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세계 최대의 입자 가속기가 이륙을 준비하고 있습니다. 하전 입자의 선형 가속기. 하전입자가속기의 작동 원리 입자가속기는 왜 필요한가? 입자가속기는 어떤 용도로 사용되나요?

하전입자가속기
가속기

하전입자가속기 – 하전 입자를 물리적 연구, 산업 및 의학 분야에서 사용할 수 있는 에너지로 가속하기 위한 설비. 상대적으로 낮은 에너지에서 가속된 입자는 예를 들어 TV 화면이나 전자현미경에서 이미지를 얻고, X선(음극선관)을 생성하고, 암세포를 파괴하고, 박테리아를 죽이는 데 사용됩니다. 하전 입자가 1메가전자볼트(MeV)를 초과하는 에너지로 가속되면 미세 물체(예: 원자핵)의 구조와 기본 힘의 특성을 연구하는 데 사용됩니다. 이 경우 하전입자 가속기는 연구 대상을 조사하는 테스트 입자의 소스 역할을 합니다.

현대 물리 실험에서 가속기의 역할이 그림으로 설명되어 있습니다. 가속기에서 나온 시험 입자의 시준된 빔은 예를 들어 화학 원소의 핵을 포함하는 연구 중인 얇은 표적으로 향하고, 표적에 의해 산란된 시험 입자 또는 표적 핵과의 상호 작용의 다른 생성물은 검출기에 의해 기록됩니다. 또는 탐지기 시스템. 실험 결과를 분석하면 상호 작용의 성격과 연구 중인 개체의 구조에 대한 정보가 제공됩니다.
원자핵이나 소립자와 같은 미세 물체를 연구하기 위해 가속기를 사용해야 하는 이유는 다음과 같습니다. 첫째, 원자핵과 소립자는 공간의 작은 영역을 차지합니다(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.
연구 중인 물체의 크기를 알면 해당 물체를 연구하는 데 필요한 테스트 입자의 에너지를 쉽게 추정할 수 있습니다. 입자는 파동의 성질을 가지고 있습니다. 입자의 파장은 운동량 p에 따라 달라지며 드브로이의 공식으로 표현됩니다.

여기서 h는 플랑크 상수이고 1fm = 10-13cm입니다. 위 공식은 또한 상대론적 입자의 파장과 메가전자볼트 단위의 운동 에너지 E 사이의 관계를 제공합니다.
산란 실험에서 드브로이 파장이 물체 R의 크기(반경)와 비슷하거나 작을 경우 물체의 구조는 (예를 들어 드 브로이파의 회절을 통해) "가시적"이 됩니다. λ에서 < R. 전자를 탐색 입자로 사용할 때 전자 에너지가 100MeV를 초과하면 핵 내부를 "볼" 수 있습니다. 핵자의 구조를 관찰하려면 전자 에너지가 이미 기가전자볼트(1 GeV = 10 9 eV) 단위로 계산되어 있어야 합니다.
가속기는 가속된 입자의 유형, 빔 특성(에너지, 강도 등) 및 디자인이 다릅니다. 전자 및 양성자 가속기는 이러한 입자의 빔이 준비하기 가장 쉽기 때문에 가장 일반적입니다. 소립자 연구를 위해 설계된 현대 가속기에서는 반입자(양전자, 반양성자)를 가속할 수 있으며, 입자 에너지 사용 효율을 높이기 위해 입자 에너지 사용 효율을 높이기 위해 입자 충돌기(카운터 빔)라고 불리는 여러 장치의 빔이 충돌(카운터 빔)됩니다. 가속기 사이클.
모든 가속기는 구조적으로 세 부분으로 구성됩니다. 가속된 입자가 "제조"되는 시스템(인젝터), 인젝터의 저에너지 입자(보통 공간에 국한된 응고 형태로 형성됨)가 에너지를 증가시키는 가속기 시스템입니다. 설계 값에 대한 고진공 및 실험 설정에 대한 빔의 운송 시스템(출력).
일반적으로 가속 과정에서 입자가 이동하는 궤적의 관점에서 가속기는 선형(직접 작용)과 순환의 두 가지 클래스로 나눌 수 있습니다. 선형 가속기에서 입자는 가속 과정에서 직선으로 이동하고 순환 입자에서는 동일한 닫힌 궤적을 따라 동일한 가속 간격(싱크로트론)을 반복적으로 통과하거나 풀리는 나선형과 유사한 궤적(사이클로트론, 마이크로트론, 파소트론)을 따라 이동합니다. .

기사의 내용

입자 가속기,전기장과 자기장의 도움으로 열 에너지를 훨씬 초과하는 에너지를 가진 전자, 양성자, 이온 및 기타 하전 입자의 지향성 빔을 얻는 설비입니다. 가속 과정에서 입자 속도는 종종 빛의 속도에 가까운 값으로 증가합니다. 현재 수많은 소형 가속기는 의료(방사선 치료)는 물론 산업(예: 반도체의 이온 주입)에도 사용되고 있습니다. 대형 가속기는 주로 과학적 목적, 즉 아핵 과정과 기본 입자의 특성을 연구하는 데 사용됩니다.

양자 역학에 따르면, 빛의 광선과 같은 입자의 광선은 특정 파장을 특징으로 합니다. 입자의 에너지가 높을수록 이 파장은 짧아집니다. 그리고 파장이 짧을수록 연구할 수 있는 물체는 작아지지만 가속기의 크기는 커지고 복잡해집니다. 미시 세계에 대한 연구를 개발하려면 프로빙 빔의 에너지를 늘려야 했습니다. 고에너지 방사선의 첫 번째 원천은 천연 방사성 물질이었습니다. 그러나 그들은 연구자들에게 제한된 입자, 강도 및 에너지 세트만 제공했습니다. 1930년대에 과학자들은 보다 다양한 광선을 생산할 수 있는 시설을 만들기 위해 노력하기 시작했습니다. 현재 모든 유형의 고에너지 방사선을 얻을 수 있는 가속기가 있습니다. 예를 들어, X선이나 감마선이 필요한 경우 전자가 가속되고 브레름스트론 또는 싱크로트론 방사선 과정에서 광자가 방출됩니다. 중성자는 강력한 양성자 또는 중수소 빔을 적절한 대상에 충돌시켜 생성됩니다.

핵입자의 에너지는 전자볼트(eV)로 측정됩니다. 전자 볼트는 전위차가 1V인 두 지점 사이의 전기장에서 이동할 때 하나의 기본 전하(전자 전하)를 운반하는 하전 입자가 획득한 에너지입니다. (1 eV » 1.60219H 10 –19 J.) 가속기는 세계 최대의 가속기에서는 수천에서 수조(10 12) 전자 볼트 범위의 에너지를 얻는 것이 가능합니다.

실험에서 희귀한 프로세스를 탐지하려면 신호 대 잡음비를 높여야 합니다. 이를 위해서는 점점 더 강력한 방사선원이 필요합니다. 현대 가속기 기술의 최첨단은 입자 빔의 에너지와 강도라는 두 가지 주요 매개변수에 의해 결정됩니다.

현대 가속기는 고주파 발생기, 고속 전자 장치 및 자동 제어 시스템, 복잡한 진단 및 제어 장치, 초고진공 장비, 강력한 정밀 자석("기존" 및 극저온 모두) 및 복잡한 정렬 등 수많은 다양한 유형의 장비를 사용합니다. 그리고 고정 시스템.

기본 원리들

입자 가속의 기본 방식은 1) 빔 형성 및 주입, 2) 빔 가속, 3) 목표물에 대한 빔 출력 또는 가속기 자체에서 충돌하는 빔의 충돌의 세 단계로 구성됩니다.

빔 형성 및 주입.

모든 가속기의 초기 요소는 저에너지 입자(전자, 양성자 또는 기타 이온)의 방향성 흐름 소스와 소스에서 빔을 추출하여 형성하는 고전압 전극 및 자석을 포함하는 주입기입니다. 첫 번째 가속기의 양성자 소스에서는 수소 가스가 전기 방전 영역이나 뜨거운 필라멘트 근처를 통과했습니다. 이러한 조건에서 수소 원자는 전자를 잃고 양성자만 남습니다. 이 방법(및 다른 가스와 유사한 방법)은 개선된 형태로 여전히 양성자(및 중이온) 빔을 얻는 데 사용됩니다.

소스는 평균 초기 에너지, 빔 전류, 횡단 치수 및 평균 각도 발산을 특징으로 하는 입자 빔을 형성합니다. 주입된 빔의 품질을 나타내는 지표는 방출량입니다. 빔 반경과 각도 발산의 곱입니다. 방출량이 낮을수록 최종 고에너지 입자빔의 품질이 높아집니다. 광학과 유사하게 입자 전류를 방출량(각도 발산으로 나눈 입자 밀도에 해당)으로 나눈 값을 빔 밝기라고 합니다. 현대 가속기의 많은 응용 분야에는 가능한 가장 높은 빔 밝기가 필요합니다.

빔 가속.

빔은 챔버에서 형성되거나 하나 이상의 가속기 챔버에 주입됩니다. 여기서 전기장은 입자의 속도를 증가시켜 에너지를 증가시킵니다. 최초의 가장 단순한 가속기에서는 고진공 챔버 내부에 생성된 강력한 정전기장에서 입자의 에너지가 증가했습니다. 달성할 수 있는 최대 에너지는 가속기 절연체의 전기 강도에 따라 결정됩니다. 많은 현대 가속기에서는 30keV ~ 1MeV의 에너지를 갖는 전자 및 이온(최대 우라늄 이온까지)의 정전기 가속기도 주입기로 사용됩니다.

고전압을 생성하는 것은 오늘날에도 여전히 어려운 기술적 문제로 남아 있습니다. 이는 병렬로 연결된 커패시터 그룹을 충전한 다음 이를 일련의 가속관에 직렬로 연결하여 얻을 수 있습니다. 이런 방법으로 1932년 J. Cockcroft와 E. Walton은 최대 1MV의 전압을 얻었습니다. 이 방법의 중요한 실제 단점은 시스템의 외부 요소에 고전압이 적용되어 실험자에게 위험하다는 것입니다.

고전압을 생성하는 또 다른 방법은 R. Van de Graaff가 1931년에 발명했습니다. Van de Graaff 발전기(그림 1)에서 유전체 스트립은 접지 전위의 전압원에서 고전압 전극으로 전하를 전달하여 접지에 비해 전위를 높입니다. 단일 스테이지 Van de Graaff 발전기를 사용하면 최대 10MV의 전압을 얻을 수 있습니다. 다단계 고전압 가속기를 사용하여 최대 30MeV의 에너지를 갖는 양성자를 얻었습니다.

필요한 것이 연속 빔이 아니라 고에너지 입자의 짧은 펄스인 경우 절연체가 짧은 시간(마이크로초 미만) 동안 훨씬 더 높은 전압을 견딜 수 있다는 사실을 활용할 수 있습니다. 스위칭 다이오드는 매우 낮은 임피던스 회로에서 스테이지당 최대 15MV의 전압을 허용합니다. 이를 통해 정전기 가속기에서와 같이 수십 밀리암페어가 아닌 수십 킬로암페어의 빔 전류를 얻을 수 있습니다.

고전압을 생성하는 일반적인 방법은 커패시터 뱅크를 먼저 병렬로 충전한 다음 직렬로 연결하고 단일 방전 갭을 통해 방전하는 마르크스 펄스 발생기 회로를 기반으로 합니다. 발전기의 고전압 펄스는 긴 라인으로 들어가 펄스를 생성하고 상승 시간을 설정합니다. 라인에는 빔을 가속하는 전극이 장착되어 있습니다.

고주파 가속 전압에서 가속기 설계는 정전압에서보다 고장 없이 훨씬 더 강한 전기장을 견딜 수 있습니다. 그러나 입자를 가속하기 위해 고주파 필드를 사용하는 것은 필드의 부호가 빠르게 변하고 필드가 가속되거나 감속되는 것으로 밝혀지기 때문에 복잡합니다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 1920년대 후반에 두 가지 방법이 제안되었으며, 이는 현재 대부분의 가속기에 사용되고 있습니다.

선형 가속기

긴 다단 가속기에서 고주파 전기장을 사용할 가능성은 그러한 전기장이 시간뿐만 아니라 공간에서도 변한다는 사실에 기초합니다. 언제든지 전계 강도는 공간의 위치에 따라 정현파로 변합니다. 공간에서의 필드 분포는 파동 모양을 갖습니다. 그리고 공간의 어느 지점에서나 시간에 따라 사인곡선으로 변합니다. 따라서 필드 최대값은 소위 위상 속도로 공간에서 이동합니다. 결과적으로 입자는 로컬 필드가 항상 가속하는 방식으로 움직일 수 있습니다.

고주파수 장은 1929년 노르웨이 엔지니어 R. Videroe가 결합된 고주파 공진기의 짧은 시스템에서 이온을 가속했을 때 선형 가속기 시스템에 처음 사용되었습니다. 공진기가 필드의 위상 속도가 항상 입자의 속도와 동일하도록 설계되면 가속기에서 이동하는 동안 빔이 지속적으로 가속됩니다. 이 경우 입자의 움직임은 파도 꼭대기에서 서퍼가 미끄러지는 것과 유사합니다. 이 경우 가속 중 양성자 또는 이온의 속도가 크게 증가할 수 있습니다. 따라서 파동의 위상 속도가 증가해야 합니다. V단계 전자를 빛의 속도에 가까운 속도로 가속기에 주입할 수 있다면 와 함께, 이 모드에서는 위상 속도가 거의 일정합니다. V단계 = 씨.

고주파 전기장의 느린 위상의 영향을 제거하기 위한 또 다른 접근 방식은 이 반주기 동안 필드로부터 빔을 차폐하는 금속 구조를 사용하는 것입니다. 이 방법은 E. Lawrence가 사이클로트론( 아래를 참조하세요); Alvarez 선형 가속기에도 사용됩니다. 후자는 일련의 금속 드리프트 튜브를 포함하는 긴 진공관입니다. 각 튜브는 가속 전압 파동이 빛의 속도에 가까운 속도로 흐르는 긴 선을 통해 고주파 발생기에 직렬로 연결됩니다(그림 2). 따라서 모든 튜브는 차례로 고전압 상태에 있습니다. 적절한 시간에 주입기에서 방출된 하전입자는 첫 번째 튜브 방향으로 가속되어 일정한 에너지를 획득합니다. 이 튜브 내부에서 입자는 표류하여 일정한 속도로 움직입니다. 튜브의 길이를 올바르게 선택하면 가속 전압이 한 파장만큼 진행되는 순간 튜브에서 나옵니다. 이 경우 두 번째 튜브의 전압도 가속되어 수십만 볼트에 이릅니다. 이 과정은 여러 번 반복되며 각 단계에서 입자는 추가 에너지를 받습니다. 입자의 움직임이 장의 변화와 동기화되기 위해서는 속도의 증가에 따라 튜브의 길이가 늘어나야 합니다. 결국 입자는 빛의 속도에 매우 가까운 속도에 도달하게 되며 튜브의 최대 길이는 일정하게 됩니다.

