυξη του U. ξεκίνησε τη δεκαετία του 1920. και είχε ως στόχο τη διάσπαση των ατομικών πυρήνων. Νωρίτερα από άλλους δημιουργήθηκαν ηλεκτροστατικές γεννήτριες [R. R. Van de Graaf] και γεννήτριες καταρράκτη [Ι. Cockroft (J. Cockroft) και E. Walton (E. Walton)], που ανήκουν στην τάξη του W. άμεση δράση, και στη συνέχεια το πρώτο κυκλικό. συντονισμένος W.- [Ε. Ε. Lawrence, 1921]. Το 1940 ο D. Kerst δημιούργησε την πρώτη επαγωγή W. τύπος - betatron.

Στη δεκαετία του '40. εμφανίστηκε θεωρητική. έργα στα οποία διερευνήθηκε η σταθερότητα της κίνησης των επιταχυνόμενων σωματιδίων. Στα πρώτα έργα αυτού του κύκλου [V. Ι. Veksler και Amer. Ο φυσικός E. McMillan] εξέτασε τη σταθερότητα της διαμήκους (φάσης) κίνησης, διατύπωσε την αρχή αιματοφάγος... Στη συνέχεια, υπήρξαν έργα για τη δημιουργία της θεωρίας της εγκάρσιας κίνησης των ταλαντώσεων σωματιδίων-βήτα-θρόνου, η οποία οδήγησε στην ανακάλυψη ισχυρής (εναλλασσόμενης) εστίασης [Ν. Χριστόφιλος (Ν. Χριστόφιλος), 1950; Ε. Curant, M. Livingston, H. Snyder (N. Snyder), 1952], που βασίζεται σε όλα τα σοφ. μεγάλο W.

Ταχεία ανάπτυξη ισχυρής υψηλής ραδιοφωνικής τεχνολογίας. συσκευές που εμφανίστηκαν κατά τον Β 'Παγκόσμιο Πόλεμο (1939–45) κατέστησαν δυνατή την έναρξη γραμμικών υπερήχων για υψηλές ενέργειες. Στις ηλεκτρονικές γραμμικές συσκευές, χρησιμοποιείται ηλεκτρικό. Το πεδίο των κινούμενων κυμάτων του δεκαμέτρου κυμαίνεται στο διάφραγμα. waveguides, σε πρωτόνιο - που αναπτύχθηκε από τη σειρά μετρητών L. Alvarez (L. Alvarez), φορτωμένο με σωλήνες διέλευσης. Στην αρχή. τμήματα αυτών των U. χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο από το U. με τετραπλή εστίαση υψηλής συχνότητας (Αγγλική ονομασία RFQ), στη δημιουργία του βασικού to-ryh. τον ρόλο έπαιξαν οι V.V. Vladimirsky, I.M. Kapchinsky και V.A.Teplyakov.

Κατά την κατασκευή, κυκλικό. Οι ΗΠΑ χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο υπεραγωγοί μαγνήτες. συστήματα. Οι υπεραγωγοί μαγνήτες χρησιμοποιούνται στα κυκλοτρόνια για τη δημιουργία ενός στύλου. μεγαλο πεδία και σε συγχροντρόνια πρωτόνιο-για να παράγουν αργά (για πολλά δευτερόλεπτα) μεταβαλλόμενους μαγνήτες. πεδία. Έτσι λειτουργεί το μεγαλύτερο λειτουργικό συγχρονικό πρωτόνιο, το Tevatron (ΗΠΑ).

Μέχρι τη δεκαετία του '80. κύριος ανακαλύψεις στη φυσική των σωματιδίων έγιναν στα συγχροντρόνια πρωτονίων. Σήμερα, πολλά ενδιαφέροντα αποτελέσματα λαμβάνονται στους επιταχυντές δακτυλίου ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων και πρωτονίων-αντιπρωτονίων με συγκρούσεις δέσμες (kollayderakh) Τα πλεονεκτήματα αυτών των ΗΠΑ έναντι των συνηθισμένων: 1) πλάσματα. αύξηση της ενέργειας αλληλεπίδρασης (στο κέντρο του συστήματος μάζας) · στην υπερεταιριστική περίπτωση, η οποία συμβαίνει πάντα σε συγκρούσεις δοκών, αυτή η ενέργεια αυξάνεται από στη σύγκρουση των γρήγορων σωματιδίων με τους πυρήνες ενός σταθερού στόχου πριν σε συγκρούσεις ( τείναι η μάζα των συγκρουόμενων ατόμων και των ατόμων στόχων, είναι η συνολική ενέργεια των επιταχυνόμενων σωματιδίων) · 2) μια απότομη μείωση του φόντου από ξένες αντιδράσεις. Κύριος το μειονέκτημα των συγκρούσεων είναι μια σημαντική (με πολλές τάξεις μεγέθους) μείωση του αριθμού των αλληλεπιδράσεων (την ίδια ώρα). Η τεχνική των δακτυλιοειδών ΗΠΑ με συγκρούσεις δέσμης ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων κυριάρχησε το 1961 (ένας επιταχυντής για ενέργεια 2 x 250 MeV στο Frascatti της Ιταλίας) και εγκαταστάσεις με συγκρούσεις δέσμης πρωτονίων και αντιπρωτονίων εμφανίστηκαν μόνο αφού προτάθηκαν οι μέθοδοι ηλεκτρονίων. ronnogo (AMBudker, 1967) και με το thokhaticheskogo [S. S. Van der Meer (1972) ψύξη βαρέων σωματιδίων (βλ. Δοχεία ψύξης φορτισμένη). Όλο και περισσότερη προσοχή δίνεται στην ανάπτυξη μη παραδοσιακών πραγμάτων. Μέθοδοι επιτάχυνσης: συλλογικές μέθοδοι, επιτάχυνση των παλμών των πεδίων λέιζερ, επιτάχυνση στα πεδία αφύπνισης κ.λπ. Η αρχή αυτού του έργου τέθηκε από τους V. I. Veksler, A. M. Budker και Ya B. Fainberg. Ωστόσο, οι ΗΠΑ που βασίζονται σε αυτές τις ιδέες δεν έχουν ακόμη δημιουργηθεί.

Επιταχυντές άμεσης δράσης... Σε τέτοια χρέωση ΗΠΑ. Τα σωματίδια αυξάνουν την ενέργεια σε σταθερά ή σχεδόν σταθερά (δεν αλλάζουν κατά τη διάρκεια της περιόδου κατά την οποία τα σωματίδια αποκτούν πλήρη ενέργεια) ηλεκτρικά. πεδία. Η ενέργεια που αποκτάται από τα σωματίδια είναι στην περίπτωση αυτή ίση με το φορτίο τους πολλαπλασιαζόμενη επί τη διαφορά δυναμικού που έχει περάσει. Η μέγιστη εφικτή ενέργεια των σωματιδίων σε άμεση δράση καθορίζεται από τη μεγαλύτερη διαφορά δυναμικού (15-18 MB), η οποία μπορεί να δημιουργηθεί χωρίς ανάλυση στη φυσική. εγκαταστάσεις. Σε όλες τις πρακτικά χρησιμοποιούμενες άμεσες ενέργειες των ΗΠΑ, το τελευταίο ηλεκτρόδιο του συστήματος επιτάχυνσης βρίσκεται στο δυναμικό γείωσης, καθώς μόνο στην περίπτωση αυτή τα σωματίδια που αφαιρούνται από το Η.Π. δεν χάνουν την αποκτηθείσα ενέργεια κατά τη διάρκεια περαιτέρω κίνησης.

Η άμεση δράση των ΗΠΑ περιλαμβάνει ηλεκτροστατική. γεννήτριες, γεννήτριες καταρράκτη και επαναφορτιζόμενοι ενισχυτές (ή παράλληλα U.). Τα επιταχυνόμενα σωματίδια σε τέτοια U. κινούνται μέσα και κατά μήκος ενός σωλήνα από μονωτές. υλικό (συνήθως πορσελάνη), δημιουργείται ένα κενό μέσα στο κόψιμο, το οποίο είναι απαραίτητο για την απρόσκοπτη κίνηση επιταχυνόμενων σωματιδίων και έξω από (υπό υψηλή πίεση) ένα καλά στεγνό, αέριο χωρίς οξυγόνο μείγμα (πιο συχνά άζωτο με ένα μείγμα θείου εξαφθοριούχο) εγχέεται, εμποδίζοντας την ανάπτυξη ηλεκτρικών. βλάβες. Δημιουργείται μια διαφορά επιτάχυνσης μεταξύ των ηλεκτροδίων που βρίσκονται στα άκρα του σωλήνα (Εικ. 1). Ηλεκτρικός. το πεδίο που κατευθύνεται κατά μήκος του άξονα του σωλήνα ισοπεδώνεται από το μέταλλο. θα χωρίσει. δαχτυλίδια που συνδέονται με το Ομσκ. διαχωριστικό τάσης.

Στο ηλεκτροστατικό U. δημιουργείται υψηλή τάση χρησιμοποιώντας μια ταινία που κινείται γρήγορα από μονωτικό υλικό, για παράδειγμα. καουτσούκ. Στο μέρος χαμηλής τάσης της εγκατάστασης, εφαρμόζεται ηλεκτρικό στην ταινία. χρέωση. Αυτό το φορτίο ρέει προς τα κάτω στην ταινία από το μέταλλο. βελόνες φορτισμένες από ειδικές προσφορές. γεννήτρια έως και αρκετές. δεκάδες kV. Η κινούμενη ταινία μεταφέρει το φορτίο στο τμήμα υψηλής τάσης του Η.Β. που βρίσκεται μέσα στο κοίλο μέταλλο. καπάκι. Εκεί, το φορτίο αφαιρείται από την ταινία χρησιμοποιώντας τις ίδιες βελόνες και ρέει από αυτές στην εξωτερική επιφάνεια του πώματος. Το δυναμικό του κουδουνιού (και όλου του εξοπλισμού που περικλείεται μέσα του, συμπεριλαμβανομένης της πηγής ιόντων και του ηλεκτροδίου υψηλής τάσης του σωλήνα) αυξάνεται συνεχώς καθώς φθάνουν τα φορτία και περιορίζεται μόνο από τη βλάβη.

Εικόνα: 1. Διάγραμμα της συσκευής επιτάχυνσης του σωλήνα.

Τα κυκλώματα πολλαπλασιασμού τάσης χρησιμοποιούνται σε γεννήτριες καταρράκτη για τη δημιουργία μεγάλων πιθανών διαφορών.

Στο πρώτο βήμα, οι αρνητικές τιμές επιταχύνονται. ιόντα (άτομα που περιέχουν ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο) και μετά, μετά την αφαίρεση δύο (ή περισσότερων) ηλεκτρονίων, θα τοποθετηθούν κατά τη διάρκεια της απογύμνωσης. ιόντα. Τόσο η πηγή όσο και οι συσκευές εξόδου τέτοιων Η.Π. έχουν δυνατότητα γείωσης, και το ηλεκτρόδιο υψηλής τάσης εξοπλισμένο με συσκευή απογύμνωσης βρίσκεται στο σημείο βλ. μέρη του U. Η επαναφορτιζόμενη U. καθιστά δυνατή τη λήψη διπλών (και, με βαθύτερη απογύμνωση, ακόμη υψηλότερων) τιμών ενέργειας χωρίς διακοπή.

Επιταχυντές επαγωγής... Στην επαγωγή. Ο W. κατέχει Betatrons και γραμμικούς επαγωγείς. Δ.

Εικόνα: 2. Σχηματική ενότητα του betatron: 1 - μαγνητικοί πόλοι · 2 -τομή του δακτυλιοειδούς θαλάμου κενού · 3 -πυρήνας; 4 - περιελίξεις ηλεκτρομαγνητών 5 - μαγνήτης μαγνήτη.

Το σχηματικό διάγραμμα της συσκευής betatron φαίνεται στο Σχ. 2. Τα επιταχυνόμενα σωματίδια (ηλεκτρόνια) κινούνται σε ένα δακτυλιοειδές θάλαμο κενού 2 βρίσκεται στο κενό του ηλεκτρομαγνήτη ( 1 - οι πόλοι του μαγνήτη). Επιταχύνονται με ηλεκτρικό στροβιλισμό. πεδίο, μια περικοπή είναι ενθουσιασμένη όταν αλλάζετε το magn. ροή που διεισδύει στην τροχιά των επιταχυνόμενων σωματιδίων. Κύριος μέρος αυτής της ροής περνά μέσα από τον πυρήνα 3 βρίσκεται στο κέντρο. μέρη του Betatron. Τύλιγμα 4 τρέφω με AC ρεύμα. Διαμόρφωση μαγνήτη Το πεδίο στο betatron πρέπει να πληροί δύο προϋποθέσεις: 1) magn. επαγωγή στο κέντρο. η τροχιά πρέπει να αντιστοιχεί στην μεταβαλλόμενη ενέργεια των ηλεκτρονίων · 2) διαμόρφωση magn. Το πεδίο στον θάλαμο κενού πρέπει να διασφαλίζει τη σταθερότητα της εγκάρσιας κίνησης των ηλεκτρονίων ή, όπως λένε, τη σταθερότητα των ταλαντώσεις betatron (Δες παρακάτω). Οι λοξότμητες μαγνήτες σε σχήμα δακτυλίου που βρίσκονται πάνω και κάτω από τον θάλαμο. οι πόλοι δημιουργούν το απαραίτητο πεδίο για τέτοια σταθερότητα, μειώνοντας προς την περιφέρεια (Εικ. 8, σι).