현장의 공간적 변화는 빔의 시간적 구조에 제한을 가합니다. 가속 장은 유한한 크기의 입자 묶음 내에서 다양합니다. 결과적으로, 입자 다발의 범위는 가속하는 고주파 장의 파장에 비해 작아야 합니다. 그렇지 않으면 입자가 덩어리 내에서 다르게 가속됩니다. 빔에 너무 많은 에너지가 분산되면 자기 렌즈의 색수차로 인해 빔의 초점을 맞추는 것이 어려워질 뿐만 아니라 특정 작업에서 빔을 사용할 가능성도 제한됩니다. 에너지 산란은 축 방향에서 빔 입자 다발의 흐릿함을 초래할 수도 있습니다.

초기 속도로 움직이는 비상대론적 이온 무리를 생각해 봅시다. V 0 . 공간 전하로 인한 종방향 전기력은 빔의 머리 부분을 가속시키고 꼬리 부분을 느리게 만듭니다. 무리의 움직임을 고주파장과 적절하게 동기화함으로써 머리 부분보다 꼬리 부분의 더 큰 가속도를 얻을 수 있습니다. 가속 전압과 빔의 위상을 일치시킴으로써 빔의 위상을 조정하여 공간 전하와 에너지 확산의 디페이싱 효과를 보상할 수 있습니다. 결과적으로, 다발의 중심 위상 값의 특정 범위에서 안정된 운동의 특정 위상에 대한 입자의 중심화 및 진동이 관찰됩니다. 자동 위상이라고 불리는 이 현상은 선형 이온 가속기와 최신 순환 전자 및 이온 가속기에 매우 중요합니다. 불행하게도 자동 페이징은 가속기 듀티 사이클을 1보다 훨씬 낮은 값으로 줄이는 대가로 달성됩니다.

가속 과정에서 거의 모든 빔은 입자의 상호 정전기 반발과 횡(열) 속도의 확산으로 인해 두 가지 이유로 반경이 증가하는 경향을 나타냅니다. 첫 번째 경향은 빔 속도가 증가함에 따라 약해집니다. 왜냐하면 빔 전류에 의해 생성된 자기장이 빔을 압축하고 상대론적 빔의 경우 반경 방향 공간 전하의 초점 흐림 효과를 거의 보상하기 때문입니다. 따라서 이 효과는 이온가속기의 경우 매우 중요하지만, 상대론적 속도로 빔이 주입되는 전자가속기의 경우에는 거의 미미하다. 빔 방출과 관련된 두 번째 효과는 모든 가속기에 중요합니다.

4중극자 자석을 사용하면 입자를 축 가까이에 유지할 수 있습니다. 사실, 단일 사중극자 자석은 입자를 평면 중 하나에 집중시키면 다른 평면에서는 초점이 흐려집니다. 그러나 E. Courant, S. Livingston 및 H. Snyder가 발견한 "강력한 포커싱" 원리가 도움이 됩니다. 즉, 플라이트 갭으로 분리된 두 개의 사중극자 자석 시스템이 교대로 포커싱 및 디포커싱 평면을 사용하여 궁극적으로 모든 평면에서 포커싱을 보장합니다. .

드리프트 튜브는 여전히 양성자 선형 가속기에 사용되며 빔 에너지는 수 메가전자볼트에서 약 100MeV로 증가됩니다. 미국 스탠포드 대학에 건설된 1 GeV 가속기와 같은 최초의 전자 선형 가속기 역시 빔이 1 MeV 정도의 에너지로 주입되었기 때문에 일정한 길이의 드리프트 튜브를 사용했습니다. 보다 현대적인 전자 선형 가속기는 스탠포드 선형 가속기 센터에 건설된 3.2km 길이의 50GeV 가속기 중 가장 큰 것으로 전자파의 "전자 서핑" 원리를 사용하여 에너지 증가에 따라 빔을 가속할 수 있습니다. 가속 시스템 1m에서 거의 20MeV에 달합니다. 이 가속기에서는 클라이스트론(klystron)이라는 대형 진공 장치에 의해 약 3GHz 주파수의 고주파 전력이 생성됩니다.

가장 높은 에너지의 양성자 선형 가속기는 주의 로스살라모스 국립 연구소에 건설되었습니다. 뉴멕시코(미국)는 강렬한 파이온과 뮤온 빔을 생산하기 위한 "중간자 공장"입니다. 구리 공진기는 2MeV/m 정도의 가속 필드를 생성하며, 이로 인해 펄스 빔에서 800MeV의 에너지로 최대 1mA의 양성자를 생성합니다.

양성자뿐만 아니라 중이온도 가속하기 위해 초전도 고주파 시스템이 개발되었습니다. 가장 큰 초전도 양성자 선형 가속기는 독일 함부르크에 있는 독일 전자 싱크로트론(DESY) 연구소에서 HERA 충돌 빔 가속기 주입기 역할을 합니다.

순환 가속기

양성자 사이클로트론.

에너지의 작은 부분을 반복적으로 전달하여 빔을 가속하는 매우 우아하고 경제적인 방법이 있습니다. 이를 위해 강한 자기장을 사용하여 빔은 강제로 원형 궤도를 따라 움직이며 동일한 가속 간격을 여러 번 통과하게 됩니다. 이 방법은 1930년 E. Lawrence와 S. Livingston이 자신들이 발명한 사이클로트론에서 처음으로 구현되었습니다. 드리프트 튜브가 있는 선형 가속기에서와 같이 빔은 감속기 역할을 할 때 반주기 동안 전기장의 작용으로부터 보호됩니다. 질량이 있는 하전입자 중그리고 충전 큐, 빠른 속도로 이동 V자기장에서 시간속도에 수직으로 향하는 는 이 필드에서 반지름이 있는 원을 설명합니다. 아르 자형 = mv/qH. 가속을 하면 속도가 빨라지기 때문에 V, 반경도 증가합니다. 아르 자형. 따라서 양성자와 중이온은 계속해서 증가하는 반경의 풀리는 나선형으로 움직입니다. 궤도를 따라 회전할 때마다 빔은 고주파수 전기장에 의해 작용하는 고전압 중공 D형 전극인 Dee 사이의 틈을 통과합니다(그림 3). 로렌스는 비상대론적 입자의 경우 빔이 간격을 통과하는 사이의 시간이 일정하게 유지된다는 것을 깨달았습니다. 속도의 증가는 반경의 증가로 보상되기 때문입니다. 고주파 필드가 위상을 벗어나는 회전 기간의 해당 부분 동안 빔은 간격 외부에 있습니다. 순환 빈도는 다음과 같이 주어진다.

어디 에프- 교류 전압의 주파수(MHz), N- 자기장 강도(T), 그리고 MC 2 – MeV 단위의 입자 질량. 값이 시간가속도가 발생하는 영역에서는 일정하며, 주파수는 에프, 분명히 반경에 의존하지 않습니다.

이온을 고에너지로 가속하려면 자기장과 고전압 전압의 주파수가 공명 조건을 충족하면 됩니다. 그러면 입자는 적시에 회전당 두 번 디 사이의 틈을 통과하게 됩니다. 10keV의 가속 전압에서 빔을 50MeV의 에너지로 가속하려면 2500회전이 필요합니다. 양성자 사이클로트론의 작동 주파수는 20MHz이므로 가속 시간은 약 1ms입니다.

선형 가속기에서와 마찬가지로 사이클로트론에서 가속하는 동안 입자는 가로 방향으로 집중되어야 합니다. 그렇지 않으면 자석의 극 부분에 평행한 속도로 주입된 입자를 제외한 모든 입자가 가속 주기에서 벗어나게 됩니다. 사이클로트론에서는 궤도면을 떠나는 입자에 힘이 가해져 입자가 이 평면으로 되돌아오는 특수 구성을 자기장에 부여함으로써 각도가 유한하게 분산된 입자를 가속할 수 있는 가능성이 보장됩니다.

불행히도, 가속된 입자 묶음의 안정성에 대한 요구 사항에 따라 자기장의 초점 구성 요소는 반경이 증가함에 따라 감소해야 합니다. 그리고 이는 공명 조건과 모순되며 빔 강도를 제한하는 효과로 이어집니다. 단순 사이클로트론의 성능을 감소시키는 또 다른 중요한 요소는 입자 에너지 증가의 필연적 결과인 상대론적 질량 증가입니다.

양성자 가속의 경우 약 10MeV 정도의 상대론적 질량 증가로 인해 동시성이 깨집니다. 동기화를 유지하는 한 가지 방법은 궤도 반경이 증가하고 입자 속도가 증가함에 따라 가속 전압의 주파수가 감소하도록 가속 전압의 주파수를 변조하는 것입니다. 주파수는 법에 따라 변경되어야 합니다.

이러한 싱크로사이클로트론은 양성자를 수백 메가전기볼트의 에너지로 가속할 수 있습니다. 예를 들어, 자기장 강도가 2T이면 주파수는 주입 순간 약 32MHz에서 입자가 400MeV의 에너지에 도달하면 19MHz 이하로 감소해야 합니다. 가속 전압의 주파수 변화는 수 밀리초에 걸쳐 발생해야 합니다. 입자가 최고 에너지에 도달하고 가속기에서 제거되면 주파수는 원래 값으로 돌아가고 새로운 입자 묶음이 가속기에 도입됩니다.

그러나 최적의 자석 설계와 고주파 전원 공급 시스템의 최상의 특성에도 불구하고 사이클로트론의 성능은 실용적인 고려 사항으로 인해 제한됩니다. 높은 에너지로 가속된 입자를 궤도에 유지하려면 매우 큰 자석이 필요합니다. 따라서 캐나다 TRIUMPH 연구소에 구축된 600MeV 사이클로트론 자석의 질량은 2000톤을 초과하며 수 메가와트 정도의 전력을 소비합니다. 사이크로사이클로트론을 만드는 데 드는 비용은 대략 자석 반경의 세제곱에 비례합니다. 따라서 실질적으로 허용 가능한 비용으로 더 높은 에너지를 달성하려면 새로운 가속 원리가 필요합니다.

양성자 싱크로트론.

순환 가속기의 높은 비용은 자석의 큰 반경과 관련이 있습니다. 그러나 에너지가 증가함에 따라 자기장 강도를 증가시켜 입자를 일정한 반경으로 궤도에 유지하는 것이 가능합니다. 선형 가속기는 상대적으로 낮은 에너지의 입자 빔을 이 궤도에 주입합니다. 구속 필드는 빔 궤도 근처의 좁은 영역에서만 필요하므로 전체 궤도 영역을 덮는 자석이 필요하지 않습니다. 자석은 환형 진공 챔버를 따라서만 위치하므로 막대한 비용 절감 효과를 제공합니다.

이 접근법은 양성자 싱크로트론에서 구현되었습니다. 이 유형의 첫 번째 가속기는 3 GeV의 에너지를 가진 Cosmotron(그림 4)으로 1952년 미국 Brookhaven 국립 연구소에서 작동을 시작했습니다. 곧 실험실에서 건설된 6 GeV의 에너지를 가진 Bevatron이 뒤따랐습니다. 버클리 캘리포니아 로렌스 대학교 (미국). 반양성자를 탐지하기 위해 특별히 제작된 이 장치는 39년 동안 작동하여 입자 가속기의 내구성과 신뢰성을 입증했습니다.

미국, 영국, 프랑스, ​​소련에서 제작된 1세대 싱크로트론에서는 초점이 약했습니다. 따라서 가속하는 동안 입자의 방사형 진동의 진폭이 컸습니다. 진공 챔버의 폭은 약 30 cm였으며, 여전히 큰 부피에서는 자기장의 구성을 주의 깊게 제어해야 했습니다.

1952년에 빔 진동을 크게 줄여 결과적으로 진공 챔버의 크기를 줄일 수 있는 발견이 이루어졌습니다. 이것이 강한 집중, 즉 굳건한 집중의 원리였습니다. 강력한 포커싱 패턴으로 배열된 초전도 사중극자 자석을 갖춘 최신 양성자 싱크로트론에서는 진공 챔버의 직경이 10cm 미만이므로 포커싱 및 편향 자석의 크기, 비용 및 전력 소비가 크게 줄어듭니다.

이 원리를 기반으로 한 최초의 싱크로트론은 Brookhaven의 30 GeV 교번 경사형 싱크로트론이었습니다. 제네바에 있는 유럽입자물리연구소(CERN)의 실험실에도 유사한 시설이 건설되었습니다. 1990년대 중반에도 두 가속기는 여전히 작동 중이었습니다. 가변 그래디언트 싱크로트론의 조리개는 코스모트론의 조리개보다 약 25배 작습니다. 30GeV에서 자석이 소비한 전력은 3GeV에서 코스모트론 자석이 소비한 전력과 거의 동일했습니다. 가변 구배 싱크로트론은 펄스당 6H 10 13 양성자를 가속했는데, 이는 동급 설치 중 가장 높은 강도에 해당합니다. 이 가속기의 초점은 빔을 편향시킨 동일한 자석에 의해 수행되었습니다. 이는 자석의 극에 그림 1에 표시된 모양을 부여함으로써 달성되었습니다. 5. 현대 가속기는 일반적으로 별도의 자석을 사용하여 빔을 편향시키고 집중시킵니다.

따라서 Tevatron에 정지해 있는 표적을 대상으로 한 실험에서 유용한 에너지는 43 GeV에 불과합니다.

입자 연구에서 가능한 가장 높은 에너지를 사용하려는 열망으로 인해 CERN과 연구소가 설립되었습니다. E. 페르미 양성자-반양성자 충돌기 및 충돌하는 전자-양성자 빔을 사용하여 여러 국가에 다수의 설치. 첫 번째 양성자 충돌기에서는 둘레 1.6km의 고리에서 26GeV의 에너지를 갖는 양성자와 반양성자의 충돌이 발생했습니다(그림 6). 불과 며칠 만에 최대 50A 전류의 빔을 축적하는 것이 가능해졌습니다.