Η ιδέα της μεθόδου επιτάχυνσης Betatron εκφράστηκε το 1922 από τον J. Slepian, τα θεμέλια της θεωρίας αναπτύχθηκαν το 1948 από τον R. Wideroe. Το πρώτο betatron χτίστηκε το 1940. Η απλότητα και η αξιοπιστία των betatrons εξασφάλισαν την ευρεία εφαρμογή τους στην τεχνολογία και την ιατρική (στο ενεργειακό εύρος 20-50 MeV).

Σε γραμμικούς επαγωγικούς επιταχυντές, οι γραμμές ισχύος είναι ηλεκτρικές. πεδία (με ένταση μι) κατευθύνονται κατά μήκος του άξονα του επιταχυντή. Ηλεκτρικός. το πεδίο προκαλείται από ένα χρονικά μεταβαλλόμενο magn. από τη ροή που διέρχεται διατεταγμένη το ένα πίσω από τους άλλους δακτυλίους φερρίτη 1 (εικ. 3). Μαγν. η ροή ενθουσιάζεται από αυτούς με βραχείς (δεκάδες ή εκατοντάδες ns) παλμούς ρεύματος που διέρχονται από περιελίξεις μιας στροφής 2 καλύπτοντας επαγωγείς. Η εστίαση πραγματοποιείται από έναν διαμήκη μαγνήτη. πεδίο, μια περικοπή δημιουργείται από πηνία 3 βρίσκεται μέσα στους επαγωγείς. Η γραμμική επαγωγή U. καθιστά δυνατή τη λήψη ρεκόρ (kiloampere) ρευμάτων σε παλμό. αφελής. το πιο ισχυρό του U. - ATA (USA) - επιταχύνει τα ηλεκτρόνια σε ενέργεια 43 MeV σε ρεύμα 10 kA. Η διάρκεια των τρεχόντων παλμών είναι 50 ns.

Εικόνα: 3. Διάγραμμα γραμμικής επαγωγικής συσκευής επιταχυντής: 1 - ο πυρήνας του επαγωγέα · 2 -συναρπαστικός κούρδισμα; 3 - Πηνίο εστίασης.

Επιταχυντές συντονισμού... Σε συντονισμό U. για αύξηση του ενεργειακού φορτίου. τα σωματίδια χρησιμοποιούνται HF διαμήκη ηλεκτρικά. πεδία. Η επιτάχυνση σε τέτοια πεδία είναι δυνατή εάν πληρούται μία από τις δύο προϋποθέσεις: είτε τα επιταχυνόμενα σωματίδια πρέπει να κινούνται μαζί με τον ηλεκτρομαγνήτη. κύμα, διατηρώντας τη θέση τους σε σχέση με αυτό (κύμα επιτάχυνσης και κίνησης), ή θα πρέπει να αλληλεπιδρούν μαζί του μόνο σε τέτοιες στιγμές όταν είναι ηλεκτρικές. το πεδίο έχει την επιθυμητή (επιτάχυνση) κατεύθυνση και το απαιτούμενο μέγεθος (το σωστό συντονισμό Υ.). Οι περιοχές στις οποίες αλληλεπιδρούν τα σωματίδια με το πεδίο επιτάχυνσης καλούνται. με μια συντόμευση και μια συντόμευση. Στην υπόλοιπη διαδρομή, τα σωματίδια δεν βιώνουν τη δράση του πεδίου HF, είτε επειδή απλά δεν υπάρχει, είτε επειδή τα σωματίδια είναι προστατευμένα από αυτό.

Το κύριο κύμα σε ΗΠΑ χρησιμοποιείται στην κύρια. για την επιτάχυνση των σωματιδίων φωτός (ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια), η ταχύτητα των οποίων ήδη σε χαμηλές ενέργειες διαφέρει ελάχιστα από. Ταχύτητα φάσης του ηλεκτρομαγνήτη. κύματα σε κενό Οι οδηγοί κυμάτων υπερβαίνουν πάντα την ταχύτητα του φωτός. φόρτωση των κυματοδηγών με διάτρητο σύστημα. διαφράγματα, μπορείτε να μειώσετε την ταχύτητα του κύματος, αλλά όχι πάρα πολύ. Επομένως, η επιτάχυνση των αργών σωματιδίων δεν χρησιμοποιείται με ένα κύμα κίνησης.

.

Εικόνα: 4. Διάγραμμα της συσκευής του επιταχυντή Wideroe: 1 - παροδικοί σωλήνες f · 2-γεννήτρια ταλαντώσεων HF. 3 - επιτάχυνση των κενών ·

Επιταχυντές γραμμικού συντονισμού... Ο απλούστερος συντονισμός U. είναι ο επιταχυντής Videroe (Εικ. 4). Τακτοποιημένο κατά μήκος της μεταλλικής δέσμης. Οι σωλήνες πτήσης συνδέονται (μέσω ενός) στους πόλους της γεννήτριας HF. Στα επιταχυνόμενα κενά (τα διαστήματα μεταξύ των αντίθετα φορτισμένων σωλήνων πτήσης), δημιουργείται ένα διαμήκη ηλεκτρικό. Πεδίο HF με τάση της τάξης των εκατοντάδων kV. Τα σωματίδια που πλησιάζουν το επιταχυνόμενο κενό στο σωστό χρόνο επιταχύνονται ηλεκτρικά. πεδίο και στη συνέχεια "απόκρυψη" στον επόμενο σωλήνα πτήσης. Το μήκος και η ταχύτητα του σωματιδίου συντονίζονται μεταξύ τους έτσι ώστε τα σωματίδια να πλησιάζουν το επόμενο κενό τη στιγμή που είναι ηλεκτρικά. το πεδίο έχει τη σωστή κατεύθυνση και μέγεθος, δηλαδή την ίδια φάση με το προηγούμενο κενό επιτάχυνσης. Για αυτό, είναι απαραίτητο η κατάσταση

όπου / είναι το μήκος του σωλήνα και το διάκενο επιτάχυνσης · - ταχύτητα σωματιδίων, εκφραζόμενη σε κλάσματα της ταχύτητας του φωτός s, - μήκος κύματος ηλεκτρομαγνήτη. δονήσεις (σε κενό) · Π- κάθε ακέραιος. Η επιταχυνόμενη δέσμη αποτελείται, δηλαδή, από μια αλυσίδα δέσμων σωματιδίων (δέσμες) που έχουν περάσει από τα κενά επιτάχυνσης με το κατάλληλο ηλεκτρικό. πεδία. Κατά την ανάπτυξη της δομής ενός γραμμικού U. είναι σημαντικό να επιλέξετε σωστά τα μήκη όχι μόνο των σωλήνων έκτασης, αλλά και των επιταχυνόμενων κενών. Αυτά τα μήκη πρέπει, αφενός, να είναι αρκετά μεγάλα για να αντέχουν αισθητές τάσεις (εκατοντάδες kV, και μερικές φορές μεγαβάτ), και από την άλλη πλευρά, αρκετά μικρά ώστε η φάση των ταλαντώσεων HF να μην αλλάζει πάρα πολύ κατά τη διέλευση του σωματιδίου.

Καθώς η ταχύτητα των σωματιδίων αυξάνεται, οι επιταχυντές Wideröe καθίστανται αναποτελεσματικοί και υποχωρούν στους επιταχυντές Aliaretz. Σε αυτούς, οι σωλήνες πτήσης δεν είναι συνδεδεμένοι στη γεννήτρια, αλλά βρίσκονται ο ένας μετά τον άλλο μέσα σε έναν μακρύ κυλινδρικό σωλήνα. αντηχείο, στο Krom είναι ενθουσιασμένοι e - magn. διακυμάνσεις. Το πεδίο HF, μια τομή μακριά από τους σωλήνες διέλευσης, κατανέμεται με τον ίδιο τρόπο όπως σε ένα συμβατικό αντηχείο, στον άξονα του συγκεντρώνεται στα επιταχυνόμενα κενά. Η διάταξη των στοιχείων "διάκενο επιτάχυνσης - σωλήνας πτήσης - διάκενο επιτάχυνσης", κ.λπ., παραμένει η ίδια με εκείνη των επιταχυντών Wideröe, αλλά η κατάσταση (1) παίρνει τη μορφή

Ο γραμμικός συντονισμός υπερήχων λειτουργεί αποτελεσματικά εάν εγχέονται αρκετά γρήγορα σωματίδια, προηγουμένως επιταχυνόμενα με τη βοήθεια άμεσης δράσης ή με τη βοήθεια εναλλασσόμενης συσκευής εστίασης υψηλής συχνότητας. - v

Κυκλοτρόνια- το πιο απλό και ιστορικά πρώτο κυκλικό Η.Π.Α. τύπος (εικ. 5). Στο παρόν. Η κατανόηση των κυκλοτρονίων ονομάζεται συντονισμένοι κύκλοι. W., σε συνεργασία με έναν κορυφαίο μαγνήτη που δεν αλλάζει στο χρόνο. πεδίο και σε μια θέση, η συχνότητα του επιταχυνόμενου πεδίου HF. Στα συμβατικά κυκλοτρόνια, magn. το πεδίο είναι αζιμουθιακό και σχεδόν ανεξάρτητο από την ακτίνα. οι τροχιές των επιταχυνόμενων σωματιδίων έχουν τη μορφή σπειρών ξετύλιξης. Τα συμβατικά κυκλοτρόνια χρησιμοποιούνται για την επιτάχυνση βαρέων μη σχετιστικών σωματιδίων - πρωτονίων και ιόντων. Ο θάλαμος κενού των κυκλοτρονίων περιορίζεται σε ext. κυλινδρικό τοίχωμα μορφές και δύο επίπεδα οριζόντια καπάκια. Οι ηλεκτρομαγνητικοί πόλοι των συμβατικών κυκλοτρονίων δημιουργούν σχεδόν ομοιόμορφους (ελαφρώς πέφτοντες προς την περιφέρεια) μαγνήτες στον θάλαμο. πεδίο. Το διάκενο επιτάχυνσης σχηματίζεται από τις τομές δύο ηλεκτροδίων που βρίσκονται στον θάλαμο και βλέπουν το ένα το άλλο, τα οποία έχουν το σχήμα κοίλων ημικυλινδρών - ντουέτο. Οι πράξεις συνδέονται με τους πόλους της γεννήτριας υψηλής τάσης μέσω γραμμών τετάρτου κύματος.

Εικόνα: 5. Διάγραμμα της συσκευής κυκλοτρονίων.

Ένα σωματίδιο που κινείται σε κύκλο ασκείται από κεντρομόλο κίνηση. Δύναμη Lorentz ίση με τη φυγοκεντρική δύναμη όπου r είναι η ακτίνα καμπυλότητας της τροχιάς, Ζε- φόρτιση σωματιδίων Ετσι, Προχωρώντας σε πιο βολικές μονάδες, παίρνουμε

Που υπολογιστής- προϊόν της ορμής των σωματιδίων Ρ με την ταχύτητα του φωτός από - εκφράζεται σε MeV, επαγωγικό μαγνήσιο. πεδία ΣΕ μετριέται σε tesla, και r σε m.

Απόλυτη ενέργεια που επιτυγχάνεται σε συμβατικά κυκλοτρόνια. είναι για πρωτόνια περίπου. 20 MeV, και η συχνότητα του επιταχυνόμενου πεδίου (σε Β \u003d 2 T) - περίπου. 30 MHz. Σε υψηλές ενέργειες, τα επιταχυνόμενα σωματίδια βγαίνουν από το συγχρονισμό με την επιταχυνόμενη τάση λόγω της μείωσης ΣΕ από το κέντρο στην περιφέρεια και λόγω σχετικιστικών επιδράσεων.

Τα συμβατικά κυκλοτρόνια χρησιμοποιούνται ευρέως για την παραγωγή ισοτόπων και σε όλες τις άλλες περιπτώσεις όταν απαιτούνται πρωτόνια (ή ιόντα) με ενέργεια έως 20 MeV (ή ~ 20 MeV / νουκλεόνιο). Εάν απαιτούνται πρωτόνια με υψηλότερες ενέργειες (έως αρκετές εκατοντάδες MeV), τότε χρησιμοποιούνται κυκλοτρόνια με αζιμουθιακά μεγέθη. πεδία. Η σταθερότητα της εγκάρσιας κίνησης σε τέτοια κυκλοτρόνια διασφαλίζεται λόγω της απόρριψης της αζιμουθικής συμμετρίας του magn. πεδίο και την επιλογή μιας τέτοιας διαμόρφωσης, το άκρο σας επιτρέπει να διατηρείτε σταθερότητα κίνησης και αυξάνοντας (κατά μέσο όρο) την περιφέρεια των τιμών του magn. επαγωγή.

Η διαδικασία επιτάχυνσης στα κυκλοτρόνια συμβαίνει συνεχώς: ταυτόχρονα, μερικά σωματίδια αφήνουν την πηγή ιόντων, άλλα βρίσκονται στη μέση της διαδρομής και άλλα ολοκληρώνουν τη διαδικασία επιτάχυνσης. Τυπικό ρεύμα int. η ακτίνα στα κυκλοτρόνια είναι περίπου. 1 mA, το εξερχόμενο ρεύμα δέσμης εξαρτάται από την αποτελεσματικότητα της εκτόξευσης και από τη θερμική σταθερότητα των φύλλων εξόδου. συνήθως είναι αρκετά. δεκάδες μA.