현재 가장 높은 에너지를 가진 충돌기는 테바트론(Tevatron)으로, 1TeV 에너지의 양성자 빔과 동일한 에너지의 반양성자 카운터 빔의 충돌에 대한 실험이 수행되고 있습니다. 이러한 실험에는 주 고리에서 나오는 고에너지 양성자 빔을 금속 표적에 충돌시켜 얻을 수 있는 반양성자가 필요합니다. 이러한 충돌에서 생성된 반양성자는 8 GeV의 에너지로 별도의 고리에 축적됩니다. 충분한 반양성자가 축적되면 메인 링에 주입되어 150GeV까지 가속된 다음 테바트론에 주입됩니다. 여기서 양성자와 반양성자는 동시에 최대 에너지로 가속된 후 충돌합니다. 충돌하는 입자의 총 운동량은 0이므로 모든 에너지는 2입니다. 이자형유용한 것으로 밝혀졌습니다. Tevatron의 경우 거의 2 TeV에 도달합니다.

전자-양전자 충돌기 중 가장 높은 에너지는 CERN의 대형 전자-양전자 저장 링에서 달성되었습니다. 여기서 충돌하는 빔의 에너지는 처음에는 빔당 50GeV였으며 이후 빔당 100GeV로 증가했습니다. HERA 충돌체는 전자와 양성자의 충돌이 일어나는 DESI로 제작되었습니다.

에너지의 이러한 엄청난 이득은 충돌하는 저밀도 빔 입자 간의 충돌 가능성을 크게 줄이는 대가로 발생합니다. 충돌 빈도는 광도에 따라 결정됩니다. 특정 단면을 갖는 주어진 유형의 반응을 수반하는 초당 충돌 횟수입니다. 광도는 빔의 에너지와 전류에 선형적으로 의존하며 빔의 반경에 반비례합니다. 충돌기 빔의 에너지는 연구 중인 물리적 프로세스의 에너지 규모에 따라 선택됩니다.

최고의 광도를 보장하려면 회의 지점에서 가능한 가장 높은 빔 밀도를 달성해야 합니다. 따라서 충돌체를 설계할 때 주요 기술적 과제는 만나는 지점의 빔을 매우 작은 지점에 집중시키고 빔 전류를 높이는 것입니다. 원하는 광도를 얻으려면 1A보다 큰 전류가 필요할 수 있습니다.

또 다른 극도로 어려운 기술적 문제는 충돌기 챔버에 초고진공을 제공해야 한다는 필요성과 관련이 있습니다. 빔 입자 사이의 충돌은 비교적 드물게 발생하기 때문에 잔류 가스 분자와의 충돌은 빔을 크게 약화시켜 연구되는 상호 작용의 확률을 감소시킬 수 있습니다. 또한, 잔류 가스에 의한 빔의 산란은 감지기에서 바람직하지 않은 배경을 생성하여 연구 중인 물리적 프로세스를 가릴 수 있습니다. 충돌기 챔버의 진공은 광도에 따라 10 –9 –10 –7 Pa(10 –11 –10 –9 mmHg) 범위에 있어야 합니다.

낮은 에너지에서는 더 강한 전자빔이 가속되어 희귀한 붕괴를 연구할 수 있습니다. 안에- 그리고 에게- 전기약한 상호작용으로 인한 중간자. "향수 공장"이라고도 불리는 다수의 시설이 현재 미국, 일본 및 이탈리아에 건설되고 있습니다. 이러한 설비에는 두 개의 저장 링(전자 및 양전자용)이 있으며 상호 작용 영역은 하나 또는 두 지점에서 교차합니다. 각 링에는 총 전류가 1A를 초과하는 많은 입자 묶음이 포함되어 있습니다. 빔의 에너지는 유용한 에너지가 연구 중인 단명 입자로 붕괴되는 공명에 해당하도록 선택됩니다. 안에- 또는 에게-중간자. 이러한 설비의 설계는 전자 싱크로트론과 저장 링을 기반으로 합니다.

선형 충돌체.

순환 전자-양전자 충돌기의 에너지는 가속된 입자 빔에서 방출되는 강렬한 싱크로트론 방사선에 의해 제한됩니다. 아래를 참조하세요). 이러한 단점은 싱크로트론 방사선이 가속 과정에 영향을 미치지 않는 선형 충돌기에는 존재하지 않습니다. 선형 충돌기는 두 개의 고에너지 선형 가속기로 구성되며, 전자와 양전자의 고강도 빔이 서로를 향합니다. 광선은 한 번만 만나고 충돌한 후 흡수체로 방향이 전환됩니다.

첫 번째 선형 충돌기는 "스탠포드 선형 충돌기"로, 3.2km 길이의 스탠포드 선형 가속기를 사용하고 50 GeV에서 작동합니다. 이 충돌기 시스템에서는 전자와 양전자 묶음이 동일한 선형 가속기에서 가속되고 빔이 최대 에너지에 도달하면 분리됩니다. 그런 다음 전자와 양전자 다발은 의료용 청진기의 튜브 모양의 별도 호를 따라 이동하며 상호작용 영역에서 약 2미크론의 직경에 초점을 맞춥니다.

새로운 기술.

보다 경제적인 가속 방법을 모색함으로써 10~35GHz의 주파수 범위에서 작동하는 새로운 가속기 시스템과 고전력 고주파 발생기가 탄생했습니다. 전자-양전자 충돌기의 광도는 프로세스의 단면이 입자 에너지의 제곱에 따라 감소하기 때문에 예외적으로 높아야 합니다. 따라서 빔 밀도는 매우 높아야 합니다. 1TeV 정도의 에너지를 갖는 선형 충돌기에서 빔 크기는 10nm에 도달할 수 있으며 이는 스탠포드 선형 충돌기의 빔 크기(2μm)보다 훨씬 작습니다. 이러한 작은 빔 크기로 인해 초점 요소를 정확하게 정렬하려면 복잡한 전자 자동 제어 기능을 갖춘 매우 강력하고 안정적인 자석이 필요합니다. 전자빔과 양전자빔이 서로 통과하면 전기적 상호작용이 중화되고 자기적 상호작용이 강화됩니다. 결과적으로 자기장은 10,000 Tesla에 도달할 수 있습니다. 이러한 거대한 자기장은 빔을 크게 변형시킬 수 있으며 싱크로트론 방사선의 생성으로 인해 큰 에너지 확산을 초래할 수 있습니다. 점점 더 큰 기계를 만드는 것과 관련된 경제적 고려 사항과 함께 이러한 효과는 전자-양전자 충돌기에서 달성할 수 있는 에너지에 제한을 설정합니다.

전자 스토리지

전자 싱크로트론은 양성자 싱크로트론과 동일한 원리를 기반으로 합니다. 그러나 한 가지 중요한 기능으로 인해 기술적으로 더 간단합니다. 전자 질량이 작기 때문에 빔이 빛의 속도에 가까운 속도로 주입될 수 있습니다. 따라서 에너지가 더 증가한다고 해서 속도가 눈에 띄게 증가하는 것은 아니며, 전자 싱크로트론은 약 10MeV의 에너지로 빔을 주입하면 가속 전압의 고정 주파수에서 작동할 수 있습니다.

그러나 이러한 장점은 작은 전자 질량의 또 다른 결과로 인해 무효화됩니다. 전자는 원형 궤도를 따라 움직이기 때문에 가속도(구심력)로 움직이므로 광자, 즉 싱크로트론 방사선이라고 하는 방사선을 방출합니다. 힘 아르 자형싱크로트론 방사선은 빔 에너지의 4승에 비례합니다. 이자형그리고 현재 나, 또한 링의 반경에 반비례합니다. 아르 자형이므로 값에 비례합니다( 이자형/중) 4 IR-1 . 궤도에서 전자빔이 회전할 때마다 손실되는 이 에너지는 가속 간격에 인가되는 고주파 전압으로 보상되어야 합니다. 고강도로 설계된 "아로마 공장"에서는 이러한 전력 손실이 수십 메가와트에 이를 수 있습니다.

전자 싱크로트론과 같은 순환 가속기는 일정하고 높은 에너지를 갖는 큰 순환 전류를 저장하는 장치로도 사용할 수 있습니다. 이러한 저장 링은 두 가지 주요 응용 분야가 있습니다. 1) 위에서 설명한 충돌 빔 방법을 사용하여 핵 및 기본 입자를 연구하고 2) 원자 물리학, 재료 과학, 화학, 생물학 및 의학에서 사용되는 싱크로트론 방사선 소스로 사용됩니다.

싱크로트론 방사선의 평균 광자 에너지는 ( 이자형/중) 3 아르 자형-1 . 따라서 저장 링에서 순환하는 약 1 GeV의 에너지를 가진 전자는 자외선 및 X선 범위의 강렬한 싱크로트론 방사선을 방출합니다. 대부분의 광자는 좁은 수직 질서 각도 내에서 방출됩니다. 중/이자형. 1GeV 정도의 현대 에너지 저장 장치에서 전자빔의 반경은 수십 마이크로미터로 측정되기 때문에, 전자빔에서 방출되는 X선 방사선 빔은 높은 밝기를 특징으로 하므로 강력한 연구 수단이 될 수 있습니다. 물질의 구조. 방사선은 전자의 곡선 경로에 접선 방향으로 방출됩니다. 결과적으로, 전자 저장 링의 각 편향 자석은 전자 다발이 이를 통과할 때 펼쳐지는 방사선의 "서치라이트 빔"을 생성합니다. 이는 저장 탱크의 주 진공 챔버에 접하는 긴 진공 채널을 통해 배출됩니다. 이러한 채널을 따라 위치한 슬릿과 콜리메이터는 좁은 빔을 형성하며, 이로부터 필요한 X선 에너지 범위는 단색광 장치를 사용하여 격리됩니다.

싱크로트론 방사선의 첫 번째 소스는 원래 고에너지 물리학의 문제를 해결하기 위해 건설된 시설이었습니다. 스탠포드 싱크로트론 방사선 연구소(Stanford Synrotron Radiation Laboratory)의 스탠포드 3 GeV 양전자-전자 저장 링이 그 예입니다. 한때 이 시설에서는 "매혹적인" 중간자가 발견되었습니다.

초기 싱크로트론 방사선원에는 수백 명의 사용자의 다양한 요구를 충족할 수 있는 유연성이 없었습니다. 고유속, 고빔 강도 싱크로트론 방사선에 대한 수요가 급격히 증가함에 따라 가능한 모든 사용자의 요구를 충족하도록 설계된 2세대 광원이 등장했습니다. 특히 전자빔의 방출을 줄이기 위해 자석 시스템이 선택되었습니다. 방출량이 낮다는 것은 빔 크기가 더 작다는 것을 의미하므로 방사선원의 밝기가 더 높다는 의미입니다. 이 세대의 전형적인 대표자는 Brookhaven의 드라이브였으며, 이는 스펙트럼의 진공 자외선 영역에서 X선 ​​방사선 및 방사선의 소스 역할을 했습니다.

방사선의 밝기는 주기적인 자기 구조에서 빔이 정현파 경로를 따르도록 한 다음 각 굴곡에서 생성된 방사선을 결합함으로써 증가할 수도 있습니다. 언듈레이터는 이러한 움직임을 제공하는 자기 구조로, 빔 축의 직선에 위치하며 작은 각도로 빔을 편향시키는 일련의 자기 쌍극자입니다. 이러한 언듈레이터에서 나오는 방사선의 밝기는 편향 자석에서 발생하는 방사선의 밝기보다 수백 배 더 높을 수 있습니다.

1980년대 중반에는 이러한 언듈레이터를 많이 포함하는 3세대 싱크로트론 방사선원이 만들어지기 시작했습니다. 최초의 3세대 소스 중에는 연X선을 생성하는 버클리의 1.5 GeV 고급 광원, 미국 아르곤 국립 연구소의 6 GeV 고급 광자 소스 및 유럽 싱크로트론 방사선 시설의 6 GeV 싱크로트론이 있습니다. 그르노블(프랑스)에서는 하드 X선 방사선원으로 사용됩니다. 이러한 시설이 성공적으로 건설된 후 다른 장소에 다수의 싱크로트론 방사선원이 생성되었습니다.

적외선부터 경성 X선까지의 범위에서 더 높은 밝기를 향한 새로운 단계에는 편향 자석 시스템에서 약 1.5테슬라의 자기장 강도를 갖는 "따뜻한" 자기 쌍극자와 수 테슬라의 자기장을 갖는 훨씬 더 짧은 초전도 자기 쌍극자를 사용하는 것이 포함됩니다. . 이 접근 방식은 스위스의 P. Scherrer 연구소에서 생성된 새로운 싱크로트론 방사선 소스와 버클리 소스의 현대화 과정에서 구현되고 있습니다.

과학 연구에서 싱크로트론 방사선의 사용은 추진력을 얻었으며 계속해서 확장되고 있습니다. 이러한 X선 빔의 뛰어난 밝기 덕분에 일반적인 수중 환경에서 생물학적 시스템을 연구하기 위한 차세대 X선 현미경을 만들 수 있습니다. 이는 병원성 요인에만 집중하고 부작용을 최소화하면서 새로운 의약품 개발을 위해 바이러스와 단백질의 구조를 신속하게 분석할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 밝은 X선 빔은 아주 작은 양의 불순물과 오염 물질도 감지할 수 있는 강력한 마이크로프로브 역할을 할 수 있습니다. 이를 통해 환경 오염 경로를 조사할 때 환경 샘플을 매우 빠르게 분석할 수 있습니다. 이는 또한 매우 복잡한 집적 회로를 제조하는 값비싼 프로세스 이전에 대형 실리콘 웨이퍼의 순도를 평가하는 데 사용될 수 있으며 리소그래피 기술에 대한 새로운 전망을 열어 원칙적으로 100nm보다 작은 기능을 가진 집적 회로를 생성할 수 있게 해줍니다.

의학의 촉진제

촉진제는 의료 치료 및 진단에서 중요한 실제 역할을 합니다. 현재 전 세계 많은 병원에서는 종양 치료에 사용되는 강력한 X선을 생성하는 소형 전자 선형 가속기를 보유하고 있습니다. 그보다는 덜하지만 양성자 빔을 생성하는 사이클로트론이나 싱크로트론이 사용됩니다. 종양 치료에서 X선 ​​방사선에 비해 양성자의 장점은 보다 국부적인 에너지 방출입니다. 따라서 양성자치료는 주변의 건강한 조직의 손상을 최대한 최소화해야 하는 뇌종양과 눈종양의 치료에 특히 효과적이다. .