Φαζοτρόνια... Στα φασοτρόνια magn. το πεδίο είναι σταθερό στο χρόνο και το κυλινδρικό του διατηρείται. συμμετρία. Μαγν. το πεδίο μειώνεται προς την περιφέρεια, η συχνότητα περιστροφής των σωματιδίων μειώνεται με την αύξηση της ενέργειας και, κατά συνέπεια, η συχνότητα του επιταχυνόμενου πεδίου μειώνεται. Σε αυτήν την περίπτωση, οι περιορισμοί στην ενέργεια των επιταχυνόμενων σωματιδίων εξαφανίζονται, αλλά η ένταση της επιταχυνόμενης δέσμης μειώνεται απότομα (κατά αρκετές τάξεις μεγέθους). Η αλλαγή της συχνότητας του πεδίου επιτάχυνσης οδηγεί στο γεγονός ότι η διαδικασία επιτάχυνσης χωρίζεται σε κύκλους: μια νέα παρτίδα σωματιδίων μπορεί να εισαχθεί στο φασότρον μόνο αφού ολοκληρωθεί η επιτάχυνση της προηγούμενης παρτίδας και η συχνότητα επιστρέψει στην αρχική της τιμή . Η συνήθης περιοχή εργασίας των φασοτρονίων από πολλά. εκατοντάδες έως χιλιάδες MeV. Καθώς η ενέργεια αυξάνεται περαιτέρω, το μέγεθος των μαγνητών γίνεται πολύ μεγάλο και το βάρος και το κόστος τους αυξάνουν υπερβολικά. Πρόσφατα (90s) δεν έχουν κατασκευαστεί νέα φαστροτρόνια. Για ενέργειες έως και αρκετές. εκατοντάδες MeV χρησιμοποιούν κυκλοτρόνια με αζιμουθιακή παραλλαγή του magn. πεδία και τα συγχροντρόνια χρησιμοποιούνται για την επιτάχυνση σε υψηλές ενέργειες.

Συγχρονόμετρα χρησιμοποιείται για την επιτάχυνση σωματιδίων όλων των τύπων: συγχροντρόνια κατάλληλα για ηλεκτρόνια και συγχροντρόνια για πρωτόνια και άλλα ιόντα (το παλιό όνομα είναι συγχρονιστροτρόνια, βλ. Πρωτόνιο Synchrotron)... Η ενέργεια στην οποία τα σωματίδια επιταχύνονται στα συγχρονόμετρα περιορίζεται για τα ηλεκτρόνια με τη δύναμη της ακτινοβολίας συγχροντρόν, και για τα πρωτόνια και τα ιόντα μόνο από το μέγεθος και το κόστος του Υ.

Στα συγχροντρόνια, η τροχιά παραμένει σταθερή κατά τη διάρκεια της διαδικασίας επιτάχυνσης, κατά την οποία κυκλοφορούν τα σωματίδια. Κορυφαίος μεγαλοπρεπής το πεδίο δημιουργείται μόνο κατά μήκος μιας στενής διαδρομής, που περικλείει έναν δακτυλιοειδή θάλαμο κενού, στον οποίο κινούνται σωματίδια. Όπως είναι σαφές από το (3), με την ανάρτηση. ακτίνα μαγνη. η επαγωγή πρέπει να αυξηθεί αναλογικά. ορμή επιταχυνόμενων σωματιδίων. Η συχνότητα της περιστροφής με (σε σταθερό μήκος της τροχιάς) σχετίζεται με την ώθηση f-lo

πού είναι η συχνότητα με την οποία ένα σωματίδιο κινείται με την ταχύτητα του φωτός θα γυρίζει στο συγχροντρόν. Η συχνότητα του επιταχυνόμενου πεδίου μπορεί να συμπίπτει με τη συχνότητα περιστροφής των σωματιδίων ή να είναι ακέραιος αριθμός φορών (ονομάζεται συχνότητα) να την υπερβαίνει. Έτσι, σε ηλεκτρονικά συγχροντρόνια (για τα οποία υπάρχουν πάντα p \u003e\u003e mc) η συχνότητα του επιταχυνόμενου πεδίου είναι σταθερή, ενώ η επαγωγή του magn. το περιθώριο αυξάνεται. Στα συγχροντρόνια πρωτονίων, κατά τη διάρκεια του επιταχυνόμενου κύκλου, ως επαγωγή μαγνησίου. πεδίο και τη συχνότητα της επιταχυνόμενης τάσης.

Μικρότρονα-κυκλικός. ΗΠΑ με δημοσίευση. μεγαλο πεδίο και με αύξηση ενέργειας ανά περιστροφή ίση με την ενέργεια ανάπαυσης ηλεκτρονίων (0,511 MeV). Εάν ολόκληρη η αύξηση της ενέργειας συμβαίνει σε ένα σύντομο τμήμα, τότε στη νηστεία. μεγαλο το πεδίο του σωματιδίου μεταφέρεται από τη μία κυκλική τροχιά στην άλλη. Όλες αυτές οι τροχιές αγγίζουν το ένα το άλλο στο σημείο όπου βρίσκεται η συσκευή επιτάχυνσης. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων σε τέτοιο Η.Π. δεκάδες MeV.

Οι διαστάσεις των επιταχυντών. Συμπλέγματα επιταχυντή... Το μήκος της γραμμικής U. καθορίζεται από την ενέργεια των επιταχυνόμενων σωματιδίων και τον ρυθμό επιτάχυνσης και η ακτίνα καμπυλότητας της τροχιάς των επιταχυντών δακτυλίου καθορίζεται από την ενέργεια των σωματιδίων και τη μέγιστη επαγωγή του κύριου μαγνήτη. πεδία.

Στο παρόν. ο γραμμικός ηλεκτρονικός ρυθμός επιτάχυνσης είναι 10-20 MeV / m, σε πρωτόνιο - 2,5-5 MeV / m. Η αύξηση του ρυθμού επιτάχυνσης εκτείνεται σε δύο κεντρικά ρεύματα. δυσκολίες: η αύξηση των ανθεκτικών απωλειών στα τοιχώματα των αντηχείων και ο κίνδυνος ηλεκτρικής ενέργειας. βλάβες. Για να μειωθούν οι απώλειες αντίστασης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υπεραγωγικοί συντονιστές (οι πρώτοι τέτοιοι συντονιστές έχουν ήδη αρχίσει να λειτουργούν). Για την καταπολέμηση των βλαβών, η διανομή ηλεκτρικής ενέργειας ισοπεδώνεται προσεκτικά. πεδία σε αντηχεία, αποφεύγοντας τοπικές ανομοιογένεια. Είναι πιθανό ο ρυθμός επιτάχυνσης στο γραμμικό υπερηχογράφημα πρωτονίων να μπορεί να αυξηθεί με το χρόνο με μια τάξη μεγέθους.

Οι διαστάσεις του κυκλικού U. σχετίζονται με την επαγωγή του κύριου μαγνήτη. πεδία f-loy (3). Με την επιτάχυνση των μοναδικών φορτισμένων σωματιδίων και την τιμή του μέσου δακτυλίου T (που αντιστοιχεί σε αυτό δίνει το f-la (Μ). Σύμφωνα με αυτό, το 1 TeV U. πρέπει να έχει περίμετρο ~ 20 km. Για την προστασία τους από την ακτινοβολία, τέτοιες κατασκευές είναι υπόγειες. Το τεράστιο μέγεθος της βιομηχανίας ενέργειας υψηλής ενέργειας οδηγεί σε κεφαλαιουχικές δαπάνες σε δισεκατομμύρια δολάρια.

Οι παραπάνω εκτιμήσεις ισχύουν για τον W., magn. Τα μπλοκ to-rykh περιέχουν ένα ζυγό σιδήρου. Αυξήσουν σι το μέγιστο πάνω από 1,8 T αποδεικνύεται αδύνατο λόγω του κορεσμού του σιδήρου, αλλά αυτό μπορεί να γίνει με τη μετάβαση σε υπεραγωγούς μαγνήτες. συστήματα. Το πρώτο τέτοιο U - το Tevatron - εργάζεται ήδη στο Εργαστήριο. Fermi στις ΗΠΑ. Μαγν. το πεδίο σε μπλοκ, τυλιγμένο με καλώδιο με αγωγούς NbTi σε χαλκό μήτρα, σε θερμοκρασία 4 K μπορεί να ανυψωθεί σε 5-5,5 T, και όταν η θερμοκρασία μειωθεί σε 1,8 K ή κατά τη μετάβαση σε NbSn, έως 8 -10 Τ. (Το κράμα NbSn δεν χρησιμοποιείται στην κατασκευή επιταχυντών λόγω της ευθραυστότητάς του.) Μια περαιτέρω μείωση της θερμοκρασίας επιτρέπει σε κάποιον να φτάσει σε ακόμη υψηλότερα μεγέθη. πεδία, αλλά οικονομικά μη κερδοφόρα · Οι διαστάσεις της ουρίας μειώνονται, αλλά ο αριθμός των δαπανηρών και ενεργειακά έντασης κρυογονικού εξοπλισμού αυξάνεται.

Λιγότερο αποδεκτές ελάχιστες αποδεκτές τιμές ΣΕ... Στην Αμερική με ένα ζυγό σιδήρου σι τα ορυχεία δεν πρέπει να είναι λιγότερα (6-10). 10 ~ 3 T, καθώς στα χαμηλότερα πεδία η συνεισφορά στο συνολικό μέγεθος είναι πολύ μεγάλη. η επαγωγή αρχίζει να συνεισφέρει το υπολειπόμενο magn. πεδία, η χωρική κατανομή των οποίων είναι συνήθως δυσμενής. Στάση σι Μέγιστη / σι min, και, κατά συνέπεια, η αναλογία των ορμών των εκτοξευόμενων και εγχυόμενων σωματιδίων σε μια ατμόσφαιρα με συνηθισμένους μαγνήτες δεν μπορεί συνεπώς να υπερβαίνει τα 200-300. Σε υπεραγώγιμο μαγνήτη. συστήματα, αυτό το εύρος αποδεικνύεται ακόμη μικρότερο, καθώς για μικρά πεδία σε χώρους. κατανομή του magn. η επαγωγή επηρεάζεται έντονα από τα ρεύματα του ίντι σε υπεραγωγούς αγωγούς. Αυτοί οι περιορισμοί είναι ένας από τους λόγους που οδηγούν στο γεγονός ότι όλοι οι μεγάλοι θα επιταχυνθούν. τα σύμπλοκα περιέχουν πολλά. διαδοχικά λειτουργώντας U .: γραμμικό U - εγχυτήρα, ένα ή περισσότερα. ενδιάμεσο U.- ενισχυτές , τέλος, η κύρια U., φέρνοντας τη χρέωση. σωματίδια έως την τελική ενέργεια και πιθανώς δακτύλιο αποθήκευσης. Το κύκλωμα θα επιταχυνθεί. το σύμπλοκο CERN φαίνεται στο Σχ. 6.

Η κατασκευή και λειτουργία αυτού του συγκροτήματος πραγματοποιείται και χρηματοδοτείται από την Κοινοπολιτεία των ευρωπαϊκών χωρών. Νάιμπ. Το U., το οποίο είναι μέρος του συγκροτήματος, είναι ένας δακτύλιος ηλεκτρονικής-ποζιτρονίου-κολπικής αποθήκευσης LEP που επιταχύνει τις δέσμες ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων σε ενέργεια 45 GeV. Το U. βρίσκεται σε μια βαθιά υπόγεια σήραγγα και έχει περίμετρο 27 km. Σε αυτήν τη σήραγγα τη δεκαετία του '90. Προγραμματίζεται να κατασκευαστεί ένας μεγάλος υπεραγωγός κολλητής αδρονίου LHC (Large Hadron Collider), σχεδιασμένος για να επιταχύνει τα πρωτόνια και τα αντιπρωτόνια σε ενέργεια 7 TeV και στη συνέχεια να επιταχύνει τα ιόντα.

Εικόνα: 6. Σχέδιο του συγκροτήματος επιταχυντών CERN (Ελβετία).

Για έγχυση στο LHC, θα χρησιμοποιηθεί ο επιταχυντής SPS (Super Proton Synchrotron), στην έξοδο του οποίου τα πρωτόνια έχουν ενέργεια ~ 450 GeV. Η περίμετρος αυτού του επιταχυντή είναι 6,9 χλμ., Βρίσκεται υπόγεια σε βάθος 40 μ. Το SPS δέχεται βαριά σωματίδια από το συγχροντρόνιο πρωτονίου PS, στο οποίο, με τη σειρά τους, τα πρωτόνια και τα ιόντα προέρχονται από τον ενισχυτή Isolde, και ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια - από τον ενισχυτή EPA.

Στη Ρωσία, αφελής. Η Proton (και ιονική) U. (70 GeV) λειτουργεί στο Protvino (κοντά στο Serpukhov, Περιφέρεια Μόσχας). Κάτω από αυτόν, άρχισε η κατασκευή ενός κέντρου επιτάχυνσης και αποθήκευσης (UC) με περίμετρο 21 χλμ. Έχει σχεδιαστεί για να επιταχύνει τα πρωτόνια και τα αντιπρωτόνια σε ενέργεια 3 TeV. Το Διεθνές Κοινό Ινστιτούτο Πυρηνικής Έρευνας (JINR, Dubna, περιοχή της Μόσχας) λειτουργεί ένα συγχροντρόνιο πρωτονίων που επιταχύνει τα πρωτόνια σε 9 GeV, ένα φασότρονο και υπεραγώγιμα ιόντα υπερήχων - ένα νουκλετρόνιο που επιταχύνει τα ιόντα σε ενέργεια 6 GeV / νουκλεόνιο.

Στο Ying, αυτά τα θεωρητικά. και πείραμα. Φυσική (ITEP, Μόσχα), το πρωτόνιο synchrotron επιταχύνει τα πρωτόνια σε ενέργεια 9 GeV.

Διακυμάνσεις φάσης... Όπως έχει ήδη σημειωθεί, σε συντονισμένους υπερήχους, η δέσμη επιταχυνόμενων σωματιδίων χωρίζεται αυθόρμητα σε δέσμες. Κέντρο. τα σωματίδια των δεσμών πλησιάζουν για άλλη μια φορά το διάκενο επιτάχυνσης (σε κυκλικό U.) ή στο επόμενο διάκενο επιτάχυνσης (σε γραμμικό U.) εκείνες τις στιγμές που η φάση της τάσης επιτάχυνσης HF έχει την απαιτούμενη τιμή. Τέτοια σωματίδια ονομάζονται. ίσος. Δρ. σωματίδια μιας δέσμης κατά τη διαδικασία επιτάχυνσης κυμαίνονται γύρω από την ισορροπία, μερικές φορές μπροστά από αυτήν, μερικές φορές υστερούν πίσω από αυτήν. Αυτές οι δονήσεις ονομάζονται. φάση. Συνοδεύονται από διακυμάνσεις στην ενέργεια και την ορμή των επιταχυνόμενων σωματιδίων σε σχέση με την ενέργεια και την ορμή ενός σωματιδίου ισορροπίας.

Ας εξετάσουμε την κίνηση φάσης σε γραμμικό Υ. Για απλότητα, θα υποθέσουμε ότι τα κενά επιτάχυνσης είναι τόσο μικρά ώστε τα σωματίδια να τα περνούν σχεδόν αμέσως. Αφήστε ένα συγκεκριμένο σωματίδιο να έρθει στο κενό αργότερα από αυτό. Προκειμένου να αρχίσει να το ακολουθεί, πρέπει να λαμβάνει περισσότερη ενέργεια όταν περνά από το κενό. Αντίθετα, ένα σωματίδιο που έχει φτάσει στο κενό νωρίτερα από την ισορροπία θα πρέπει να λαμβάνει λιγότερη ενέργεια.

Στο σχ. 7 η ημιτονοειδής καμπύλη αντιπροσωπεύει την ένταση που ποικίλει στο χρόνο μι επιτάχυνση του πεδίου HF. Η διακεκομμένη γραμμή σηματοδοτεί την ένταση, τα άκρα πρέπει να υπάρχουν τη στιγμή που περνά το σωματίδιο ισορροπίας, έτσι ώστε να φτάσει στο επόμενο κενό στο χρόνο. Σε κάθε περίοδο αλλαγής μι υπάρχουν δύο τέτοια σημεία: ΑΠΟ και ρε... Είναι εύκολο, ωστόσο, να δούμε ότι η κίνηση είναι σταθερή μόνο στο σημείο C. Μόνο σε αυτό το σημείο σε μεταγενέστερες στιγμές του χρόνου, η ισχύς του πεδίου αυξάνεται και σε προηγούμενες στιγμές μειώνεται.

Εικόνα: 7. Στη συζήτηση της αρχής της αυτόματης φάσης.

Μια λεπτομερής ανάλυση της διαμήκους κίνησης των σωματιδίων δείχνει ότι με επαρκές εύρος ταλαντώσεων HF υπάρχει πάντα μια περιοχή κίνησης σταθερής φάσης - σε αυτήν την περίπτωση, η περιοχή που βρίσκεται γύρω από το σημείο C. Αυτή η δήλωση ονομάζεται. αρχή αυτόματη φάση.

Στην κυκλική επιτάχυνση, η ενέργεια εξαρτάται όχι μόνο από την ταχύτητα των σωματιδίων, αλλά και από το μήκος της διαδρομής που ταξιδεύουν από το προηγούμενο κενό επιτάχυνσης στο επόμενο (εάν υπάρχουν πολλά από αυτά), καθώς και από την περίμετρο της τροχιάς . Ας εισαγάγουμε τον συντελεστή. επιμήκυνση της τροχιάς.

Που μεγάλο - περιμετρική τροχιά, Ρ- παλμός σωματιδίου Η αλλαγή στο χρόνο που αφιερώνεται από ένα σωματίδιο για κυκλοφορία στο U. εξαρτάται από την ορμή του και περιγράφεται από το f-layer

όπου ο συντελεστής g-Lorentz του σωματιδίου, Σε γραμμικό Y. a \u003d 0, και το σταθερό σημείο είναι ΑΠΟ... Σε κυκλικό Υ το σημείο Γ είναι σταθερό και στο τελεία ρε... Η ενέργεια στην οποία αυτά τα σημεία αλλάζουν θέσεις αντιστοιχεί στην αναλογία

και κάλεσε. Κρίσιμη ενέργεια (στην αγγλική βιβλιογραφία - ενέργεια μετάβασης). Σε αυτό το σημείο, η φάση της επιταχυνόμενης τάσης πρέπει να μεταφερθεί από το ένα «σύγχρονο σημείο» στο άλλο. Όταν πλησιάζετε κριτικά. Οι ενέργειες της συχνότητας των ταλαντώσεων φάσης (σε κυκλικό U. ονομάζονται συχνά ακτινική φάση) μειώνονται και τα μεγέθη φάσης των δεσμών μειώνονται απότομα και η διασπορά των σωματιδίων στην ορμή (και στην ενέργεια) αυξάνεται. Τη στιγμή της μετάβασης μέσω του κριτικού. η ενέργεια αυξάνει την επίδραση της αποσύνθεσης. είδος αστάθειας. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά σχεδίασης του U. - στην τιμή ενός - κρίσιμου. Η ενέργεια μπορεί να βρίσκεται εντός ή εκτός του εύρους ενέργειας λειτουργίας.

Πρόβλημα ευστάθειας ρολού. Ταλαντώσεις Betatron... Κατά τη διάρκεια της επιτάχυνσης, τα σωματίδια σε μεγάλους δακτυλίους υδρογονάνθρακες ταξιδεύουν σε μια διαδρομή μετρημένη σε εκατοντάδες χιλιάδες ή ακόμη και εκατομμύρια χιλιόμετρα. Σε θα συσσωρευτεί. συστήματα με αυτόν τον τρόπο για πολλά ακόμη. τάξεις μεγέθους περισσότερο, και σε μικρές ΗΠΑ - από αρκετές. τάξεις μεγέθους μικρότερες, αλλά είναι πάντα πολύ μεγάλες σε σύγκριση με τη διάμετρο του θαλάμου κενού, οι εγκάρσιες διαστάσεις μιας κοπής συνήθως δεν υπερβαίνουν τα δύο δεκάδες εκατοστά. Η σύγκρουση σωματιδίων με τα τοιχώματα του θαλάμου οδηγεί στην απώλεια . Επομένως, η επιτάχυνση είναι δυνατή μόνο με ένα προσεκτικά υπολογισμένο και εκτελεσμένο σύστημα εστίασης.

Για οποιαδήποτε τιμή της ενέργειας του επιταχυνόμενου σωματιδίου (στην περιοχή σταθερότητας των ταλαντώσεων φάσης), υπάρχει μια κλειστή (σταθερή) τροχιά στο δακτυλιοειδές υπερηχογράφημα. Όντας στο θάλαμο κενού του U, τα σωματίδια κινούνται κοντά σε αυτήν την τροχιά, κάνοντας το ταλαντώσεις betatron Οι συχνότητες αυτών των ταλαντώσεων υπερβαίνουν σημαντικά τις συχνότητες των ταλαντώσεων φάσης, έτσι ώστε κατά τη μελέτη των ταλαντώσεων βητρώνων, η ενέργεια των επιταχυνόμενων σωματιδίων και η θέση της κλειστής τροχιάς μπορούν να θεωρηθούν σταθερές.

Με θεωρητικό. Λαμβάνοντας υπόψη τις ταλαντώσεις Betatron, οι περιοχές συνήθως διερευνούνται, οι οποίες καταλαμβάνονται από τα επιταχυνόμενα σωματίδια στα «επίπεδα φάσης» ( r, στ) και (z, Π z), πού ρ και ζ - οριζόντιες και κάθετες συντεταγμένες του σωματιδίου ( r \u003d R - R 0, πού Ρ- ακτίνα σωματιδίων, Ρ 0 είναι η ακτίνα της τροχιάς ισορροπίας), a στ και σελ- τα αντίστοιχα συστατικά της ώθησης του. Σε απρόσκοπτη κίνηση, αυτές οι περιοχές έχουν σχήμα έλλειψης. Σύμφωνα με Το θεώρημα του Λιούβιλ, οι τιμές των περιοχών δεν αλλάζουν κατά τη μετακίνηση. Κατά τη διαδικασία επιτάχυνσης, τα σωματίδια διασχίζουν πολλά. ανομοιογένεια μαγνη. και ηλεκτρικό. πεδία. Σε αυτήν την περίπτωση, η περιοχή που καταλαμβάνεται από τη δέσμη στο χώρο φάσης μπορεί να αποκτήσει ένα πολύπλοκο σχήμα, έτσι ώστε το μέγεθος της περιοχής - η περιοχή της περιγραφόμενης έλλειψης - αυξάνεται. Σε ένα προσεκτικά συντονισμένο W., μια τέτοια αύξηση δεν συμβαίνει. Παρουσία σύνδεσης μεταξύ οριζόντιων και κάθετων κινήσεων, δεν διατηρείται καθεμία από τις υποδεικνυόμενες περιοχές, αλλά ο όγκος που καταλαμβάνεται από τη δέσμη σε τετραδιάστατο χώρο ( ρ, ζ, p r, p z).

Πρακτικός Ενδιαφέρον παρουσιάζει συνήθως η περιοχή που καταλαμβάνεται από τη δέσμη όχι στα επίπεδα φάσης, αλλά στα επίπεδα ( ρ, q ρ), (ζ, q ζόπου q ρ και q ζείναι οι γωνίες που σχηματίζονται από τις ταχύτητες των σωματιδίων με εφαπτομένη στην τροχιά ισορροπίας. Αυτές οι περιοχές ονομάζονται. οριζόντια (ή ακτινική) και κάθετη (ή αξονική μ) Εβιτάνοι δέσμη ε ρ και ε ζ... Η μετάβαση από παλμούς σε γωνίες δίνεται από τα f-lams

Που Ρ- το διαμήκη στοιχείο της ώθησης, το οποίο ουσιαστικά συμπίπτει με την πλήρη ώθηση · Ρ 0 \u003d mc... Από το θεώρημα του Liouville προκύπτει ότι τα ολοκληρώματα της κίνησης είναι οι ποσότητες Πμι ρ και Πμι ζ ή, αντίστοιχα, bge ρ και bge ζ, κάλεσε το to-rye. n o r m a l και z o v και n m και e m και t t n s και m i.

Είναι σαφές από όσα έχουν ειπωθεί ότι κατά την επιτάχυνση, οι κανονικοποιημένες εκπομπές παραμένουν αμετάβλητες, ενώ οι συνηθισμένες εκπομπές e ρ και ε ζ μείωση ως 1 / bg. Οι εγκάρσιες διαστάσεις της δέσμης μειώνονται αντίστοιχα.

Το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό κάθε U. είναι το akseptan s - naib. emittance, to-ry U. περνάει χωρίς απώλεια. Η υψηλή ένταση της επιταχυνόμενης δέσμης μπορεί να επιτευχθεί μόνο σε ένα Η.Π.Α με αρκετά μεγάλη αποδοχή.

Με τις δεδομένες διαστάσεις του θαλάμου κενού, η αποδοχή του W. είναι ανάλογη με τη μέγιστη. γωνία, η οποία μπορεί να είναι τροχιές σωματιδίων με τροχιά ισορροπίας και, ως εκ τούτου, είναι αντιστρόφως ανάλογη με το μήκος κύματος των ταλαντώσεων βητρών. Η κατακόρυφη και οριζόντια αποδοχή του U. είναι ανάλογη, δηλαδή με τον αριθμό των ταλαντώσεων Betatron ανά περιστροφή Ερ και Ερ z to-rye επομένως είναι επιθυμητό να αυξηθεί. Σε όλες τις υπάρχουσες ΗΠΑ Ερ και Ερ z είναι το ένα κοντά στο άλλο. Εάν και τα δύο είναι μικρότερα από 1, καλείται η εστίαση. με l και b περίπου d (m i gk περίπου d), και εάν περισσότερα από 1-s ή l n περίπου th (f e s t περίπου th).

Όλες οι τιμές ακέραιου και μισού ακέραιου Ερ και Ερ z απαγορεύονται. Με ολόκληρο Ερ τα σωματίδια επιστρέφουν στο magn. στοιχεία στην ίδια φάση ταλαντώσεων βητατρόν, αυξάνεται η επιρροή των σφαλμάτων πεδίου και προκύπτει μια συντονισμένη ταλάντωση (εξωτερικός συντονισμός). Γύρω από ακέραιες τιμές υπάρχουν απαγορευμένες περιοχές συχνότητας, στις οποίες η αύξηση των ταλαντώσεων, αν και περιορισμένη σε μέγεθος, αποδεικνύεται ότι είναι απαράδεκτα μεγάλη, για παράδειγμα. υπερβαίνει τις διαστάσεις του θαλάμου κενού.