하전입자가속기- 충전 속도를 높이는 데 사용되는 설치. 높은 에너지까지의 입자. 일반적으로 가속기(U.)라고 합니다. 입자를 초과하는 에너지로 가속하도록 설계된 설비 \ MeV. 940 GeV의 에너지는 기록적인 고전압 양성자 Tevatron(Fermilab, USA)에서 달성되었습니다. 가장 큰 전자 가속기 LEP(스위스 CERN)는 충돌하는 전자와 양전자 빔을 45GeV의 에너지로 가속합니다(추가 가속 장치를 설치하면 에너지가 두 배가 될 수 있음). 초음파는 과학(기본 입자 생성, 그 특성 및 내부 구조 연구, 자연에서 발견되지 않는 핵종 생성, 핵 반응 연구, 방사선 생물학, 화학 연구, 고체 물리학 분야 작업 등)에서 널리 사용됩니다. , 및 응용 목적(의료 장비, 재료 등의 멸균, 결함 탐지, 마이크로 전자 소자 생산, 의료 진단을 위한 방사성 약리학 제제 생산, 방사선 치료, 예술 기술의 방사선 기술, 바니시 중합, 재료 특성 변경, 예를 들어 고무, 열수축 파이프 생산 등).

모든 작동 장치에서 충전 에너지가 증가합니다. 입자는 외부 세로 방향(가속된 입자의 속도를 따라 이동) 전기의 영향으로 발생합니다. 필드. 다른 움직이는 입자나 전기 자석에 의해 생성된 필드를 사용하여 가속하는 방법에 대한 연구가 진행 중입니다. 가속된 입자 자체의 빔이나 다른 빔에 의해 여기되거나 수정되는 파동( 집단 가속 방법).이론적으로 집단적 방법을 사용하면 가속 속도(당 얻은 에너지)를 급격히 증가시킬 수 있습니다. \ m 경로) 및 광선의 강도가 있지만 지금까지는 심각한 성공을 거두지 못했습니다.

여기에는 다음 요소가 포함됩니다: 가속된 입자(전자, 양성자, 반입자)의 소스; 발전기 아니면 엘마그나. 가속 분야; 가속 과정에서 입자가 이동하는 진공 챔버(밀도가 높은 가스 환경에서는 챔버를 채우는 가스 분자와의 상호 작용으로 인해 하전 입자의 가속이 불가능함) U.에서 빔의 입구() 및 출구(방출)에 사용되는 장치; 진공 챔버의 벽에 부딪히지 않고 입자의 장기간 이동을 보장하는 초점 장치; 가속된 입자의 궤적을 구부리는 자석; 가속된 빔의 위치와 구성을 연구하고 수정하는 장치. 미국의 특성에 따라 나열된 요소 중 하나 이상이 없을 수 있습니다.

방사선 목적으로 미국 보안은 보호벽과 천장(생물학적 보호)으로 둘러싸여 있습니다. 보호 재료의 두께와 선택은 가속된 빔의 에너지와 강도에 따라 달라집니다. 몇 가지 이상의 에너지를 가진 가속기. GeV는 일반적으로 안전상의 이유로 지하에 위치합니다.

장치의 원리에 따라 직접 작용하는 U.가 구별되거나 고전압 가속기(포스트에서의 가속도, 전기장), 유도 가속기(자기 유도가 변할 때 발생하는 와류 전기장의 가속) 및 가속 중에 고주파 전기 자기장이 사용되는 공명파. 필드. 매우 높은 에너지로 작용하는 모든 에너지는 후자 유형에 속합니다.

현대 도구는 두 가지 큰 클래스로 나뉩니다. 선형 가속기그리고 순환 가속기. 선형 파동에서는 가속된 입자의 궤적이 직선에 가깝습니다. 가속 스테이션은 이러한 U의 전체 길이를 따라 위치합니다. 가장 큰 작동 선형 U.(스탠포드의 전자 U.)는 길이가 1마일(3.05km)입니다. 선형파를 사용하면 강력한 입자 흐름을 얻을 수 있지만 에너지가 높으면 비용이 너무 많이 듭니다. 주기적으로 U. "리딩" 매거진. 필드는 가속된 입자의 궤적을 구부려 원으로 접습니다( 링 가속기또는 싱크로트론) 또는 나선( 사이클로트론, 파소트론, 베타트론그리고 마이크로트론)이러한 장치에는 가속 주기 동안 입자가 여러 번 되돌아오는 하나 이상의 가속 장치가 포함되어 있습니다.

일반적으로 호출되는 가벼운 입자(전자와 양전자)의 에너지 차이에 주목해야 합니다. 전자 에너지와 무거운 입자(양성자와 이온)의 에너지.

전자 가속기. 전자공학의 특징 두 가지 이유와 관련이 있습니다. 낮은 에너지(수 MeV)에서도 전자와 양전자의 속도는 빛의 속도와 거의 다르지 않으며 일반적으로 일정하다고 간주할 수 있으므로 에너지 비용이 크게 단순화되고 절감됩니다. 자기장. 장은 전기자석으로 인해 많은 에너지를 잃습니다. 방사능 ( 싱크로트론 방사선). 주기적으로 이러한 손실로 인해 빔의 크기가 커지거나(곡률 반경이 크면 싱크로트론 복사로 인한 손실이 감소함) 강력한 가속 스테이션이 필요하게 되어 빔 비용이 크게 증가하게 됩니다. 역할: 가속된 빔의 크기가 줄어들어 생성이 더 쉬워집니다. 드라이브, 실험을 수행할 수 있도록 허용 충돌하는 광선.

고리 전자파는 UV 또는 X선의 싱크로트론 방사선 소스로 사용됩니다. 범위. 높은 복사 밀도와 날카로운 초점으로 인해 순환합니다. U.는 el-magn의 독특한 공급원입니다. 표시된 범위의 파도. 방사선을 통한 전자의 큰 손실은 종종 선형 전자를 선호하게 만듭니다.

중입자 가속기(주로 양성자)는 전자와 매우 다릅니다. 현재 달성된 에너지에서 싱크로트론 방사선으로 인한 에너지 손실(~ \ TeV)는 실질적으로 없으며 높은 가속도를 유지하는 것은 일반적으로 수익성이 없습니다(가속 스테이션에 전력을 공급하는 데 소비되는 전력은 전계 강도의 제곱에 비례하고 가속도가 증가함에 따라 빠르게 증가하기 때문입니다). 눈에 띄는 싱크로트론 방사선이 없으면 프로세스에서 횡방향 입자의 진폭이 가속되고 주기가 상대적으로 느리게 감소하며(예: 입자 운동량의 제곱근) 특수한 장치가 없는 경우 이동의 안정성이 높아진다는 사실로 이어집니다. 상대적으로 약한 교란의 영향으로 인해 조치가 위반됩니다. 무거운 입자의 모든 고에너지 입자는 순환형에 속합니다. ^iv

90년대 밀도가 높은 전하 묶음이 점점 더 중요해지는 저장 및 카운터 링. 입자는 에너지를 바꾸지 않고 오랫동안 순환합니다. 이러한 고리는 서로를 향해 이동하는 입자(빔 붕괴) 사이의 반응을 수행하고, 자연에서 직접 발견되지 않는 이온과 입자(양전자 및 반양성자)를 축적하고, 싱크로트론 방사선을 생성하는 데 사용됩니다. 서로를 향해 움직이는 입자의 상호 작용 중에 가속 중에 전달되는 모든 에너지가 실현될 수 있는 반면, 가속된 입자와 정지 입자의 상호 작용 중에 대부분의 에너지는 입자의 질량 중심 이동과 관련됩니다 반응에 참여하지 않습니다.

역사적 참고자료. 미국의 발전은 1920년대에 시작되었습니다. 원자핵을 분열시키는 목표를 가지고 있었습니다. 다른 것보다 먼저 창조되었습니다 정전기 발생기[아르 자형. 반 데 그라프(R. Van de Graaf)] 및 캐스케이드 발전기[제이. Cockroft (J. Cockroft) 및 E. Walton (E. Walton)]은 U. 직접 행동 클래스에 속하며 첫 번째 순환입니다. 공명 U.- [E. 로렌스(E. Lawrence), 1921]. 1940년에 D. Kerst는 최초의 미국 유도 장치를 제작했습니다. 유형 - 베타트론.

40대 이론적 인 것이 나타났습니다. 가속된 입자의 운동 안정성을 연구한 연구입니다. 이주기의 첫 번째 작품에서 [V. I. Veksler와 Amer. 물리학자 E. McMillan]은 세로(위상) 운동의 안정성을 고려하여 원리를 공식화했습니다. 액상단계화. 그런 다음 입자-베타트론 진동의 횡방향 운동 이론을 만드는 작업이 나타났으며, 이로 인해 강한 (교대) 초점이 발견되었습니다 [N. 크리스토필로스(N. Christophilos), 1950; E. Curant, M. Livingston, H. Snyder, 1952] 이는 모든 현대의 기초가 됩니다. 대형 U.

고출력 HF 무선 기술의 급속한 발전. 제2차 세계대전(1939~45) 중에 발생한 장치를 통해 선형 고에너지 장치의 제작이 가능해졌습니다. 전자 선형 장치에서는 전력이 사용됩니다. 다이어프램으로 이동하는 데시미터파의 필드입니다. 양성자 도파관 - L. Alvarez(미터 범위)가 개발했으며 비행 튜브가 장착되어 있습니다. 처음에는. 그러한 U.의 일부는 U.에서 점점 더 많이 사용됩니다. 사중극자 고주파 포커싱(영어 지정 RFQ), 기본 생성. 이 역할은 V.V. Vladimirsky, I.M. Kapchinsky 및 V.A. Teplyakov가 담당했습니다.

건설 중에는 주기적입니다. 초전도 자석의 사용이 점점 더 늘어나고 있습니다. 시스템. 초전도 자석은 DC를 생성하기 위해 사이클로트론에 사용됩니다. 잡지. 필드와 양성자 싱크로트론- 천천히(몇 초에 걸쳐) 변화하는 자석을 생성합니다. 필드. 이것이 현존하는 가장 큰 양성자 싱크로트론인 미국 테바트론(Tevatron)이 작동하는 방식이다.

80년대까지 기초적인 입자 물리학의 발견은 양성자 싱크로트론에서 이루어졌습니다. 요즘에는 충돌 빔(충돌기)을 사용하는 전자-양전자 및 양성자-반양성자 고리 가속기에서 많은 흥미로운 결과를 얻습니다. 일반 U.에 비해 그러한 U.의 장점은 다음과 같습니다. 1) 생물. 상호작용 에너지의 증가(질량 시스템의 중심에서); 충돌하는 빔에서 항상 발생하는 초상대론적 사례에서 이 에너지는 다음과 같이 증가합니다. 빠른 입자가 충돌체까지 고정된 표적의 핵과 충돌할 때( 티-충돌하는 원자와 표적 원자의 질량, - 가속된 입자의 총 에너지); 2) 외부 반응으로 인한 배경의 급격한 감소. 기초적인 충돌체의 단점은 (동일한 시간 동안) 상호 작용 수가 크게(몇 자릿수로) 감소한다는 것입니다. 충돌하는 전자-양전자 빔을 사용하는 링 초음파 기술은 1961년에 숙달되었으며(이탈리아 프라스카티에 있는 2 x 250 MeV 에너지의 가속기) 전자빔 방법이 제안된 후에야 충돌하는 양성자 및 반양성자 빔을 사용하는 설치가 나타났습니다. (A. M. Budker, 1967) 그리고 [S. Van der Meer(S. Van der Meer), 1972] 무거운 입자의 냉각에 대해(참조. 빔 냉각충전 부품). 비전통적인 기술 개발에 점점 더 많은 관심이 집중되고 있습니다. 가속 방법: 집단적 방법, 레이저 필드의 비트에 따른 가속, 후류 필드의 가속 등 이 작업은 V. I. Veksler, A. M. Budker 및 Ya. B. Fainberg에 의해 시작되었습니다. 그러나 이러한 아이디어를 기반으로 한 시스템은 아직 만들어지지 않았습니다.

직접 가속기. 그런 U. 담당. 입자는 일정하거나 준일정한(시간이 지나도 변하지 않고 입자가 전체 에너지를 얻는 동안) 전기적으로 에너지를 증가시킵니다. 필드. 이 경우 입자에 의해 획득된 에너지는 입자의 전하에 통과한 전위차를 곱한 것과 같습니다. 직접 작용하는 초음파 시스템에서 입자가 달성할 수 있는 최대 에너지는 물리적인 고장 없이 생성될 수 있는 가장 큰 전위차(15-18MB)에 의해 결정됩니다. 설치. 실제로 사용되는 모든 직동 자석에서 가속 시스템의 마지막 전극은 접지 전위에 있습니다. 왜냐하면 이 경우에만 펄스에서 제거된 입자가 추가 이동 중에 획득된 에너지를 잃지 않기 때문입니다.

직접 작용 U.에는 정전기가 포함됩니다. 발전기, 캐스케이드 발전기 및 충전 가속기(또는 탠덤 U.). 이러한 장치의 가속된 입자는 단열재로 만들어진 파이프 내부와 이를 따라 이동합니다. 재료(일반적으로 도자기), 가속된 입자의 방해받지 않는 이동에 필요한 절단 내부에 진공이 생성되고 완전히 건조된 무산소 가스 혼합물(대부분 육불화황이 혼합된 질소)이 외부로 펌핑됩니다(높은 조건에서). 압력), 이는 전기의 발달을 방해합니다. 고장. 튜브 끝 부분에 위치한 전극 사이에 가속 전위차가 생성됩니다(그림 1). 전기 같은 튜브의 축을 따라 향하는 필드는 금속에 의해 수평을 이룹니다. 나눌 것입니다. 옴에 연결된 링. 전압 분배기.

ELECTROSTATIC U.에서는 절연 재료로 만들어진 빠르게 움직이는 테이프를 사용하여 고전압이 생성됩니다. 고무. 설비의 저전압 부분에서는 테이프에 전기가 공급됩니다. 요금. 이 전하는 금속 테이프 위로 흐릅니다. 특수 바늘로 충전되었습니다. 여러 대의 발전기 수십 kV. 움직이는 벨트는 중공 금속 내부에 있는 전압의 고전압 부분으로 전하를 전달합니다. 캡 그곳에서 동일한 바늘을 사용하여 테이프에서 전하가 제거되고 바늘에서 캡의 외부 표면으로 흐릅니다. 캡(및 이온 소스와 튜브의 고전압 전극을 포함하여 캡 내부에 포함된 모든 장비)의 전위는 전하가 공급됨에 따라 지속적으로 증가하고 항복에 의해서만 제한됩니다.

쌀. 1. 가속관의 개략도.

캐스케이드 발전기에서는 큰 전위차를 생성하기 위해 전압 증배 회로가 사용됩니다.

전진파에서는 음의 파동이 먼저 가속됩니다. 이온(추가 전자를 포함하는 원자)을 제거한 다음 두 개(또는 여러 개)의 전자를 제거한 후 제거 중에 형성된 전자를 넣습니다. 이온. 이러한 전압의 소스와 출력 장치는 모두 접지 전위에 위치하며, 스트리핑 장치가 장착된 고전압 전극은 중앙에 위치합니다. U. 충전식 U.의 일부를 사용하면 고장 없이 두 배의(더 깊은 스트리핑으로 더 높은) 에너지 값을 얻을 수 있습니다.