Τιμές μισού ακέραιου Ερ και Ερ z απαγορεύεται λόγω της εμφάνισης μιας παραμέτρου και μιας ταλάντωσης συντονισμού, η οποία προκύπτει λόγω των ανωμαλιών της κλίσης του magn. πεδία. Σε ορισμένες ΗΠΑ, ειδικά σε συσκευές αποθήκευσης, αντικατοπτρίζονται επίσης υψηλότερες παραγγελίες.

Σε κυκλικό. Για να εστιάσετε τα σωματίδια χρησιμοποιήστε εγκάρσιους μαγνήτες. πεδία. Σε ένα ομοιόμορφο πεδίο οδηγού, υπάρχει μόνο οριζόντια εστίαση και καμία κατακόρυφη εστίαση ( Ερ z \u003d 0) Αυτό το αποτέλεσμα είναι κατανοητό, σημειώνοντας ότι όταν τα σωματίδια κινούνται με ομοιόμορφο (κατακόρυφο) μαγνήτη. πεδίο ( Βγ \u003d 0, Β ζ \u003d const) οι δυνάμεις Lorentz δεν έχουν συστατικό στο z και τα σωματίδια διατηρούν την αρχική τιμή. αξονική ταχύτητα. Οι δυνάμεις που είναι απαραίτητες για την αξονική εστίαση προκύπτουν μόνο παρουσία του ακτινικού στοιχείου του magn. πεδία.

Διαμόρφωση μαγνήτη Το πεδίο εξαρτάται από το σχήμα των πόλων. Στο σχ. 8 ( ένα) και 8 ( σι) απεικονίζει κομμάτια πόλων που έχουν σχήμα περιστροφής (περί τον άξονα) ζ). Στο σχ. 8 ( και) απεικονίζει επίπεδες πόλους που δημιουργούν ένα ομοιόμορφο κατακόρυφο πεδίο, τέτοια πεδία δεν δημιουργούν αξονική εστίαση. Στο σχ. 8 ( σι) δείχνει την εικόνα του πεδίου που προκύπτει μεταξύ των πόλων δημιουργώντας ένα κενό που επεκτείνεται στην περιφέρεια. Σε αυτήν την περίπτωση, η δύναμη Lorentz αποκτά ένα αξονικό στοιχείο εστίασης (επιστροφή στο κεντρικό επίπεδο). Ωστόσο, η εμφάνιση αξονικής εστίασης συνοδεύεται από αποδυνάμωση της ακτινικής: σωματίδια που εκτρέπονται στην περιφέρεια επιστρέφουν σε τροχιά ισορροπίας πιο αργά, καθώς πέφτουν σε ασθενέστερο πεδίο.

Εικόνα: 8. και-μαγνητικές δυνάμεις σε ομοιογενές πεδίο · σι- μαγνητικές δυνάμεις στο πεδίο που μειώνουν προς την περιφέρεια.

Στο γραμμικό Υ. Το πρόβλημα της εστίασης είναι επίσης σημαντικό, αν και δεν είναι τόσο κρίσιμο όσο στον δακτύλιο Υ.: Το μήκος διαδρομής των σωματιδίων στο γραμμικό Υ. Είναι μικρό και τα επιταχυνόμενα σωματίδια δεν επιστρέφουν στις ήδη περάσει διαταραχές του πεδίο.

Σε κυκλικό U., magn. Το σύστημα to-rykh έχει αζιμουθιακή συμμετρία, έγκυρη f-la

Ταυτόχρονη σταθερότητα της ακτινικής και αξονική Οι ταλαντώσεις betatron σε αυτήν την περίπτωση είναι δυνατές μόνο με, με αδύναμη εστίαση (βλ. Εστίαση σωματιδίων σε έναν επιταχυντήΜε ισχυρή εστίαση, οι περιοχές εστιάζουν στο z και εστιάζουν στο ρ, αντικαθίστανται από περιοχές που εστιάζουν κατά μήκος της οριζόντιας και αποπροσανατολίζονται κατά μήκος των κάθετων συντεταγμένων. Όταν ακολουθείται. τη θέση αυτών των περιοχών και τη σωστή επιλογή των βαθμίδων του magn. πεδίο και γεωμετρία μαγνητών, το σύστημα στο σύνολό του αποδεικνύεται ότι εστιάζει, και οι δύο προκύπτουσες τιμές των συχνοτήτων Betatron μπορούν να υπερβούν σημαντικά την ενότητα.

Σε υπερήχους με ισχυρή εστίαση, χρησιμοποιούνται τετράπολοι μαγνήτες. ή ηλεκτρικό. (σε χαμηλές ενέργειες επιταχυνόμενων σωματιδίων) του χωραφιού. Στο σχ. 9 ( και) απεικονίζει τετράπολο μαγνήτη. φακός που δημιουργεί κατακόρυφη εστίαση (άξονας z) και ακτινική εστίαση ρ μεγαλο πεδίο. Ο θάλαμος κενού βρίσκεται κατά μήκος του άξονα του φακού μεταξύ των πόλων του (δεν φαίνεται στην εικόνα). Τα θετικά φορτισμένα σωματίδια "πετούν" προς τον αναγνώστη. Τέσσερα τέτοια σωματίδια και οι δυνάμεις Lorentz που ενεργούν πάνω τους απεικονίζονται με τελείες και βέλη. Κατά την εστίαση κατά μήκος της ακτίνας (και αποπροσανατολισμός κατά μήκος ζ) φακοί magn. πόλους Ν και μικρό ανταλλαγή θέσεων. Στον δακτύλιο μαγνήτες ΗΠΑ που δημιουργούν έναν κορυφαίο μαγνήτη. πεδίο, που βρίσκεται μεταξύ των φακών. Δημιουργούν έναν ομοιόμορφο μαγνήτη κατεύθυνσης. πεδίο. Σε ορισμένα χρησιμοποιούνται μαγνήτες με συνδυασμένες λειτουργίες. Ο μεγαλοπρεπής τους. το πεδίο περιέχει τόσο ένα δίπολο (πεδίο καθοδήγησης) όσο και ένα τετράπολο συστατικό (Εικ. 9, σι).

Rx. 9. και- τετραπολικός μαγνητικός φακός. σι- μαγνητικό μπλοκ με συνδυασμένες λειτουργίες.

Για εγκάρσια εστίαση σε γραμμικό U. κάποιος θα μπορούσε να προσπαθήσει να χρησιμοποιήσει έναν ηλεκτρομαγνήτη. ένα κύμα που επιταχύνει τα σωματίδια. Ωστόσο, σε συνηθισμένα κύματα μι-Τα σημεία τύπου που αντιστοιχούν σε κίνηση σταθερής φάσης είναι ασταθή για εγκάρσιες δονήσεις και αντίστροφα. Για να ξεπεραστεί αυτή η δυσκολία, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει εναλλασσόμενη εστίαση φάσης (σημεία ΑΠΟ και ρε στο σχ. 7 αντικαθιστούν διαδοχικά το ένα το άλλο) ή εγκαταλείψτε την αζιμουθιακή συμμετρία του ηλεκτρικού. πεδία στην κοιλότητα (τετραπολική HF εστίαση). Τις περισσότερες φορές, ωστόσο, για εγκάρσια εστίαση, χρησιμοποιούνται τετράπολα πεδία που δημιουργούνται από ειδικές προσφορές. μεγαλο Φακοί. Από τη δεκαετία του '80. για την κατασκευή τέτοιων φακών άρχισε να χρησιμοποιεί τη θέση. μαγνήτες (κράμα SmCo).

Επιδράσεις που σχετίζονται με την ένταση... Εκτός από τους συντονισμούς που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση της δέσμης με το εξωτερικό. πεδία, σε υψηλές εντάσεις δοκών αρχίζουν να παίζουν το ρόλο της αποσύνθεσης. ένα είδος αστάθειας που σχετίζεται με τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων δέσμης μεταξύ τους, με τα στοιχεία του θαλάμου κενού και του συστήματος επιτάχυνσης, και στο περιβάλλον με συγκρούσεις δοκούς, και με τη δράση των ακτίνων μεταξύ τους. Νάιμπ. το απλούστερο μεταξύ αυτών των εφέ είναι η μετατόπιση Coulomb της συχνότητας ταλάντωσης βητατρόν. Ηλεκτρικός. το πεδίο δέσμης απωθεί τα εξωτερικά σωματίδια στην περιφέρεια και δεν δρα στο κεντρικό σωματίδιο της δέσμης. Ως αποτέλεσμα, οι συχνότητες των ταλαντώσεων βητατρόν των σωματιδίων στη δέσμη αρχίζουν να διαφέρουν από τη συχνότητα ταλάντωσης του κέντρου βάρους της δέσμης. Εάν αυτή η διαφορά υπερβαίνει την απόσταση μεταξύ των πλησιέστερων απαγορευμένων τιμών Ερ, τότε σε οποιαδήποτε ρύθμιση του Υ, μέρος της δέσμης χάνεται αναπόφευκτα. Ηλεκτροστατική. Η απώθηση σωματιδίων επηρεάζει επίσης τις ταλαντώσεις φάσης της δέσμης (συγκεκριμένα, οδηγεί στην επίδραση της "αρνητικής μάζας").

Μια δέσμη επιταχυνόμενων σωματιδίων αλληλεπιδρά με το ηλεκτροστατικό της. την εικόνα στο θάλαμο κενού και με τα αντικείμενα που βρίσκονται σε αυτόν (αντηχεία σταθμών επιτάχυνσης, αισθητήρες συσκευών μέτρησης, εξαρτήματα και εισόδους του συστήματος κενού κ.λπ.). Σε αυτήν την περίπτωση, η δύναμη που δρα σε κάθε σωματίδιο είναι ανάλογη. η μετατόπιση της δέσμης στον θάλαμο σε σχέση με την τροχιά ισορροπίας και τη γραμμική της πυκνότητα. Ως αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης, δημιουργείται ένας ηλεκτρομαγνήτης. τα πεδία που δρουν στα μεταγενέστερα διερχόμενα σωματίδια (η επίδραση των "κεφαλών - x v o c t") και στα ίδια τα σωματίδια που προκάλεσαν την εμφάνιση των πεδίων όταν αυτά τα σωματίδια επιστρέψουν στην διεγερμένη περιοχή. Αυτή η αλληλεπίδραση προκαλεί διάφορα αποτελέσματα που οδηγούν στην απώλεια σταθερότητας δέσμης. Εκτός από το ήδη αναφερθέν φαινόμενο "ουρά κεφαλής", μπορεί να υπάρχει μια αντίσταση, ασταθής (αλληλεπίδραση με μια ηλεκτρική εικόνα της δέσμης που τρέχει κατά μήκος της κάμερας, μια διακοπή καθυστέρησης σε φάση λόγω της πεπερασμένης αγωγιμότητας των τοιχωμάτων του θαλάμου), αστάθεια μικροκυμάτων (αλληλεπίδραση με αντικείμενα που μπορούν να διεγείρονται σε υψηλές συχνότητες) κ.λπ.

Επιταχυντές δέσμης σύγκρουσης (colliders)... Όταν δημιουργούνται νέα σωματίδια κατά τη σύγκρουση, μια ενέργεια θα πρέπει να απελευθερώνεται ίση ή μεγαλύτερη από την υπόλοιπη ενέργεια των σωματιδίων που γεννιούνται, δηλ. εκατοντάδες MeV, και μερικές φορές πολλές δεκάδες GeV. Με τόσο μεγάλες απελευθερώσεις ενέργειας, δεν είναι μόνο η χημική ουσία που χάνει τη σημασία της. τη σύζευξη των σωματιδίων που αποτελούν τον στόχο, αλλά και τη σύζευξη των νουκλεονίων στον πυρήνα, έτσι ώστε η σύγκρουση να συμβαίνει με απλά νουκλεόνια ή ακόμα και με μεμονωμένα νουκλεόνια που αποτελούν ένα νουκλεόνιο. Τ. Ν. σωρευτικές διαδικασίες, to-rye μπορεί να θεωρηθεί ταυτόχρονα. σύγκρουση επιταχυνόμενου σωματιδίου με δύο ή περισσότερα. νουκλεόνια, έχουν επιστημονικό ενδιαφέρον, αλλά σε υψηλές ενέργειες παρατηρούνται εξαιρετικά σπάνια.

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, κατά τη σύγκρουση σωματιδίων σε συγκρουόμενους, μπορεί να πραγματοποιηθεί όλη η ενέργεια που συσσωρεύεται κατά την επιτάχυνση, ενώ κατά τη σύγκρουση ενός γρήγορου πρωτονίου με έναν πυρήνα ενός στατικού στόχου, χρησιμοποιείται μόνο ένα μέρος αυτής της ενέργειας. Έτσι, για να δημιουργήσετε Ι/ y-meson, η ενέργεια πρωτονίων θα πρέπει να είναι 3,7 φορές υψηλότερη από την υπόλοιπη ενέργεια Ι/ y-meson, και η παραγωγή του Z 0-μποζονίου απαιτεί 50 φορές την ενέργεια. Η παραγωγή βαρέων σωματιδίων σε σταθερούς στόχους είναι επομένως καταστροφικά μη επικερδής και είναι απαραίτητο να περάσουμε σε συγκρούσεις. Σε συγκρούσεις, τα σωματίδια μπορούν να κινούνται το ένα προς το άλλο είτε σε έναν δακτύλιο (σωματίδια και αντισωματίδια), είτε σε δύο τεμνόμενους δακτυλίους.