유도 가속기. 인덕션에 U.는 베타트론과 선형 인덕터를 소유하고 있습니다. 유.

쌀. 2. 베타트론의 도식적 부분: 1 - 자석 극; 2 - 환형 진공 챔버의 단면; 3 -핵심; 4 - 전자석 권선; 5 - 자석 요크.

베타트론 장치의 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 2. 가속된 입자(전자)는 환형 진공 챔버에서 이동합니다. 2 , 전자석의 틈에 위치함( 1 - 자석 극). 그들은 소용돌이 전기에 의해 가속됩니다. 자기장이 변할 때 여기되는 자기장. 가속된 입자의 궤도를 관통하는 흐름. 기초적인 이 흐름의 일부는 코어를 통과합니다. 3 , 중앙에 위치. 베타트론 부품. 권선 4 AC로 구동 전기 충격 자기 구성 베타트론의 자기장은 두 가지 조건, 즉 1) 자기장을 준수해야 합니다. 센터 유도. 궤도는 전자의 변화하는 에너지와 일치해야 합니다. 2) 자기 구성 진공 챔버의 자기장은 전자의 가로 이동의 안정성, 즉 안정성을 보장해야 합니다. 베타트론 진동(아래 참조). 챔버 위와 아래에는 고리 모양의 경사진 자석이 있습니다. 극은 이러한 안정성에 필요한 필드를 생성하여 주변으로 갈수록 감소합니다(그림 8, 비).

베타트론 가속 방법의 아이디어는 1922년 J. Slepian에 의해 표현되었으며 이론의 기초는 R. Wideroe에 의해 1948년에 개발되었습니다. 최초의 베타트론은 1940년에 제작되었습니다. 베타트론의 단순성과 신뢰성 덕분에 기술과 의학 분야에서 널리 사용되었습니다(에너지 범위 20-50MeV).

선형 유도 가속기, 전력선. 필드(강도 있음 이자형)은 가속기 축을 따라 향합니다. 전기 같은 자기장은 시간에 따라 변하는 자기장에 의해 유도됩니다. 서로 뒤에 위치한 링 페라이트 인덕터를 통과하는 흐름 1 (그림 3). Magn. 단일 회전 권선을 통과하는 짧은(수십 또는 수백 ns) 전류 펄스에 의해 흐름이 여기됩니다. 2 , 인덕터를 덮고 있습니다. 포커싱은 세로 자석에 의해 수행됩니다. 코일에 의해 생성되는 필드 3 인덕터 내부에 위치합니다. 선형 유도 전류를 사용하면 펄스로 기록적인(킬로암페어) 전류를 얻을 수 있습니다. 최대. 가장 강력한 U. - ATA (미국) - 10kA의 전류에서 전자를 43MeV의 에너지로 가속합니다. 전류 펄스의 지속 시간은 50ns입니다.


쌀. 3. 선형 유도 장치 다이어그램 액셀러레이터: 1 - 인덕터 코어; 2 -신나는 굴곡; 3 - 포커싱 코일.

공진 가속기. 공진 U.에서는 충전 에너지를 증가시킵니다. 입자는 HF 세로 전기를 사용합니다. 필드. 이러한 장에서의 가속은 두 가지 조건 중 하나가 충족되면 가능합니다. 가속된 입자는 전자석과 함께 움직여야 합니다. 파동(가속기와 진행파)에 대한 위치를 유지하거나 전기가 발생하는 순간에만 파동과 상호 작용해야 합니다. 자기장은 원하는(가속) 방향과 원하는 크기(실제로 공진 신호)를 갖습니다. 입자가 가속장과 상호작용하는 영역을 격차를 가속화하거나 격차를 가속화합니다. 경로의 나머지 부분에서는 입자가 RF 장의 작용을 경험하지 않습니다. RF 장의 작용은 단순히 RF 장에 없거나 입자가 스크린에 의해 보호되기 때문입니다.

진행파를 갖는 초음파가 주로 사용된다. 가벼운 입자(전자 및 양전자)를 가속합니다. 낮은 에너지에서도 속도는 와 거의 다릅니다. 위상 속도 el-magn. 진공 도파관의 파동은 항상 빛의 속도를 초과합니다. 천공 시스템으로 도파관을 로딩합니다. 다이어프램을 사용하면 파동 속도를 늦출 수 있지만 그다지 많지는 않습니다. 따라서 진행파가 있는 파동은 느린 입자를 가속하는 데 사용되지 않습니다.

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쌀. 4. Wideroe 가속기 장치의 다이어그램: 1 - 비행 튜브; 2-HF 발진 발생기; 3 - 격차 가속화;

선형 공진 가속기. 가장 간단한 공진 가속기는 V i de ro e(그림 4)입니다. 빔을 따라 배치된 금속. 비행 튜브는 RF 발생기의 극에 하나씩 연결됩니다. 가속 간격(반대로 대전된 비행관 사이의 간격)에서 종방향 전류가 생성됩니다. 수백 kV 정도의 전압을 갖는 HF 필드. 가속 간격에 적절한 시점에 접근하는 입자는 전기적으로 가속됩니다. 필드를 선택한 다음 다음 비행 튜브에 "숨깁니다". 그 길이와 입자의 속도는 서로 조화를 이루어 전기가 흐르는 순간에 입자가 다음 틈에 접근하도록 한다. 필드는 올바른 방향과 크기, 즉 이전 가속 간격과 동일한 위상을 갖습니다. 그러기 위해서는 조건을 만족해야 한다.


여기서 /는 튜브의 길이와 가속 간격입니다. - 빛의 속도 c의 분수로 표현되는 입자 속도; - 파장 엘마그나. 진동(공허함); 피- 임의의 정수. 따라서 가속된 빔은 적절한 전기적 조건에서 가속 간극을 통과한 일련의 입자 묶음(다발)으로 구성됩니다. 필드. 선형가속기의 구조를 개발할 때 비행관의 길이뿐만 아니라 가속 간격도 올바르게 선택하는 것이 중요합니다. 이러한 길이는 한편으로는 눈에 띄는 전압(수백 kV, 때로는 메가볼트)을 견딜 수 있을 만큼 커야 하고, 다른 한편으로는 HF 진동의 위상이 통과하는 동안 너무 많이 변하지 않도록 충분히 작아야 합니다. 입자의.

입자 속도가 증가함에 따라 Wideroe의 가속기는 효과가 없어지고 Alyaretz의 가속기에 자리를 내줍니다. 그 안에는 비행 튜브가 발전기에 연결되어 있지 않지만 긴 원통형 내부에 차례로 위치합니다. 전기자석이 여기되는 공진기. 변동. 기존 공진기에서와 같은 방식으로 비행관에서 멀리 떨어진 RF 장은 가속 간격의 축 근처에 집중됩니다. "가속 간격 - 비행 튜브 - 가속 간격" 등 요소의 레이아웃은 Wideroe 가속기와 동일하게 유지되지만 조건 (1)은 다음과 같은 형식을 취합니다.

선형 공진 증폭기는 충분히 빠른 입자가 주입되고 직접 작동 증폭기 또는 교번 고주파 포커싱이 있는 증폭기를 사용하여 사전 가속된 경우 효과적으로 작동합니다. - V

사이클로트론- 가장 단순하고 역사적으로 최초의 U. 순환. 유형(그림 5). 현대에서는 이해에 있어서 사이클로트론은 공진 순환이라고 불립니다. U., 시간이 지나도 변하지 않는 선두 자석으로 작동합니다. 필드와 가속 RF 필드의 포스트 주파수에서. 기존의 사이클로트론에서는 자기 필드는 방위각이고 반경에 거의 독립적입니다. 가속된 입자의 궤적은 풀리는 나선 형태를 갖습니다. 기존의 사이클로트론은 무거운 비상대론적 입자(양성자와 이온)를 가속하는 데 사용됩니다. 사이클로트론의 진공 챔버는 외부적으로 제한됩니다. 원통형 벽 곰팡이와 두 개의 평평한 수평 뚜껑. 기존 사이클로트론의 전자석 극은 챔버에 거의 균일한(주변으로 갈수록 약간 감소하는) 자기장을 생성합니다. 필드. 가속 간격은 챔버에 위치하고 서로 마주보는 두 개의 전극을 절단하여 형성되며, 속이 빈 반원통 모양입니다. 디는 1/4 파장 라인을 통해 고전압 발생기의 극에 연결됩니다.

쌀. 5. 사이클로트론의 회로도.

원을 그리며 움직이는 입자에는 구심력이 작용합니다. 로렌츠 힘 r이 궤적의 곡률 반경인 원심력과 동일하며, 제-입자 전하. 저것., 보다 편리한 단위로 이동하면 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.

어디 RS-입자 운동량의 곱 아르 자형빛의 속도로 와 함께- MeV, 자기 유도로 표현됩니다. 필드 안에테슬라 단위로 측정되고, r은 m 단위입니다.

기존 사이클로트론에서 얻을 수 있는 에너지의 한계 양성자의 경우 대략입니다. 20 MeV 및 가속 필드의 주파수 (에서 비 = 2T) - 약. 30MHz. 높은 에너지에서 가속된 입자는 측면 안정성에 필요한 감소로 인해 가속 전압과 동기화되지 않습니다. 안에중심에서 주변으로 그리고 상대론적 효과로 인해.

기존 사이클로트론은 동위원소를 생성하는 데 널리 사용되며, 최대 20MeV(또는 ~20MeV/핵자) 에너지를 갖는 양성자(또는 이온)가 필요한 다른 모든 경우에 사용됩니다. 더 높은 에너지(최대 수백 MeV)의 양성자가 필요한 경우 방위각 자기 변화가 있는 사이클로트론이 사용됩니다. 필드. 이러한 사이클로트론에서 횡방향 운동의 안정성은 자기장의 방위각 대칭을 포기함으로써 보장됩니다. 필드 및 구성 선택에 따라 가장자리는 주변을 향해 (평균) 자기 값이 증가하더라도 이동 안정성을 유지할 수 있습니다. 유도.

사이클로트론의 가속 과정은 지속적으로 발생합니다. 동시에 일부 입자는 이온 소스를 떠나고 다른 입자는 경로 중간에 있으며 다른 입자는 가속 과정을 완료합니다. 일반적인 내부 전류 사이클로트론의 빔은 약입니다. 1mA, 출력 빔 전류는 방출 효율과 출력 포일의 열 안정성에 따라 달라집니다. 일반적으로 여러 개에 달합니다. 수십 µA.

위상자. 파소트론에서는 자기 장은 시간에 따라 일정하며 원통형 특성이 보존됩니다. 대칭. Magn. 자기장은 주변으로 갈수록 감소하고, 입자의 회전 주파수는 에너지가 증가함에 따라 감소하며, 그에 따라 가속 장의 주파수도 감소합니다. 이 경우 가속된 입자의 에너지에 대한 제한은 사라지지만 가속된 빔의 강도는 몇 배나 급격하게 감소합니다. 가속 장의 주파수를 변경하면 가속 프로세스가 사이클로 나누어진다는 사실로 이어집니다. 이전 배치의 가속이 완료되고 주파수가 원래 값으로 돌아온 후에만 새로운 입자 배치가 페이소트론에 도입될 수 있습니다. . 페이소트론의 일반적인 작업 영역은 여러 곳입니다. 수백에서 수천 MeV. 에너지가 더 증가하면 자석의 크기가 너무 커지고 무게와 비용이 과도하게 증가합니다. 최근(90년대)에는 새로운 파소트론이 만들어지지 않았습니다. 최대 몇 가지 에너지의 경우. 수백 MeV, 방위각 자기 변화가 있는 사이클로트론이 사용됩니다. 필드 및 싱크로트론은 높은 에너지로 가속하는 데 사용됩니다.

싱크로트론모든 유형의 입자를 가속하는 데 사용됩니다. 싱크로트론 자체 - 전자용, 양성자 및 기타 이온용 싱크로트론(이전 이름은 싱크로파소트론입니다. 참조) 양성자 싱크로트론). 싱크로트론에서 입자가 가속되는 에너지는 전자의 경우 싱크로트론 방사선의 힘에 의해 제한되며 양성자와 이온의 경우에는 U의 크기와 비용에 의해서만 제한됩니다.

싱크로트론에서 입자가 회전하는 궤도는 가속 과정에서 일정하게 유지됩니다. 선도적인 잡지. 필드는 입자가 이동하는 환형 진공 챔버를 둘러싸는 좁은 경로를 따라서만 생성됩니다. (3)에서 알 수 있듯이 우편에서. 자기 반경 유도는 비례적으로 증가해야 합니다. 가속된 입자의 운동량. 일정한 궤도 길이에서 궤도 주파수는 운동량 f-loy와 관련됩니다.

빛의 속도로 움직이는 입자가 싱크로트론에서 순환하는 주파수는 어디에 있습니까? 가속 장의 주파수는 입자의 회전 주파수와 일치하거나 정수배만큼 초과할 수 있습니다(다중도라고 함). 따라서 전자 싱크로트론(항상 피>>엠씨) 가속 필드의 주파수는 일정하지만 자기 유도는 일정합니다. 필드가 늘어납니다. 양성자 싱크로트론에서는 가속 주기 동안 자기 유도가 증가합니다. 필드와 가속 전압의 주파수.

마이크로트론-주기적인 U. 게시물이 있습니다. 잡지. 전자의 나머지 에너지(0.511 MeV)와 동일한 회전당 에너지 증가분을 갖습니다. 전체 에너지 증가가 하나의 짧은 섹션에서 발생하면 단식 중에 발생합니다. 잡지. 필드에서 입자는 하나의 원형 궤도에서 다른 원형 궤도로 이동합니다. 이 모든 궤도는 가속 장치가 있는 지점에서 서로 접촉합니다. 그러한 전자의 전자 에너지는 몇 가지에 이릅니다. 수십 MeV.

가속기 크기. 가속기 단지. 선형파의 길이는 가속된 입자의 에너지와 가속도에 의해 결정되며, 고리가속기의 궤도 곡률반경은 입자의 에너지와 최대 가속도에 의해 결정된다. 선두 자석의 유도. 필드.