Τεχνική εργασίας με συσσώρευση. δακτύλιοι, στους οποίους κινούνται οι συγκρούσεις, είναι πολύ περίπλοκοι. Ο αριθμός των πυρηνικών αντιδράσεων που συμβαίνουν ανά μονάδα χρόνου αποδεικνύεται ότι είναι χιλιάδες φορές μικρότερος από ό, τι με τους σταθερούς στόχους, λόγω της εξαιρετικά σπάνιας έλλειψης των δοκών. Η αποτελεσματικότητα των συγκρούσεων συνήθως χαρακτηρίζεται από φωτεινότητα , τ. Δηλαδή, ο αριθμός με τον οποίο πρέπει να πολλαπλασιαστεί το eff. διατομή της μελετημένης αντίδρασης για να ληφθεί ο αριθμός τέτοιων αντιδράσεων ανά μονάδα χρόνου. Αναλογία φωτεινότητας το προϊόν των εντάσεων των συγκρούσεων και των αντίστροφων αναλογιών. διατομές των δοκών (εάν είναι ίσες). Οι συγκρούσεις δέσμης πρέπει, δηλαδή, να περιέχουν πολλά σωματίδια και να καταλαμβάνουν μικρούς όγκους στο χώρο φάσης. Η ψύξη του όγκου φάσης των ακτίνων ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων λόγω της ακτινοβολίας συγχρότρον συζητήθηκε παραπάνω. Ταυτόχρονα, ο όγκος φάσης των δέσμων πρωτονίων μειώνεται με επιτάχυνση ως μόνο 1 / Ρ, δηλαδή, εντελώς ανεπαρκές. Και ο όγκος που καταλαμβάνεται από τις ακτίνες antiproton αποδεικνύεται πολύ μεγάλος ήδη κατά τη διάρκεια της παραγωγής τους και μειώνεται λίγο αργότερα, καθώς τα αντιπρωτόνια σχηματίζονται σε υψηλές ενέργειες (αρκετές GeV). Επομένως, πριν από τις συγκρούσεις, οι ακτίνες αντιπρωτονίου πρέπει να συσσωρεύονται και να κρυώνουν, δηλαδή πρέπει να συμπιέζονται σε χώρο φάσης.

Υπάρχουν δύο τρόποι ψύξης ακτίνων βαρέων σωματιδίων (πρωτόνια, αντιπρωτόνια, ιόντα) - ηλεκτρονικά και στοχαστικά. Η ψύξη ηλεκτρονίων συμβαίνει κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης των ψυχρών ακτίνων με μια δέσμη "ψυχρών" ηλεκτρονίων που πετούν σε ένα ορισμένο κοινό τμήμα μαζί με ψυγμένα σωματίδια και έχουν τον ίδιο μέσο Ταχύτητα. (Ο ρυθμός μιας δέσμης ονομάζεται η μέση ενέργεια των σωματιδίων της, μετρούμενη σε ένα σύστημα συντεταγμένων που κινείται με τη δέσμη.)

Η στατική ψύξη βασίζεται στο γεγονός ότι ο αριθμός των ταυτόχρονα ψυχθέντων σωματιδίων δεν είναι πολύ μεγάλος. Εάν υπάρχει μόνο ένα σωματίδιο μέσα στη συσκευή που μετρά τις συντεταγμένες δέσμης, τότε η απόκλιση μπορεί να μετρηθεί από έναν αισθητήρα και στη συνέχεια να διορθωθεί από έναν διορθωτή. Αν μετράει μέσα. θα υπάρχουν πολλές συσκευές. σωματίδια, ο αισθητήρας αντιδρά στη θέση του ηλεκτρικού τους. κέντρο βάρους και δεν υπάρχει διόρθωση, αλλά απόσβεση κραδασμών (στο Ν τα σωματίδια στη συσκευή διορθώνονται από ένα, όχι Ν Παράμετροι). Στοχαστικό. η ψύξη είναι σταδιακή και απαιτεί μεγάλο αριθμό περιστροφών.

Σημειώστε ότι η ψύξη ηλεκτρονίων αποδεικνύεται πιο αποτελεσματική σε ενέργειες χαμηλής δέσμης, ενώ η στοχαστική ψύξη είναι πιο αποτελεσματική σε όχι πολύ μεγάλο αριθμό σωματιδίων.

Προοπτικές ανάπτυξης επιταχυντών... Μεταξύ των έργων μεγάλων επιταχυντών, το to-rye είναι υπό ανάπτυξη, κατασκευή ή έχει ήδη τεθεί σε λειτουργία, μπορείτε να παραθέσετε τα παρακάτω.

Στη Ρωσία (Troitsk, περιοχή της Μόσχας), η κατασκευή ενός "εργοστασίου meson" με ενέργεια 600 MeV πλησιάζει στην ολοκλήρωση. ρεύμα 70 μΑ. Το 1993, έδωσε ήδη μια δέσμη με ενέργεια 430 MeV. Για την παραγωγή ισοτόπων, χρησιμοποιείται δέσμη πρωτονίων με ενέργεια 160 MeV και με μέσο όρο. ρεύμα 100 μΑ. Στο Pro-tvino, βρίσκεται σε εξέλιξη η κατασκευή ενός συγκροτήματος επιτάχυνσης-αποθήκευσης (UNK), σχεδιασμένο να επιταχύνει τα πρωτόνια σε 3 TeV. Το UNK βρίσκεται σε υπόγεια σήραγγα με περίμετρο 21 χλμ. Αναμένεται ένταση παλμού 5. 10 12.

Στην Ομοσπονδιακή Δημοκρατία της Γερμανίας (Αμβούργο), η μονάδα συγκρούσεων (HERA) ανέθεσε να μελετήσει την αλληλεπίδραση πρωτονίων (820 GeV) με ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια (30 GeV). Φωτεινότητα σχεδιασμού ~ 2. 10 31 εκ. -2. με -1. Το πρωτόνιο synchrotron περιέχει υπεραγωγούς μαγνήτες, ενώ το ηλεκτρονικό synchrotron περιέχει συνηθισμένους μαγνήτες (ώστε να μην αυξάνονται οι απώλειες ακτινοβολίας συγχροντρόν). Κατά τον εξοπλισμό αυτού του Ηνωμένου Βασιλείου και στις εργασίες του, συμμετέχουν 37 ινστιτούτα από διαφορετικές χώρες.

Στη Γερμανία, αναπτύσσεται επίσης ένα έργο γραμμικού συγκολλητή DESY με ενέργεια σωματιδίων 250x250 GeV (1η παραλλαγή) ή 500 x 500 GeV (2η παραλλαγή). Στο CERN (Ελβετία), ξεκινά η κατασκευή του Large Hadron Collider (LHC) για βαριά σωματίδια στη σήραγγα του δακτυλίου ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων U. (LEP). Θα είναι δυνατό να μελετηθούν συγκρούσεις πρωτονίων (2x7 TeV), πρωτονίων και ηλεκτρονίων, πρωτονίων και ιόντων (συμπεριλαμβανομένου του μολύβδου, 1148 TeV).

Τα βαριά ιόντα μπορούν να επιταχυνθούν στο Nucleotron (Dubna, Ρωσία). Από το 1977 στο synchrotron πρωτονίων στην Dubna, dec. ιόντα έως άνθρακα (4,2 GeV / νουκλεόνιο και από το 1992 - έως 6 GeV / νουκλεόνιο).

Στο W. "Saturn" στο Saclay (Γαλλία), τα ιόντα επιταχύνονται μέχρι αργόν (έως 1,15 GeV / πυρήνα). Ο επιταχυντής SPS (CERN) μπορεί να επιταχύνει τα ιόντα οξυγόνου και θείου έως και 200 \u200b\u200bGeV / νουκλεόνιο.

Στις ΗΠΑ, το Naib. ένας μεγάλος υπεραγωγός υπεραγωγός (SSC) με ενέργεια 2 x 20 TeV. Η κατασκευή αυτού του επιταχυντή έχει αναβληθεί.

Στο Int. η επιτροπή επιταχυντών εξετάζει ακόμη μεγαλύτερα έργα, η υλοποίηση των οποίων θα απαιτήσει κοινές προσπάθειες των ανεπτυγμένων χωρών. Το συγκεκριμένο έργο μιας τέτοιας διαχείρισης δεν έχει ακόμη καθοριστεί. Όλα τα έργα που υλοποιήθηκαν και αναπτύχθηκαν βασίζονται σε γνωστές, καλά αποδεδειγμένες αρχές. Οι νέες μέθοδοι επιτάχυνσης που αναφέρονται παραπάνω μπορούν, εάν είναι επιτυχημένες, να αλλάξουν εντελώς αυτά τα σχέδια.

Εφαρμογή επιταχυντών... Εκτός από την επιστημονική U. έχουν πρακτική. εφαρμογή. Έτσι, τα γραμμικά U χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία γεννήτριες νετρονίων για ακτινοβολία Οι δοκιμές των υλικών, οι ηλεκτροπυρηνικές μέθοδοι παραγωγής πυρηνικών καυσίμων και η επιτάχυνση βαριών χαμηλών φορτίων ιόντων για ελεγχόμενη αδρανειακή θερμοπυρηνική σύντηξη συζητούνται ενεργά. Στη Loma Linda (ΗΠΑ), η κατασκευή ενός εξειδικευμένου σύμπλεγμα με συγχροντρόνιο πρωτονίων για ακτινοθεραπεία. Ένα παρόμοιο έργο εξετάζεται στη Ρωσία.

Αναμ .: Kolomensky AA, Lebedev AN, Θεωρία κυκλικών επιταχυντών, Μ., 1962; Waldner OA, Vlasov AD, Shalnov AV, Linear accelerators, M., 1969; Brook G., Κυκλικοί επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων, trans. από French., M., 1970; Komar EG, Fundamentals of accelerating technology, M., 1975; Επιταχυντές γραμμικών ιόντων, ed. Β.Ρ. Murin, t. 1-2, Μ., 1978; Bakhrushin Yu. P., Anatsky AI, Linear induction accelerators, M., 1978; Lebedev A. N., Shalnov A. V., Fundamentals of physics and technology of accelerators, τόμος 3, M., 1981; Moskalev V.A., Betatrons, Μ., 1981; Kapchinsky I.M., Θεωρία επιταχυντών γραμμικού συντονισμού, Μόσχα, 1982. Λ. Γκόλντιν.

Με πειθαρχία

"Έννοιες της σύγχρονης φυσικής επιστήμης"

σχετικά με το θέμα " Επιταχυντές σωματιδίων "

1. Εισαγωγή ………………………………………………………………………… .3

2. Σύγχρονοι επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων ……………………………… ... 4

3. Επιστημονικά κέντρα για τη μελέτη στοιχειωδών σωματιδίων …………………… 7

4. Κυκλικός επιταχυντής ……………………………………………………… 15

5. Επιταχυντής λέιζερ χτύπημα ……………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ..16

6. Συμπέρασμα …………………………………………………………………… ..20

7. Κατάλογος χρησιμοποιημένης βιβλιογραφίας …………………………………………… 21

Εισαγωγή

Επί του παρόντος, οι επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων χρησιμοποιούνται ευρέως στην επιστήμη και την τεχνολογία - εγκαταστάσεις για την παραγωγή ακτίνων φορτισμένων σωματιδίων (πρωτόνια, ηλεκτρόνια, αντισωματίδια, πυρήνες άλλων ατόμων) υψηλής ενέργειας - από δεκάδες keV (103 eV) έως αρκετά TeV (10 12 eV) ... Στην τεχνολογία, αυτοί οι επιταχυντές χρησιμοποιούνται για την απόκτηση ισότοπων, τη σκλήρυνση των επιφανειών των υλικών και την παραγωγή νέων υλικών, για τη δημιουργία πηγών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (από ακτινοβολία μικροκυμάτων έως ακτίνες Χ), χρησιμοποιούνται ευρέως στην ιατρική κ.λπ. Ωστόσο, όπως και πριν, η πυρηνική φυσική και η φυσική υψηλής ενέργειας συγκαταλέγονται στους κύριους τομείς εφαρμογής των επιταχυντών. Οι σύγχρονοι επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων είναι οι κύριες πηγές πληροφοριών για τους φυσικούς που μελετούν την ύλη, την ενέργεια, το χώρο και το χρόνο. Η συντριπτική πλειοψηφία των στοιχειωδών σωματιδίων που είναι γνωστά σήμερα δεν εμφανίζονται φυσικά στη Γη και λαμβάνονται σε επιταχυντές. Είναι οι ανάγκες της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων που είναι το κύριο κίνητρο για την ανάπτυξη της τεχνολογίας του επιταχυντή, και κυρίως για την αύξηση της ενέργειας στην οποία μπορούν να επιταχυνθούν τα φορτισμένα σωματίδια.

Σύγχρονοι επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων.