현대에서는 전자 선형 U에서 가속률은 10-20 MeV/m이고 양성자에서는 2.5-5 MeV/m입니다. 가속 속도의 증가는 두 가지 주요 요인에 직면합니다. 어려움: 공진기 벽의 저항 손실 증가 및 전기적 위험. 고장. 저항 손실을 줄이기 위해 초전도 공진기를 사용할 수 있습니다(이러한 공진기는 이미 작동하기 시작했습니다). 고장을 방지하기 위해 전기 배전은 조심스럽게 수평을 유지합니다. 국지적 불균일성을 피하면서 공진기의 필드. 양성자 선형파의 가속도 속도는 시간이 지남에 따라 몇 배로 증가할 수 있습니다.

순환 자석의 크기는 선두 자석의 유도와 관련이 있습니다. f-loy 필드 (3). 단일 전하 입자의 가속도와 링 평균 값 Tl (에 해당 이 기능은 (중). 이에 따라 1TeV 파동의 둘레는 ~20km가 되어야 합니다. 방사선으로부터 보호하기 위해 이러한 장치는 지하에 건설됩니다. 고에너지 시스템의 엄청난 규모로 인해 수십억 달러에 달하는 자본 비용이 발생합니다.

주어진 추정치는 U., mag에 유효합니다. 블록에는 철 멍에가 들어 있습니다. 증가하다 비 1.8T 이상의 최대치는 철의 포화로 인해 불가능한 것으로 밝혀졌지만 이는 초전도 마그네슘으로 전환하여 수행할 수 있습니다. 시스템. 첫 번째 U.인 Tevatron은 이미 실험실에서 일하고 있습니다. 미국의 페르미. Magn. 4K의 온도에서 구리 매트릭스에 NbTi 코어가 있는 케이블로 감긴 블록의 필드는 5-5.5T로 높일 수 있으며, 온도가 1.8K로 떨어지거나 NbSn으로 전환할 때 최대 8-10T까지 높일 수 있습니다. . (NbSn 합금은 취약성 때문에 가속기 제조에 사용되지 않습니다.) 온도를 더 낮추면 더 높은 등급으로 이동할 수 있습니다. 분야이지만 경제적으로 수익성이 없습니다. 초저온 장비의 크기는 감소하고 있지만, 고가이고 에너지 집약적인 초저온 장비의 양은 증가하고 있습니다.

최소 허용 값은 덜 엄격하게 정의됩니다. 안에. 미국에서는 철멍에를 메고 비 min은 (6-10)보다 작아서는 안됩니다. 10~3T, 낮은 자기장에서는 전체 자기장에 대한 기여도가 너무 크기 때문입니다. 유도가 잔류 자기를 도입하기 시작합니다. 일반적으로 공간적 분포가 좋지 않은 필드입니다. 태도 비최대/ 비최소이므로 기존 자석을 사용하는 자석에서 방출된 입자와 주입된 입자의 충격 비율은 200-300을 초과할 수 없습니다. 초전도 자석에서 시스템에서는 공간의 작은 필드 때문에 이 범위가 훨씬 더 작은 것으로 나타났습니다. 자기 분포 유도는 초전도 도체의 와전류에 크게 영향을 받습니다. 이러한 제한은 모든 주요 제한이 가속화된다는 사실로 이어지는 이유 중 하나입니다. 단지에는 여러 개가 포함되어 있습니다. 순차적으로 작동하는 U.: 선형 U. - 인젝터, 하나 또는 여러 개. 중간 U.- 부스터, 드디어 메인 U.가 충전을 마쳤습니다. 에너지를 제한하는 입자, 그리고 저장 링일 수도 있습니다. 계획의 속도가 빨라질 것입니다. CERN 복합체의 모습은 그림 1에 나와 있습니다. 6.

이 단지의 건설과 운영은 유럽 연방이 수행하고 자금을 조달합니다. 나이브. 복합체의 일부인 U.는 저장 충돌 전자-양전자 링 LEP로, 전자 및 양전자 빔을 45GeV의 에너지로 가속합니다. U.는 깊은 지하 터널에 위치하고 있으며 둘레는 27km입니다. 90년대 이 터널에서요. 양성자와 반양성자를 7TeV의 에너지로 가속한 후 이온을 가속하도록 설계된 대형 초전도 강입자 충돌기 LHC(Large Hadron Collider)를 구축할 계획입니다.


쌀. 6. CERN 가속기 단지의 다이어그램 (스위스).

LHC에 주입하기 위해 SPS(Super Proton 싱크로트론) 가속기가 사용되며 출력에서 ​​양성자는 ~450 GeV의 에너지를 갖습니다. 이 가속기의 둘레는 6.9km, 지하 40m 깊이에 위치합니다. SPS는 PS 양성자 싱크로트론으로부터 무거운 입자를 수신하고, PS 양성자 싱크로트론은 Isolde 부스터로부터 양성자와 이온을 받고, 전자와 양전자를 받습니다. EPA 부스터.

러시아에서는 가장 양성자(및 이온) U.(70 GeV)는 Protvino(모스크바 지역 Serpukhov 근처)에서 운영됩니다. 그의 밑에서 둘레 21km의 가속기 및 저장 센터 (AC) 건설이 시작되었습니다. 양성자와 반양성자를 3TeV의 에너지로 가속하도록 설계되었습니다. 국제핵연구소(JINR, 모스크바 지역 두브나)는 양성자를 9 GeV까지 가속하는 양성자 싱크로트론, 페이소트론, 이온을 6 GeV/핵자 에너지까지 가속하는 초전도 이온 초음파 핵전자를 운영하고 있습니다.

이론연구소에서는 그리고 실험해 보세요. 물리학(ITEP, 모스크바) 양성자 싱크로트론은 양성자를 9 GeV의 에너지로 가속합니다.

위상 변동. 이미 언급한 바와 같이, 공명파에서는 가속된 입자 빔이 자발적으로 다발로 분할됩니다. 센터. 다발의 입자는 가속 RF 전압의 위상이 원하는 값을 갖는 순간에 다시 가속 갭(주기 제어) 또는 다음 가속 갭(선형 제어)에 접근합니다. 이러한 입자를 호출합니다. 무게가 똑같습니다. 박사. 가속 과정에서 혈전 입자는 평형 값을 중심으로 진동하며 때로는 그보다 앞서거나 때로는 뒤에서 진동합니다. 이러한 진동을 호출합니다. 단계. 이는 평형 입자의 에너지 및 운동량에 비해 가속된 입자의 에너지 및 운동량의 변동을 동반합니다.

선형 Y의 위상 운동을 고려해 보겠습니다. 단순화를 위해 가속 간격이 너무 짧아 입자가 거의 즉시 통과한다고 가정하겠습니다. 특정 입자가 평형 입자보다 늦게 간격에 접근하도록 합니다. 따라잡기 시작하려면 간격을 통과할 때 더 많은 에너지를 받아야 합니다. 반대로, 평형 상태보다 먼저 간격에 도달하는 입자는 더 적은 에너지를 받아야 합니다.

그림에서. 7 정현파 곡선은 시간에 따른 전압 변화를 나타냅니다. 이자형 HF 필드를 가속화합니다. 점선은 장력을 표시하며, 평형 입자가 통과하는 순간에 가장자리가 존재해야 다음 시간 간격에 접근할 수 있습니다. 각 변경 기간마다 이자형 두 가지 점이 있습니다. 와 함께그리고 디. 그러나 C 지점에서만 운동이 안정적이라는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 이 지점에서만 자기장 강도가 나중에 증가하고 초기에는 감소합니다.

쌀. 7. 자동 위상화의 원리를 논의하기 위해.

입자의 종 방향 운동에 대한 자세한 분석은 HF 진동의 충분한 진폭으로 항상 안정적인 위상 운동 영역이 있음을 보여줍니다. 이 경우 C 지점 주변에 위치한 영역입니다. 이 진술을 호출합니다. 원칙 자동 위상화.

순환 가속에서는 입자의 속도는 에너지에 따라 달라질 뿐만 아니라 이전 가속 간격에서 다음 가속 간격(여러 개가 있는 경우)까지 이동하는 경로의 길이와 궤적의 둘레에도 영향을 받습니다. . 계수를 소개하겠습니다. 궤도 연장.


어디 엘- 궤도 둘레, 아르 자형-입자 운동량. 입자가 우주를 순환하는 데 소요되는 시간의 변화는 입자의 운동량에 따라 달라지며 f-loy로 설명됩니다.


여기서 입자의 g-로렌츠 인자는 선형 방정식에서 a = 0이고 점은 안정적입니다. 와 함께. 순환 U에서 C점은 안정적이고 점 디. 이 점들이 장소를 바꾸는 에너지는 다음 관계에 해당합니다.

그리고 전화했다 임계 에너지(영문학 - 전이 에너지). 이 시점에서 가속 전압 위상은 한 "동기 지점"에서 다른 "동기 지점"으로 전송되어야 합니다. 크리티컬에 가까워지면 위상 진동 주파수의 에너지(순환파에서는 종종 방사형 위상이라고 함)가 감소하고 덩어리의 위상 크기가 급격히 감소하며 임펄스(및 에너지)에서 입자의 산란이 증가합니다. 비판적 전환의 순간. 에너지, 분해의 영향력이 증가합니다. 불안정의 종류. U.의 디자인 특징에 따라 - a의 가치가 중요합니다. 에너지는 작동 에너지 범위 내에 있거나 외부에 있을 수 있습니다.

측면 안정성 문제. 베타트론 진동. 가속 시간 동안 대형 링 순환계의 입자는 수십만 또는 수백만 km의 거리를 이동합니다. 축적된 시스템에서 이 경로는 여전히 여러 개입니다. 수십 배 더 많고 작은 우크라이나에서는 몇 배 더 많습니다. 크기는 훨씬 작지만 진공 챔버의 직경에 비해 항상 매우 크며 절단의 가로 치수는 일반적으로 수십 cm를 초과하지 않으며 입자가 챔버 벽과 충돌하면 손실이 발생합니다. 따라서 신중하게 계산되고 실행되는 포커싱 시스템을 통해서만 가속이 가능합니다.

가속된 입자의 에너지 값(위상 진동의 안정성 영역)에서 고리 진동에는 닫힌(안정적인) 궤도가 있습니다. 대기의 진공 챔버에 있는 입자는 이 궤도 근처로 이동하여 베타트론 진동이러한 진동의 주파수는 위상 진동의 주파수를 크게 초과하므로 베타트론 진동을 연구할 때 가속된 입자의 에너지와 닫힌 궤도의 위치는 일정한 것으로 간주될 수 있습니다.

이론적인 베타트론 진동을 고려할 때 그들은 일반적으로 "위상 평면"에서 가속된 입자가 차지하는 영역을 연구합니다( 아르, 아르)와 (z, 피 z), 여기서 아르 자형그리고 지- 입자의 수평 및 수직 좌표( r = R - R 0, 여기서 아르 자형-입자 반경, 아르 자형 0 - 평형 궤적 반경), a 홍보그리고 피지- 충동의 해당 구성 요소. 방해받지 않는 움직임의 경우 이러한 영역은 타원 모양을 갖습니다. 에 따르면 리우빌의 정리, 이동 중에는 면적 값이 변경되지 않습니다. 가속 과정에서 입자는 수많은 선을 교차합니다. 자기 불균일성 그리고 전기 필드. 이 경우 위상 공간에서 빔이 차지하는 영역은 복잡한 모양을 얻을 수 있으므로 eff. 영역의 크기(설명된 타원의 영역)가 증가합니다. 신중하게 조정된 U.에서는 그러한 증가가 발생하지 않습니다. 수평 이동과 수직 이동 사이에 연결이 있는 경우 표시된 각 영역이 보존되지 않고 4차원 공간에서 빔이 차지하는 부피( 아르 자형, z, p r , p z).

현실적인 관심 있는 영역은 일반적으로 위상 평면이 아닌 평면( 아르 자형, q 아르 자형), (지, q 지) 여기서 q 아르 자형그리고 q 지-평형 궤도에 대한 접선과 입자의 속도에 의해 만들어진 각도. 이러한 영역을 수평(또는 방사형) 및 수직(또는 축) m) 방출량빔 전자 아르 자형그리고 전자 지. 임펄스에서 각도로의 전환은 공식에 의해 제공됩니다

어디 아르 자형- 총 충격량과 실질적으로 일치하는 충격량의 종 방향 구성 요소; 아르 자형 0 = ts. Liouville의 정리에 따르면 운동의 적분은 양입니다. 피이자형 아르 자형그리고 피이자형 지또는 각각 bge 아르 자형그리고 bge 지, 이는 호출됩니다. 정규화된 방사체.

위에서부터 가속 중에 정규화된 방출량은 변경되지 않고 일반적인 방출량은 e라는 것이 분명합니다. 아르 자형그리고 전자 지 1/bg로 감소합니다. 따라서 빔의 가로 치수가 감소합니다.

모든 U.의 가장 중요한 특징은 a x e p t a n s - Most입니다. U.가 손실 없이 전송하는 방출량. 가속된 빔의 높은 강도는 충분히 큰 수용력을 갖는 UV에서만 달성될 수 있습니다.

진공 챔버의 주어진 치수에 대해 허용 V.는 최대값에 비례합니다. 각도는 평형 궤도를 갖는 입자의 궤적이 될 수 있으므로 베타트론 진동의 파장에 반비례합니다. 가속기의 수직 및 수평 수용은 즉, 회전당 베타트론 진동 수에 비례합니다. 질문그리고 큐따라서 z는 증가하는 것이 바람직합니다. 기존의 모든 U. 질문그리고 큐 z는 서로 가깝습니다. 둘 다 1보다 작으면 포커스가 호출됩니다. 약함(부드러움), 1보다 크면 강함(단단함)입니다.

모든 정수 및 반정수 값 질문그리고 큐 z는 금지되어 있습니다. 전체로 큐입자가 자석으로 돌아갑니다. 베타트론 진동의 동일한 위상에 있는 요소에서는 장 오류의 영향이 합산되고 진동의 공진 축적이 발생합니다(외부 공명). 정수 값 주위에는 금지된 주파수 영역이 있으며, 예를 들어 진동의 증가는 크기가 제한되어 있지만 허용할 수 없을 정도로 큰 것으로 나타납니다. 진공 챔버의 크기를 초과합니다.

반정수 값 질문그리고 큐 z는 파라메트릭 공진(자기 기울기의 불규칙성으로 인해 발생하는 진동의 공진 축적)의 발생으로 인해 금지됩니다. 필드. 일부 환경, 특히 누산기에서는 더 높은 차수가 분명하게 나타납니다.

주기적으로 가로 자석은 입자를 집중시키는 데 사용됩니다. 필드. 균일한 선두 필드에는 수평 초점만 있고 수직 초점은 없습니다( 큐 z = 0) 이 결과는 입자가 균질한(수직) 자기장에서 움직일 때를 주목하면 이해하기 쉽습니다. 필드 ( 브 = 0, B z = const) 로렌츠 힘에는 z 구성 요소가 없으며 입자는 초기 값을 유지합니다. 축 속도. 축 포커싱에 필요한 힘은 방사형 자기 구성 요소가 있는 경우에만 발생합니다. 필드.