Στη σύγχρονη φυσική υψηλής ενέργειας χρησιμοποιούνται εγκαταστάσεις επιταχυντών δύο τύπων. Το παραδοσιακό σχήμα του πειράματος επιταχυντή έχει ως εξής: μια δέσμη φορτισμένων σωματιδίων επιταχύνεται στη μέγιστη δυνατή ενέργεια και στη συνέχεια κατευθύνεται σε ένα σταθερό στόχο, όταν συγκρούεται με τα σωματίδια των οποίων παράγονται πολλά στοιχειώδη σωματίδια. Οι μετρήσεις των παραμέτρων των σωματιδίων που γεννιούνται παρέχουν τις πλουσιότερες πειραματικές πληροφορίες που απαιτούνται για τη δοκιμή (ή τη δημιουργία) της σύγχρονης θεωρίας των στοιχειωδών σωματιδίων. Η αποτελεσματικότητα της αντίδρασης καθορίζεται από την ενέργεια του σωματιδίου που συγκρούεται με τον στόχο στο κέντρο του συστήματος μάζας. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, με σταθερό στόχο και τις ίδιες μάζες ανάπαυσης των συγκρουόμενων σωματιδίων, η ενέργεια της αντίδρασης

Όπου E είναι η ενέργεια του σωματιδίου που προσπίπτει στον στόχο, m 0 είναι η μάζα του, c είναι η ταχύτητα του φωτός. Έτσι, σε σύγκρουση με σταθερό στόχο πρωτονίου που επιταχύνεται σε ενέργεια 1000 GeV, μόνο 42 GeV ενέργεια δαπανάται για τη δημιουργία νέων σωματιδίων και το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας δαπανάται για την κινητική ενέργεια σωματιδίων που γεννιούνται ως αποτέλεσμα της αντίδρασης.

Προτείνεται στα τέλη της δεκαετίας του '60 του ΧΧ αιώνα, επιταχυντές σε συγκρουόμενες δέσμες (colliders), στους οποίους η αντίδραση πραγματοποιείται κατά τη σύγκρουση επιταχυνόμενων ακτίνων φορτισμένων σωματιδίων (ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, πρωτόνια και αντιπρωτόνια, κ.λπ.), δίνουν ένα σημαντικό κέρδος στην ενέργεια της αντίδρασης. Σε συγκρούσεις, η ενέργεια της αντίδρασης ισούται με το άθροισμα των ενεργειών των συγκρουόμενων σωματιδίων

E 1 + E 2, δηλαδή, σε ίσες ενέργειες σωματιδίων, το κέρδος είναι 2E / m 0 c 2. Φυσικά, η απόδοση ενός συγκρουστήρα αποδεικνύεται χαμηλότερη από εκείνη ενός επιταχυντή με σταθερό στόχο, καθώς σωματίδια δύο σπάνιων δοκών συγκρούονται μεταξύ τους πολύ λιγότερο συχνά από τα σωματίδια δέσμης και πυκνού στόχου. Παρ 'όλα αυτά, η κύρια τάση της φυσικής υψηλής ενέργειας είναι να προχωρήσει σε ολοένα και υψηλότερες ενέργειες και οι περισσότεροι από τους μεγαλύτερους επιταχυντές σήμερα είναι συγκρουόμενοι που θυσιάζουν τον αριθμό των συγκρούσεων για να επιτύχουν ρεκόρ ενέργειας.

Οι σύγχρονοι επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων είναι οι μεγαλύτερες πειραματικές εγκαταστάσεις στον κόσμο και η ενέργεια σωματιδίων σε έναν επιταχυντή σχετίζεται γραμμικά με το μέγεθός του. Για παράδειγμα, ο γραμμικός επιταχυντής ηλεκτρονίων 50 GeV SLC στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ (ΗΠΑ) έχει μήκος 3 km, την περίμετρο του 900 GeV Tevatron πρωτονίου συγχρονισμού στο V.I. Το Fermi (Batavia, ΗΠΑ) είναι 6,3 χλμ. Και το μήκος του δακτυλίου υπό κατασκευή στο Serpukhov, το συγκρότημα επιταχυνσιμότητας-αποθήκευσης UNK, σχεδιασμένο για ενέργεια 3 TeV, κατασκευάζεται στη σήραγγα επιτάχυνσης 27 χιλιομέτρων του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικής Έρευνα (CERN) στη Γενεύη.

Το συνεχώς αυξανόμενο μέγεθος των επιταχυντών έχει ήδη φτάσει στα όρια μιας εύλογης ισορροπίας φυσικών χαρακτηριστικών και οικονομικού κόστους, καθιστώντας την κατασκευή επιταχυντών εθνικό πρόβλημα. Μπορούμε να πούμε ότι οι καθαρά μηχανικές λύσεις πλησιάζουν επίσης στο όριό τους. Προφανώς, η περαιτέρω πρόοδος στην τεχνολογία των επιταχυντών θα πρέπει να σχετίζεται με την αναζήτηση νέων προσεγγίσεων και φυσικών λύσεων που κάνουν τους επιταχυντές πιο συμπαγείς και φθηνότερους στην κατασκευή και τη λειτουργία. Το τελευταίο είναι επίσης σημαντικό, καθώς η κατανάλωση ισχύος των σύγχρονων επιταχυντών είναι κοντά στην κατανάλωση ενέργειας μιας μικρής πόλης. Η εφαρμοσμένη επιστήμη επιταχυντή αποτελεί ένα ενδιαφέρον και εξαιρετικά σημαντικό πρόβλημα για τη σύγχρονη φυσική. Είναι απαραίτητο να στραφούμε σε νέες εξελίξεις στη ραδιοφυσική, τη φυσική πλάσματος, την κβαντική ηλεκτρονική και τη φυσική στερεάς κατάστασης για να βρούμε άξιες λύσεις.

Το πιο ελπιδοφόρο είναι η αναζήτηση τρόπων αύξησης του ρυθμού επιτάχυνσης σωματιδίων. Στους σύγχρονους επιταχυντές, ο ρυθμός επιτάχυνσης σωματιδίων περιορίζεται από τη μέγιστη ένταση του επιταχυνόμενου ηλεκτρικού πεδίου που μπορεί να δημιουργηθεί σε συστήματα κενού. Αυτή η τιμή δεν υπερβαίνει τα 50 MV / m σήμερα. Σε ισχυρότερα πεδία, φαινόμενα ηλεκτρικής διάσπασης εμφανίζονται στα τοιχώματα της κοιλότητας και ο σχηματισμός πλάσματος που απορροφά την ενέργεια του πεδίου και εμποδίζει την επιτάχυνση των σωματιδίων. Στην πραγματικότητα, το μέγεθος του μέγιστου επιτρεπόμενου πεδίου υψηλής συχνότητας εξαρτάται από το μήκος κύματος του. Οι σύγχρονοι επιταχυντές χρησιμοποιούν ηλεκτρικά πεδία με μήκος κύματος μεγαλύτερο από 10 cm. Για παράδειγμα, η μετάβαση σε μήκος κύματος 1 cm θα αυξήσει τα μέγιστα επιτρεπόμενα ηλεκτρικά πεδία αρκετές φορές και έτσι θα μειώσει το μέγεθος του επιταχυντή. Φυσικά, για την επίτευξη αυτού του πλεονεκτήματος, είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν εξαιρετικά ισχυρές πηγές ακτινοβολίας σε αυτό το εύρος, ικανές να παράγουν παλμούς ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με ισχύ εκατοντάδων MW και διάρκεια παλμού μικρότερη από 100 ns. Αυτό είναι ένα μεγάλο επιστημονικό και τεχνικό πρόβλημα, το οποίο αντιμετωπίζεται από πολλά ερευνητικά κέντρα σε όλο τον κόσμο.

Ένας άλλος πιθανός τρόπος είναι να εγκαταλείψετε τα παραδοσιακά συστήματα συντονισμού μικροκυμάτων κενού και να χρησιμοποιήσετε ακτινοβολία λέιζερ για να επιταχύνετε φορτισμένα σωματίδια. Με τη βοήθεια σύγχρονων λέιζερ, είναι δυνατή η δημιουργία ηλεκτρικών πεδίων με ένταση πολύ μεγαλύτερη από τα περιοριστικά πεδία στην περιοχή μικροκυμάτων. Ωστόσο, η άμεση χρήση ακτινοβολίας λέιζερ σε κενό δεν επιτρέπει την επίτευξη της επίδρασης της αισθητής επιτάχυνσης των φορτισμένων σωματιδίων λόγω της αδυναμίας της συντονισμένης αλληλεπίδρασης Cherenkov ενός κύματος με ένα σωματίδιο, καθώς η ταχύτητα του φωτός στο κενό είναι πάντα μεγαλύτερη από την ταχύτητα ενός σωματιδίου. Τα τελευταία χρόνια, μελετήθηκαν ενεργά μέθοδοι επιτάχυνσης φορτισμένων σωματιδίων με ακτινοβολία λέιζερ σε αέρια και πλάσματα, καθώς καθώς σε ισχυρά ηλεκτρικά πεδία λαμβάνει χώρα ο ιονισμός της ύλης και ο σχηματισμός πλάσματος, τελικά, μιλάμε για την επιτάχυνση των φορτισμένων σωματιδίων από έντονη ακτινοβολία λέιζερ στο πλάσμα.

Επιστημονικά κέντρα για τη μελέτη στοιχειωδών σωματιδίων

Ινστιτούτο Φυσικής Υψηλής Ενέργειας (IHEP)

Η βάση για τη δημιουργία του ινστιτούτου ήταν η κατασκευή στο Protvino, που βρίσκεται κοντά στην πόλη Serpukhov, κοντά στη Μόσχα, το μεγαλύτερο κυκλικό πρωτόνιο στον κόσμο (έως το 1972). Η μοναδική πειραματική τεχνική που συλλέγεται σε αυτό το επιστημονικό κέντρο επιτρέπει στους επιστήμονες να διεισδύσουν στα βάθη της δομής της ύλης, να κατανοήσουν και να αποκαλύψουν τους νόμους του απείρως διαφορετικού και μυστηριώδους κόσμου των στοιχειωδών σωματιδίων που είναι άγνωστοι στον άνθρωπο.

Ο επιταχυντής κυκλοφόρησε τον Οκτώβριο του 1967. Σε αυτόν τον επιταχυντή, αρχικά σχηματίζονται πρωτόνια ως αποτέλεσμα της εκκένωσης αερίου, στη συνέχεια επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο παλμού υψηλής τάσης του μετασχηματιστή σε ενέργεια 760 keV και εισάγονται γραμμικός επιταχυντής - εγχυτήρας, όπου επιταχύνονται προκαταρκτικά σε ενέργεια 100 MeV και, στη συνέχεια, εισάγονται στον κύριο δακτύλιο. Σε αυτό, τα πρωτόνια έχουν ήδη επιταχυνθεί σε ενέργεια 76 GeV. Ο αριθμός των πρωτονίων σε έναν παλμό επιταχυντή είναι 3 · 10 12. Η επανάληψη των παλμών συμβαίνει κάθε 7 δευτερόλεπτα. Ο επιταχυντής έχει διάμετρο 472 μ. Το βάρος των ηλεκτρομαγνητών είναι 20 χιλιάδες τόνοι. Η ισχύς που καταναλώνεται από τον επιταχυντή είναι 100 MW. Ο επιταχυντής λειτουργεί για 3.000 - 4.000 ώρες ετησίως για φυσική έρευνα.

Το επιστημονικό κέντρο έχει ένα ανάχωμα, κάτω από το οποίο υπάρχει ένας επιταχυνόμενος δακτύλιος, και μια πειραματική αίθουσα. Τα πειράματα στο IHEP διεξάγονται τόσο στον εσωτερικό στόχο του επιταχυντή όσο και στις εκχυλισμένες δέσμες σωματιδίων.

Εκτρέπει μόνο το σωματίδιο χωρίς να αλλάζει την ενέργειά του και θέτει την τροχιά κατά την οποία κινούνται τα σωματίδια.

Οι επιταχυντές μπορούν βασικά να χωριστούν σε δύο μεγάλες ομάδες. το γραμμικοί επιταχυντές, όπου η δέσμη σωματιδίων διέρχεται από τα κενά επιτάχυνσης μία φορά, και κυκλικοί επιταχυντές, στις οποίες οι δοκοί κινούνται κατά μήκος κλειστών καμπυλών, όπως κύκλοι, περνώντας τα επιταχυνόμενα κενά πολλές φορές. Είναι επίσης δυνατό να ταξινομηθούν οι επιταχυντές ανά σκοπό: συγκολλητές, πηγές νετρονίων, ενισχυτές, πηγές ακτινοβολίας συγχροντρονίων, εγκαταστάσεις θεραπείας καρκίνου, βιομηχανικοί επιταχυντές.

Σχέδια επιταχυντή

Επιταχυντής υψηλής τάσης (Επιταχυντής άμεσης δράσης)

Κύριο άρθρο: Επιταχυντής υψηλής τάσης

Επιταχυντής φορτισμένων σωματιδίων (ηλεκτρόνια) στα οποία η επιτάχυνση των φορτισμένων σωματιδίων συμβαίνει από ένα ηλεκτρικό πεδίο, σταθερό ή ασθενώς μεταβαλλόμενο καθ 'όλη τη διάρκεια της επιτάχυνσης των σωματιδίων. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του V.U. σε σύγκριση με άλλους τύπους επιταχυντών - τη δυνατότητα απόκτησης μιας μικρής διάδοσης ενέργειας σωματιδίων που επιταχύνεται σε σταθερό χρόνο και ομοιόμορφο ηλεκτρικό πεδίο. Αυτός ο τύπος επιταχυντή χαρακτηρίζεται από υψηλή απόδοση (έως 95%) και τη δυνατότητα δημιουργίας εγκαταστάσεων υψηλής ισχύος (500 kW και άνω), κάτι που είναι πολύ σημαντικό όταν χρησιμοποιείτε επιταχυντές για βιομηχανικούς σκοπούς.

Ηλεκτροστατικός επιταχυντής

Ιδεολογικά, ο απλούστερος γραμμικός επιταχυντής. Τα σωματίδια επιταχύνονται από ένα σταθερό ηλεκτρικό πεδίο και κινούνται ευθύγραμμα κατά μήκος του θαλάμου κενού, κατά μήκος του οποίου βρίσκονται τα ηλεκτρόδια επιτάχυνσης.