자기 구성 필드는 폴 조각의 모양에 따라 다릅니다. 그림에서. 8 ( ㅏ) 및 8( 비)는 (축을 중심으로) 회전 모양의 기둥 조각을 묘사합니다. 지). 그림에서. 8 ( ㅏ) 평평한 극이 묘사되어 균일한 수직 필드를 생성합니다. 이러한 필드는 축 초점을 생성하지 않습니다. 그림에서. 8 ( 비)는 극 사이에서 발생하여 주변쪽으로 확장되는 간격을 만드는 필드의 그림을 묘사합니다. 이 경우 로렌츠 힘은 포커싱(중앙 평면으로 돌아가는) 축 성분을 획득합니다. 그러나 축 포커싱의 출현은 방사형 포커싱의 약화를 동반합니다. 주변으로 벗어난 입자는 더 약한 필드에 떨어지기 때문에 평형 궤적으로 더 천천히 돌아옵니다.


쌀. 8. ㅏ- 균일한 자기장에서의 자기력; 비- 주변으로 갈수록 감소하는 자기장의 자기력.

선형파에서는 초점 문제도 중요하지만 고리파만큼 중요하지는 않습니다. 선형파에서 입자의 경로 길이는 작고 가속된 입자는 이미 통과한 장 교란으로 돌아오지 않습니다.

순환 U., mag. 방위각 대칭을 갖는 시스템에서는 다음 공식이 유효합니다.

방사형의 동시 안정성 그리고 축 이 경우 베타트론 진동은 초점이 약한 경우에만 가능합니다(참조: 가속기에서 입자 집중시키기).강한 초점을 사용하면 z에 초점이 맞춰지고 초점이 흐려지는 영역 아르 자형, 수평을 따라 초점을 맞추고 수직 좌표를 따라 초점이 흐려지는 영역으로 대체됩니다. 순차적인 경우 그러한 영역의 위치와 자기 경사도의 올바른 선택. 자기장과 자석의 기하학적 구조에 따라 시스템 전체가 초점을 맞추고 있으며 베타트론 주파수의 결과 값은 모두 1을 크게 초과할 수 있습니다.

사중극자 자석은 초점이 강한 초음파 시스템에 사용됩니다. 아니면 전기 (가속된 입자의 낮은 에너지에서) 필드. 그림에서. 9 ( ㅏ) 사중극자 자기장이 묘사됩니다. 수직 방향(z축을 따라)으로 포커싱을 생성하고 반경을 따라 디포커싱을 생성하는 렌즈 아르 자형잡지. 필드. 진공 챔버는 극 사이의 렌즈 축을 따라 위치합니다(그림에는 표시되지 않음). 양전하를 띤 입자는 판독기를 향해 "날아갑니다". 이러한 4개의 입자와 이에 작용하는 로렌츠 힘은 점과 화살표로 표시됩니다. 반경을 따라 초점을 맞추는 경우(반경을 따라 초점을 흐리게 하는 경우) 지) 자기 렌즈 극 N그리고 에스장소를 바꾸십시오. 링 자석에서 선두 자석을 생성하는 자석입니다. 필드는 렌즈 사이에 위치합니다. 그들은 z 축을 따라 향하는 균일한 자기장을 생성합니다. 필드. 일부 자석에는 기능이 결합된 자석이 사용됩니다. 그들의 잡지. 필드에는 쌍극자(선행 필드)와 사중극자 구성 요소가 모두 포함되어 있습니다(그림 9, 비).


Rx. 9. ㅏ- 사중극 자기 렌즈; 비- 복합기능을 갖춘 자석블록.

선형 렌즈의 가로 포커싱을 위해 전기 자석을 사용해 볼 수 있습니다. 입자를 가속시키는 파동. 그러나 일반파에서는 이자형안정된 위상 운동에 해당하는 유형의 점은 횡방향 진동에 대해 불안정한 것으로 나타나고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이 어려움을 해결하려면 교대 위상 포커싱(포인트 와 함께그리고 디그림에서 7 연속적으로 서로 교체) 또는 전기의 방위각 대칭을 포기합니다. 공진기의 필드(사중극자 HF 포커싱). 그러나 대부분의 경우 특수 장치로 생성된 사중극자 필드가 가로 초점 조정에 사용됩니다. 잡지. 렌즈. 80년대 이후 그러한 렌즈를 만드는 데 게시가 사용되기 시작했습니다. 자석(SmCo 합금).

강도 관련 효과. 빔이 외부와 상호작용할 때 발생하는 공명 외에도 높은 빔 강도에서는 분해가 중요한 역할을 하기 시작합니다. 빔 입자의 상호 작용, 진공 챔버 요소 및 가속 시스템의 상호 작용, 빔이 충돌하는 방사선의 경우 빔이 서로에 미치는 영향과 관련된 불안정성 유형. 나이브. 이러한 효과 중 가장 간단한 것은 베타트론 진동 주파수의 쿨롱 이동입니다. 전기 같은 빔 필드는 외부 입자를 주변으로 밀어내고 무리의 중앙 입자에는 작용하지 않습니다. 결과적으로, 빔에 있는 입자의 베타트론 진동 주파수는 빔 무게 중심의 진동 주파수와 달라지기 시작합니다. 이 차이가 가장 가까운 금지 값 사이의 거리를 초과하는 경우 큐, 빔을 조정하면 빔의 일부가 필연적으로 손실됩니다. Elektrosta-tich. 입자의 반발력은 빔의 위상 진동에도 영향을 줍니다(특히 "음의 질량" 효과로 이어집니다).

가속된 입자 빔은 정전기력과 상호 작용합니다. 진공 챔버 및 그 안에 있는 물체(가속 스테이션의 공진기, 측정 장치의 센서, 진공 시스템의 부품 및 입력 등)의 이미지. 이 경우 각 입자에 작용하는 힘은 비례합니다. 평형 궤적 및 선형 밀도에 대한 챔버의 빔 이동. 이러한 상호 작용의 결과로 전기 자석이 발생합니다. 나중에 통과하는 입자("머리-머리" 효과)에 작용하는 필드와 이러한 입자가 여기 영역으로 돌아올 때 필드의 출현을 유발하는 입자 자체에 작용하는 필드입니다. 이러한 상호 작용으로 인해 빔 안정성이 손실되는 여러 가지 효과가 발생합니다. 이미 언급한 "헤드-테일" 효과 외에도 저항성 비안정성(카메라를 따라 흐르는 빔의 전기 이미지와의 상호 작용, 챔버 벽의 유한 전도성으로 인해 위상이 지연됨), 마이크로파 불안정성( 고주파수에서 여기될 수 있는 물체와의 상호작용) 등

충돌 빔 가속기(충돌기). 충돌 행위에서 새로운 입자가 생성되면 생성된 입자의 나머지 에너지와 같거나 그보다 큰 에너지가 방출되어야 합니다. 수백 MeV, 때로는 수십 GeV. 이렇게 큰 에너지 방출로 인해 화학물질만이 그 중요성을 잃는 것은 아닙니다. 표적을 구성하는 입자의 연결뿐만 아니라 핵 내 핵자의 연결도 충돌이 발생하여 단일 핵자 또는 핵자를 구성하는 단일 핵자와 충돌이 발생합니다. T.n. 누적 프로세스, 이는 동시라고 간주될 수 있습니다. 가속된 입자가 두 개 이상 충돌하는 현상. 핵자는 과학적으로 흥미롭지만 높은 에너지에서는 극히 드물게 관찰됩니다.

위에서 언급한 바와 같이, 입자가 충돌기에서 충돌할 때 가속 중에 얻은 모든 에너지가 실현될 수 있는 반면, 빠른 양성자가 고정된 표적의 핵과 충돌할 때는 이 에너지의 일부만 사용됩니다. 그래서 생성하려면 제이/y-meson, 양성자의 에너지는 나머지 에너지보다 3.7배 높아야 합니다. 제이/y-중간자, Z 0 보존을 생성하려면 50배 초과의 에너지가 필요합니다. 따라서 고정된 목표물에 무거운 입자를 생성하는 것은 재앙적으로 수익성이 없는 것으로 판명되었으며 충돌기로 이동해야 합니다. 충돌기에서 입자는 하나의 링(입자 및 반입자) 또는 두 개의 교차 링에서 서로를 향해 이동할 수 있습니다.

축적된 작업 기술 카운터 빔이 움직이는 링은 매우 복잡합니다. 광선의 극도의 희박성으로 인해 단위 시간당 발생하는 핵반응 횟수는 고정된 표적에 비해 수천 배 적습니다. 충돌체의 효율성은 일반적으로 다음과 같은 특징을 갖습니다. 밝기,티. 즉, eff에 곱해야 하는 숫자입니다. 단위 시간당 그러한 반응의 수를 얻기 위해 연구되는 반응의 단면적. 광도 비례 충돌하는 광선의 강도와 역비례의 곱입니다. 보의 단면적(동일한 경우) 따라서 충돌하는 광선은 많은 입자를 포함해야 하며 위상 공간에서 작은 부피를 차지해야 합니다. 싱크로트론 방사선으로 인한 전자 및 양전자 빔의 위상 부피 냉각은 위에서 논의되었습니다. 동시에, 양성자 빔의 위상 부피는 단 1만큼 가속됨에 따라 감소합니다. /아르 자형, 즉 완전히 부족합니다. 그리고 반양성자 빔이 차지하는 부피는 생성 중에 이미 매우 큰 것으로 밝혀졌으며 반양성자는 높은 에너지(수 GeV)에서 형성되기 때문에 조금 후에 감소합니다. 따라서 충돌 전에 반양성자 빔이 축적되어 냉각되어야 합니다. 즉, 위상 공간에서 압축되어야 합니다.

무거운 입자(양성자, 반양성자, 이온) 빔을 냉각하는 방법에는 전자식과 확률론적 두 가지 방법이 있습니다. 전자 냉각은 냉각된 입자와 함께 특정 공통 영역에서 비행하고 동일한 평균을 갖는 "차가운" 전자 빔과 냉각된 빔의 상호 작용 중에 발생합니다. 속도. (빔의 온도는 빔과 함께 움직이는 좌표계에서 측정된 입자의 평균 에너지입니다.)

확률론적 냉각은 동시에 냉각되는 입자의 수가 그리 많지 않다는 사실에 기초합니다. 빔의 좌표를 측정하는 장치 내부에 입자가 하나만 있는 경우 센서로 편차를 측정한 다음 교정기로 수정할 수 있습니다. 그가 내부에서 그것을 측정한다면. 장치는 여러 가지가 될 것입니다. 입자가 감지되면 센서가 전기적 위치에 반응합니다. 무게 중심이 조정되고 수정이 이루어지지 않지만 진동 감쇠( N장치의 입자는 하나로 조정되지만 N매개변수). 확률론적 냉각은 점진적으로 이루어지며 많은 회전이 필요합니다.

전자 냉각은 낮은 빔 에너지에서 더 효과적인 것으로 밝혀진 반면, 확률론적 냉각은 너무 많지 않은 입자 수에서 더 효과적인 것으로 밝혀졌습니다.

가속기 개발 전망. 개발, 건설 단계에 있거나 이미 운영에 들어간 대형 가속기 프로젝트 중 다음을 나열 할 수 있습니다.

러시아(모스크바 지역 트로이츠크)에서는 평균 600MeV의 에너지를 생산하는 "중간자 공장" 건설이 완료되고 있습니다. 현재 70μA. 1993년에 이미 430MeV의 에너지를 가진 빔을 생산했습니다. 동위원소 생산을 위해 평균 160MeV의 에너지를 갖는 양성자 빔이 사용됩니다. 현재 100μA. Pro-tvino에서는 양성자를 3TeV까지 가속하도록 설계된 가속기-저장 복합체(UNC) 건설이 진행 중입니다. UNK는 둘레가 21km인 지하 터널에 위치해 있습니다. 펄스의 입자 강도는 5로 예상됩니다. 10 12 .

독일 연방 공화국(함부르크)에서는 양성자(820 GeV)와 전자 및 양전자(30 GeV)의 상호 작용을 연구하기 위해 설계된 충돌 빔 초음파(HERA)가 가동되었습니다. 디자인 광도 ~2 . 10 31cm -2. 초 -1 . 양성자 싱크로트론에는 초전도 자석이 포함되어 있고 전자 싱크로트론에는 일반 자석이 포함되어 있습니다 (싱크로트론 방사선으로 인한 손실이 증가하지 않도록). 다양한 국가의 37개 연구소가 이 시설을 갖추고 작업하는 데 참여하고 있습니다.

독일에서는 250x250 GeV(첫 번째 옵션) 또는 500 x 500 GeV(두 번째 옵션)의 입자 에너지를 사용하는 DESY 선형 충돌기 프로젝트도 개발 중입니다. CERN(스위스)에서는 링 전자-양전자 에너지원(LEP) 터널에서 중입자용 LHC(Large Hadron Collider) 충돌기 건설이 시작됩니다. 양성자(2x7 TeV), 양성자와 전자, 양성자와 이온(납 포함, 1148 TeV)의 충돌을 연구하는 것이 가능해집니다.

중이온의 가속은 Nuclotron(Dubna, Russia)에서 수행될 수 있습니다. 1977년 이후 Dubna의 양성자 싱크로트론에서 분해가 가속화되었습니다. 최대 탄소 이온(4.2 GeV/핵자, 1992년부터 6 GeV/핵자).

Saclay(프랑스)의 미국 "Saturn"에서 이온은 아르곤(최대 1.15 GeV/핵자)까지 가속됩니다. SPS 가속기(CERN)를 사용하면 산소 및 황 이온을 최대 200 GeV/핵자까지 가속할 수 있습니다.

미국에서는 프로젝트가 개발되었습니다. 2 x 20 TeV의 에너지를 가진 대형 초전도 슈퍼 충돌기(SSC). 이 가속기의 건설은 연기되었습니다.

Int. 액셀러레이터 위원회는 더 큰 프로젝트를 고려하고 있으며, 이를 구현하려면 선진국의 공동 노력이 필요합니다. 그러한 미국의 구체적인 프로젝트는 아직 결정되지 않았습니다. 진행 중이고 개발된 모든 프로젝트는 잘 알려져 있고 입증된 원칙을 기반으로 합니다. 위에서 논의한 새로운 가속화 방법은 성공할 경우 이러한 계획을 완전히 변경할 수 있습니다.