Ποικιλίες:

• Επιταχυντής Van de Graaff. μια γεννήτρια van de Graaff που βασίζεται στη μηχανική μεταφορά φορτίων με διηλεκτρική ταινία. Οι μέγιστες ηλεκτρικές τάσεις ~ 20MV καθορίζουν τη μέγιστη ενέργεια σωματιδίων ~ 20MeV.
• Επιταχυντής Cascade. Η επιταχυνόμενη τάση δημιουργείται από μια γεννήτρια καταρράκτη, η οποία δημιουργεί μια σταθερή επιταχυνόμενη υψηλή τάση ~ 5 MV μετατρέποντας την χαμηλή εναλλασσόμενη τάση σύμφωνα με το κύκλωμα πολλαπλασιαστή διόδου.

Οι γραμμικοί επιταχυντές ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας χρησιμοποιούνται συχνά ως μέρος μιας ευρείας ποικιλίας ηλεκτρικών συσκευών κενού (καθοδικός σωλήνας, kinescope, σωλήνας ακτίνων Χ, κ.λπ.).

Κύκλοτρο

Συσκευή Cyclotron. 1 - τόπος άφιξης σωματιδίων, 2 - τροχιά της κίνησής τους, 3 - ηλεκτρόδια, 4 - πηγή εναλλασσόμενης τάσης. Το μαγνητικό πεδίο κατευθύνεται κάθετα στο επίπεδο του σχεδίου.

Η ιδέα πίσω από το κυκλοτρόνιο είναι απλή. Μεταξύ δύο ημικυκλικών κοίλων ηλεκτροδίων, τα λεγόμενα. ελάφια, εφαρμόζεται εναλλασσόμενη ηλεκτρική τάση. Οι Dees τοποθετούνται μεταξύ των πόλων ενός ηλεκτρομαγνήτη που δημιουργεί ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο. Ένα σωματίδιο που περιστρέφεται γύρω από έναν κύκλο σε ένα μαγνητικό πεδίο επιταχύνεται σε κάθε περιστροφή από ένα ηλεκτρικό πεδίο στο κενό μεταξύ των ελάμων. Γι 'αυτό είναι απαραίτητο η συχνότητα της αλλαγής στην πολικότητα της τάσης στα άκρα να είναι ίση με τη συχνότητα περιστροφής του σωματιδίου. Με άλλα λόγια, το κυκλοτρόνιο είναι συντονιστής επιταχυντή... Είναι σαφές ότι με την αύξηση της ενέργειας, σε κάθε επανάσταση, η ακτίνα της τροχιάς των σωματιδίων θα αυξηθεί έως ότου υπερβεί τις πράξεις.

Το κυκλοτρόνιο είναι το πρώτο από τους κυκλικούς επιταχυντές. Σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε για πρώτη φορά το έτος από τον Lawrence, για τον οποίο του απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ της χρονιάς. Μέχρι τώρα, τα κυκλοτρόνια χρησιμοποιούνται για την επιτάχυνση των βαρέων σωματιδίων σε σχετικά χαμηλές ενέργειες, έως και 50 MeV / νουκλεόνιο.

Βητατρόνιο

Ένα άλλο όνομα: επιταχυντής επαγωγής. Ένας κυκλικός επιταχυντής στον οποίο η επιτάχυνση των σωματιδίων πραγματοποιείται από ένα ηλεκτρικό πεδίο δίνης που προκαλείται από μια αλλαγή στη μαγνητική ροή που μεταφέρεται από την τροχιά της δέσμης. Δεδομένου ότι για τη δημιουργία ενός ηλεκτρικού πεδίου στροβιλισμού είναι απαραίτητο να αλλάξετε το μαγνητικό πεδίο του πυρήνα και τα μαγνητικά πεδία σε μη υπεραγώγιμες μηχανές περιορίζονται συνήθως από τις επιδράσεις του κορεσμού του σιδήρου σε επίπεδο ~ 20 kG, ένα ανώτερο όριο στο μέγιστο προκύπτει ενέργεια του βητάτρου. Τα Betatrons χρησιμοποιούνται κυρίως για την επιτάχυνση των ηλεκτρονίων σε ενέργειες 10-100 MeV (η μέγιστη ενέργεια που επιτυγχάνεται στο betatron είναι 300 MeV).

Το betatron αναπτύχθηκε και δημιουργήθηκε για πρώτη φορά από τον Wideröe το έτος, το οποίο, ωστόσο, δεν κατάφερε να ξεκινήσει. Το πρώτο betatron που λειτουργεί αξιόπιστα δημιουργήθηκε από τον D.V. Kerst μόνο τα χρόνια. στις ΗΠΑ.

Μικρότρονο

Κύριο άρθρο: Μικρότρονο

Είναι επίσης επιταχυντής μεταβλητής ταχύτητας. Συντηρητικός κυκλικός επιταχυντής με σταθερό μαγνητικό πεδίο καθοδήγησης και συχνότητα επιτάχυνσης τάσης, όπως αυτή ενός κυκλοτρονίου. Η ιδέα του μικροτρονίου είναι να αυξήσει τον χρόνο περιστροφής των σωματιδίων, που λαμβάνεται λόγω της επιτάχυνσης σε κάθε περιστροφή, ένα πολλαπλάσιο της περιόδου ταλάντωσης της επιταχυνόμενης τάσης.

Φαζοτρόνη (synchrocyclotron)

Η θεμελιώδης διαφορά από το κυκλοτρόνιο είναι η συχνότητα του ηλεκτρικού πεδίου που αλλάζει κατά την επιτάχυνση. Αυτό επιτρέπει, λόγω της αυτόματης φάσης, να αυξήσει τη μέγιστη ενέργεια των επιταχυνόμενων ιόντων σε σύγκριση με την περιοριστική τιμή για το κυκλοτρόνιο. Η ενέργεια στα φασοτρόνια φτάνει τα 600-700 MeV.

Συγχρόφασο

Κυκλικός επιταχυντής με σταθερό μήκος τροχιάς ισορροπίας. Προκειμένου τα σωματίδια να παραμείνουν στην ίδια τροχιά κατά την επιτάχυνση, τόσο το μαγνητικό πεδίο οδήγησης όσο και η συχνότητα του ηλεκτρικού πεδίου επιτάχυνσης αλλάζουν. Οι περισσότεροι σύγχρονοι κυκλικοί επιταχυντές είναι ισχυρά συγχρονιστρατρόνια εστίασης. Για τα υπερελαστικά ηλεκτρόνια, η συχνότητα περιστροφής ουσιαστικά δεν αλλάζει κατά την επιτάχυνση και χρησιμοποιούνται συγχρονόμετρα.

Συγχροτρόνιο

Ένας κυκλικός επιταχυντής με σταθερό τροχιακό μήκος και σταθερή συχνότητα επιταχυνόμενου ηλεκτρικού πεδίου, αλλά με μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο καθοδήγησης.

Δωρεάν λέιζερ ηλεκτρονίων (FEL)

Κύριο άρθρο: Δωρεάν λέιζερ ηλεκτρονίων

Μια εξειδικευμένη πηγή συνεκτικής ακτινογραφίας.

Γραμμικός επιταχυντής

Επίσης συχνά ονομάζεται linac (συντόμευση για το LINear ACcelerator). Ένας επιταχυντής στον οποίο τα σωματίδια πετούν μία φορά. Οι γραμμικοί επιταχυντές χρησιμοποιούνται συχνότερα για την πρωταρχική επιτάχυνση σωματιδίων που λαμβάνονται από ένα όπλο ηλεκτρονίου ή μια πηγή ιόντων. Ωστόσο, η ιδέα ενός γραμμικού collider πλήρους ενέργειας δεν είναι επίσης νέα. Το κύριο πλεονέκτημα των linacs είναι η δυνατότητα απόκτησης εξαιρετικά μικρών εκπομπών και η απουσία απώλειας ενέργειας για ακτινοβολία, οι οποίες αυξάνονται ανάλογα με την τέταρτη ισχύ (!) Της ενέργειας των σωματιδίων.

Collider

Είναι επίσης επιταχυντής σύγκρουσης. Αμιγώς πειραματικές εγκαταστάσεις, σκοπός των οποίων είναι η μελέτη των διεργασιών σύγκρουσης σωματιδίων υψηλής ενέργειας.

Εφαρμογή

• Αποστείρωση (για αποστείρωση τροφίμων, ιατρικά όργανα).
• Ιατρική (θεραπεία ογκολογικών παθήσεων, ραδιοδιαγνωστικά).
• Κατασκευή συσκευών ημιαγωγών (έγχυση ακαθαρσιών).
• Ανίχνευση ελαττωμάτων ακτινοβολίας.
• Διασταυρούμενη σύνδεση ακτινοβολίας πολυμερών.
• Επεξεργασία ακτινοβολίας καυσαερίων και λυμάτων.

δείτε επίσης

• Ανιχνευτής σωματιδίων

Συνδέσεις

• Kolomensky DD, Lebedev AN Θεωρία κυκλικών επιταχυντών. Μόσχα: Fizmatgiz, 1962.
• A. Chao, M. Tigner, Εγχειρίδιο Επιταχυντή Φυσικής και Μηχανικής, 1999.
• Π.Σ. Ishkhanov, Ι.Μ. Kapitonov, Ε.Ι. Kabin, Πείραμα (Δημοσίευση Ιστού)
• Ιστορία, ταξινόμηση, αρχή λειτουργίας, κύριοι τύποι σύγχρονων επιταχυντών

Ίδρυμα Wikimedia. 2010

• Η κατάσταση του Χόλντερ
• Επιταχυντής σωματιδίων

Δείτε τι είναι το "Charged Particle Accelerators" σε άλλα λεξικά:

ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΟΣ ΑΞΕΣΟΥΑΡ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - εγκαταστάσεις που εξυπηρετούν την επιτάχυνση της χρέωσης. σωματίδια έως υψηλές ενέργειες. Στη συνηθισμένη χρήση λέξεων, καλούνται επιταχυντές (U.). εγκαταστάσεις που έχουν σχεδιαστεί για να επιταχύνουν σωματίδια σε ενέργειες πάνω από το MeV Το ρεκόρ υψηλών προδιαγραφών πρωτονίων έχει φτάσει σε ενέργεια 940 ... ... Φυσική εγκυκλοπαίδεια

Επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων - συσκευές για την απόκτηση φορτισμένων σωματιδίων (ηλεκτρόνια, πρωτόνια, ατομικούς πυρήνες, ιόντα) υψηλής ενέργειας. Η επιτάχυνση πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο ικανό να αλλάζει την ενέργεια των σωματιδίων με ηλεκτρικό φορτίο. Μαγνητικά ... ... Μεγάλη Σοβιετική Εγκυκλοπαίδεια

ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΟΣ ΑΞΕΣΟΥΑΡ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ - εγκαταστάσεις για λήψη οδηγιών. δέσμες ηλεκτρονίων, πρωτονίων, σωματιδίων άλφα ή ιόντων με ενέργειες από εκατοντάδες keV έως εκατοντάδες GeV. Στο Η.Ζ. η. επιταχυνόμενη φόρτιση. τα σωματίδια αυξάνουν την ενέργειά τους, κινούνται σε ηλεκτρικά. πεδίο (στατικό, επαγωγικό ή ... ... Μεγάλο Εγκυκλοπαιδικό Πολυτεχνικό Λεξικό

GOST 22491-87: Επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων. Οροι και ορισμοί - Ορολογία GOST 22491 87: Επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων. Όροι και ορισμοί πρωτότυπο έγγραφο: 14. Betatron με προκατάληψη 15. Επιταχυντής συντονισμού Betatron με σταθερό συστατικό του επιταχυντή επαγωγής μαγνητικού πεδίου ... ...

GOST 4.477-87: Σύστημα δεικτών ποιότητας προϊόντος. Βιομηχανικοί επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων. Ονοματολογία δεικτών - Ορολογία GOST 4.477 87: Σύστημα δεικτών ποιότητας προϊόντος. Βιομηχανικοί επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων. Ονοματολογία δεικτών πρωτότυπο έγγραφο: 3. Βασικό δείγμα Ένας επιταχυντής που επιλέγεται από μια ομάδα επιταχυντών, οι περισσότεροι ... Λεξικό-βιβλίο αναφοράς όρων κανονιστικής και τεχνικής τεκμηρίωσης

Επιταχυντής σωματιδίων - Άποψη του κέντρου επιταχυντή Fermilab, ΗΠΑ. Tevatron (δακτύλιος στο παρασκήνιο) και δακτύλιος εγχυτήρας Κατηγορία επιταχυντή φορτισμένων σωματιδίων συσκευών για την παραγωγή φορτισμένων σωματιδίων

επιταχυντής (φορτισμένα σωματίδια) - Μια ηλεκτροφυσική συσκευή σχεδιασμένη να αυξάνει την κινητική ενέργεια των φορτισμένων σωματιδίων. Σημείωση Υποτίθεται ότι στους επιταχυντές η ενέργεια σωματιδίων αυξάνεται κατά περισσότερο από 0,1 MeV. [GOST R 52103 2003] Θέματα επιταχυντές με φορτίο ... ...

φορτιστής σωματιδίων - Μια συσκευή που πραγματοποιεί την ομαδοποίηση φάσεων φορτισμένων σωματιδίων. [GOST R 52103 2003] Θέματα επιταχυντές σωματιδίων με φορτίο EN φορτιστής σωματιδίων ... Οδηγός τεχνικού μεταφραστή