가속기의 적용. 과학적 교육 외에도 실습 교육도 제공합니다. 애플리케이션. 따라서 선형 컨트롤을 사용하여 생성합니다. 중성자 발생기방사선에 대한 재료 시험, 핵연료 생성을 위한 전자핵 방법, 제어된 관성 열핵 융합을 위한 무거운 저전하 이온 가속 등이 활발히 논의되고 있습니다. 미국 로마린다(Loma Linda)에는 전문시설 건립이 완료되고 있다. 방사선 치료를 위한 양성자 싱크로트론과 복합체. 러시아에서도 비슷한 프로젝트가 고려되고 있습니다.

문학.: Kolomensky A. A., Lebedev A. N., 순환 가속기 이론, M., 1962; Waldner O. A., Vlasov A. D., Shalnov A. V., 선형 가속기, M., 1969; Brook G., 하전 입자의 순환 가속기, trans. 프랑스어, M., 1970; Komar E.G., 가속기 기술의 기초, M., 1975; 선형 이온 가속기, 에디션. B. P. 무리나(B. P. Murina), 1-2권, M., 1978; Bakhrushin Yu.P., Anatsky A.I., 선형 유도 가속기, M., 1978; Lebedev A. N., Shalnov A. V., 물리학 기초 및 가속기 기술, vol.3, M., 1981; Moskalev V. A., Betatrons, M., 1981; Kapchinsky I.M., 선형 공진 가속기 이론, M., 1982. L. L. 골딘.

규율에 따라

"현대 자연과학의 개념"

"라는 주제에 입자가속기"


1. 소개................................................................................................................3

2. 현대의 하전입자가속기..........................................4

3. 소립자 연구를 위한 과학센터................................................7

4. 순환가속기..........................................................................................15

5. 박자 위의 레이저 가속기 ..............................................................................16

6. 결론..........................................................................................................20

7. 참고문헌 목록.......................................................................21


소개

현재 하전입자 가속기는 수십 keV(10 3 eV)에서 수 TeV(10 12eV). 기술적으로 이러한 가속기는 동위원소를 생성하고, 재료 표면을 강화하고, 새로운 재료를 생성하고, 전자기 방사선 소스(마이크로파에서 X선 ​​방사선까지)를 생성하는 데 사용되며 의학 등에서 널리 사용됩니다. 그러나 이전과 마찬가지로 가속기의 주요 응용 분야에는 핵물리학과 고에너지 물리학이 포함됩니다. 현대의 하전입자 가속기는 물질, 에너지, 공간 및 시간을 연구하는 물리학자들에게 주요 정보원입니다. 오늘날 알려진 대부분의 기본 입자는 지구에서 자연적으로 발견되지 않으며 가속기에서 생성됩니다. 가속기 기술 개발의 주요 동기이자 주로 하전 입자가 가속될 수 있는 에너지를 증가시키는 것은 기본 입자 물리학의 요구 사항입니다.

현대의 하전입자 가속기.

현대 고에너지 물리학에서는 두 가지 유형의 가속기 설치가 사용됩니다. 가속기 실험의 전통적인 방식은 다음과 같습니다. 하전된 입자 빔이 가능한 최대 에너지까지 가속된 다음 많은 기본 입자가 생성된 입자와 충돌하여 정지된 목표를 향합니다. 신흥 입자의 매개변수 측정은 현대 소립자 이론을 테스트(또는 생성)하는 데 필요한 풍부한 실험 정보를 제공합니다. 반응의 효율은 질량 중심 시스템의 표적과 충돌하는 입자의 에너지에 의해 결정됩니다. 상대성 이론에 따르면 정지된 목표와 충돌하는 입자의 동일한 정지 질량을 갖는 반응 에너지는 다음과 같습니다.

여기서 E는 표적에 입사하는 입자의 에너지이고, m 0은 질량, c는 빛의 속도입니다. 따라서 1000GeV의 에너지로 가속된 양성자가 정지된 목표물과 충돌할 때, 새로운 입자의 탄생에는 42GeV의 에너지만이 소모되고, 대부분의 에너지는 생성된 입자의 운동에너지에 소모된다. 반응의 결과.

20세기 후반 60년대에 제안된 충돌 빔(충돌기)을 기반으로 한 가속기는 하전 입자(전자와 양전자, 양성자와 반양성자 등)의 역가속 빔을 충돌시켜 반응을 수행하며 상당한 이점을 제공합니다. 반응에너지를 얻습니다. 충돌기에서 반응 에너지는 충돌하는 입자의 에너지의 합과 같습니다.

E 1 + E 2 , 즉 입자 에너지가 동일할 때 이득은 2E/m 0 c 2 입니다. 물론 두 개의 희박한 빔의 입자가 빔의 입자와 조밀한 타겟의 입자보다 훨씬 덜 자주 충돌하기 때문에 충돌기의 효율성은 고정된 타겟을 가진 가속기의 효율성보다 낮은 것으로 나타났습니다. 그러나 고에너지 물리학의 주요 추세는 점점 더 높은 에너지를 향해 나아가는 것이며, 오늘날 가장 큰 가속기의 대부분은 기록적인 에너지를 달성하기 위해 충돌 횟수를 희생하는 충돌기입니다.

현대의 하전입자 가속기는 세계 최대 규모의 실험 시설로, 가속기 내 입자의 에너지는 크기에 선형적으로 연관됩니다. 따라서 미국 스탠포드 대학교의 50GeV 에너지를 갖는 SLC 선형 전자 가속기는 길이가 3km이며, 이는 실험실에서 900GeV의 에너지를 갖는 Tevatron 양성자 싱크로트론의 이름을 딴 것입니다. E. Fermi(미국 바타비아)는 6.3km이며, Serpukhov에 건설 중인 3TeV의 에너지를 위해 설계된 UNK 가속기-저장 단지의 길이는 유럽 기구의 27km 가속기 터널에 건설되고 있습니다. 제네바의 핵 연구 (CERN).

점점 커지는 가속기의 규모는 이미 물리적 특성과 재정적 비용 사이의 합리적인 균형의 한계에 도달하여 가속기 건설이 국가적 규모의 문제로 변하고 있습니다. 순수한 엔지니어링 솔루션도 한계에 가깝다고 말할 수 있습니다. 가속기 기술의 추가적인 발전은 가속기를 더욱 소형화하고 구성 및 운영 비용을 낮추는 새로운 접근법과 물리적 솔루션을 찾는 것과 연관되어야 한다는 것은 분명합니다. 현대 가속기의 에너지 소비량이 작은 도시의 에너지 소비량에 가깝기 때문에 후자도 중요합니다. 응용가속기 과학은 현대 물리학에 흥미롭고 매우 중요한 문제를 제기합니다. 가치 있는 솔루션을 찾기 위해서는 방사선 물리학, 플라즈마 물리학, 양자 전자 및 고체 물리학의 새로운 발전이 필요합니다.

가장 유망한 것은 입자 가속 속도를 높이는 방법을 찾는 것입니다. 현대 가속기에서 입자 가속 속도는 진공 시스템에서 생성될 수 있는 가속 전기장의 최대 강도에 의해 제한됩니다. 현재 이 값은 50MV/m를 초과하지 않습니다. 더 강한 자기장에서는 공진기 벽에 전기적 파괴 현상이 발생하고 플라즈마가 형성되어 자기장 에너지를 흡수하고 입자의 가속을 방지합니다. 실제로 최대 허용 고주파 필드의 크기는 파장에 따라 달라집니다. 현대 가속기는 10cm보다 큰 파장의 전기장을 사용합니다. 예를 들어 1cm의 파장으로 전환하면 최대 허용 전기장이 몇 배로 증가하여 가속기의 크기가 줄어듭니다. 물론 이러한 장점을 실현하려면 수백 MW의 출력과 100ns 미만의 펄스 지속 시간을 갖는 전자기파 펄스를 생성할 수 있는 이 범위의 초강력 방사선원을 개발해야 합니다. 이는 전 세계의 많은 연구 센터가 연구하고 있는 주요 과학 및 기술 문제를 나타냅니다.

또 다른 가능한 방법은 기존의 진공 마이크로파 공명 시스템을 버리고 레이저 방사선을 사용하여 하전 입자를 가속하는 것입니다. 현대 레이저의 도움으로 마이크로파 범위의 제한 필드보다 훨씬 높은 강도의 전기장을 생성하는 것이 가능합니다. 그러나 진공에서 레이저 방사선을 직접 사용하면 파동과 입자의 공진 Cherenkov 상호 작용이 불가능하기 때문에 하전 입자의 눈에 띄는 가속 효과를 얻을 수 없습니다. 입자의 속도. 최근에는 가스와 플라즈마에서 레이저 방사선을 이용하여 하전입자를 가속시키는 방법이 활발히 연구되고 있으며, 강한 전기장에서는 물질의 이온화와 플라즈마의 형성이 일어나기 때문에 궁극적으로 하전입자의 가속을 이야기하는 것은 다음과 같다. 플라즈마의 강렬한 레이저 방사선.


소립자 연구를 위한 과학 센터

고에너지 물리학 연구소(IHEP)

연구소 창립의 기초는 세계에서 가장 큰 고리 양성자 싱크로트론인 모스크바 근처 Serpukhov 마을 근처에 위치한 Protvino의 건설이었습니다(1972년까지). 이 과학 센터에 수집된 독특한 실험 장비를 통해 과학자들은 물질 구조의 깊숙한 곳까지 침투하여 인간에게 알려지지 않은 무한히 다양하고 신비로운 소립자 세계의 법칙을 이해하고 밝힐 수 있습니다.

가속기는 1967년 10월에 출시되었습니다. 이 가속기에서는 처음에 가스 방전의 결과로 양성자가 형성된 다음 고전압 변압기 펄스의 전기장에 의해 760KeV의 에너지로 가속되어 선형 가속기-인젝터로 들어갑니다. , 여기서 그들은 100 MeV의 에너지로 예비 가속된 다음 메인 링 가속기로 들어갑니다. 그 안에서 양성자는 이미 76 GeV의 에너지로 가속되었습니다. 하나의 가속기 펄스에 포함된 양성자의 수는 3·10 12 입니다. 펄스는 7초마다 반복됩니다. 가속기의 직경은 472m, 전자석의 무게는 2만톤, 가속기에서 소비하는 전력은 100MW이다. 가속기는 물리적 연구를 위해 연간 3000~4000시간 동안 작동됩니다.

과학 센터에는 가속기 링이 있는 마운드와 실험 홀이 있습니다. IHEP의 실험은 가속기의 내부 표적과 추출된 입자 빔 모두에서 수행됩니다.

에너지를 변경하지 않고 입자를 편향시키기만 하며 입자가 이동하는 궤도를 설정합니다.

가속기는 기본적으로 두 개의 큰 그룹으로 나눌 수 있습니다. 이것 선형 가속기, 입자 빔이 가속 간격을 한 번 통과하는 경우, 순환 가속기, 빔이 원과 같은 닫힌 곡선을 따라 이동하면서 가속도가 높은 간격을 여러 번 통과합니다. 또한 충돌기, 중성자 소스, 부스터, 싱크로트론 방사선 소스, 암 치료 시설, 산업용 가속기 등 목적에 따라 가속기를 분류할 수도 있습니다.

가속기 설계

고전압 가속기 (직접 가속기)

주요 기사: 고전압 가속기

입자 가속의 전체 시간 동안 일정하거나 약간 변화하는 전기장에 의해 하전 입자의 가속이 발생하는 하전 입자(전자)의 가속기. V.U.의 중요한 장점 다른 유형의 가속기에 비해 시간이 일정하고 균일한 전기장에서 가속된 입자 에너지의 작은 확산을 얻을 수 있습니다. 이러한 유형의 가속기는 고효율(최대 95%)과 고전력 설비(500kW 이상)를 생성할 수 있는 능력이 특징이며, 이는 산업 목적으로 가속기를 사용할 때 매우 중요합니다.

정전기가속기

이상적으로 가장 단순한 선형 가속기입니다. 입자는 일정한 전기장에 의해 가속되고 가속 전극이 있는 진공 챔버를 통해 직선으로 이동합니다.

품종:

  • 반데그라프 액셀러레이터.반데그라프(van de Graaff) 발전기는 유전체 테이프에 의한 기계적 전하 이동을 기반으로 합니다. 최대 전기 전압 ~20MV는 최대 입자 에너지 ~20MeV를 결정합니다.
  • 캐스케이드 가속기.가속 전압은 다이오드 증배기 회로를 사용하여 낮은 교류 전압을 변환하여 ~5MV의 일정한 가속 고전압을 생성하는 캐스케이드 발생기에 의해 생성됩니다.

저에너지 전자 선형 가속기는 다양한 진공 장치(음극선관, 키네스코프, X선관 등)의 일부로 사용되는 경우가 많습니다.

사이클로트론

사이클로트론 장치. 1 - 입자 진입 장소, 2 - 이동 궤적, 3 - 전극, 4 - 교류 전압원. 자기장은 도면의 평면에 수직으로 향합니다.

사이클로트론의 아이디어는 간단합니다. 소위 두 개의 반원형 중공 전극 사이. 디, 교류 전압이 적용됩니다. 디는 전자석의 극 사이에 배치되어 일정한 자기장을 생성합니다. 자기장 내에서 원을 그리며 회전하는 입자는 각 회전마다 디 사이의 틈에 있는 전기장에 의해 가속됩니다. 이를 위해서는 디에 대한 전압 극성의 변화 빈도가 입자의 회전 빈도와 같아야합니다. 즉, 사이클로트론은 공진가속기. 에너지가 증가하면 각 회전마다 입자의 궤적 반경이 디를 넘어갈 때까지 증가한다는 것이 분명합니다.

사이클로트론은 최초의 순환가속기이다. 로렌스는 그 해에 처음으로 설계하고 제작했으며, 그 공로로 그는 그 해에 노벨상을 수상했습니다. 지금까지 사이클로트론은 무거운 입자를 상대적으로 낮은 에너지(최대 50MeV/핵자)로 가속하는 데 사용되었습니다.

베타트론

다른 이름: 유도 가속기. 빔 궤도에 포함된 자속의 변화에 ​​의해 유도된 소용돌이 전기장에 의해 입자가 가속되는 순환 가속기입니다. 소용돌이 전기장을 생성하려면 코어의 자기장을 변경해야 하며, 비초전도 기계의 자기장은 일반적으로 ~20kG 수준의 철 포화 효과에 의해 제한되므로 상한이 있습니다. 베타트론의 최대 에너지에 대해 베타트론은 주로 전자를 10-100MeV의 에너지로 가속하는 데 사용됩니다(베타트론에서 얻을 수 있는 최대 에너지는 300MeV입니다).

베타트론은 그해 Wideröe에 의해 처음 설계 및 제작되었으나 출시에 실패했습니다. 안정적으로 작동하는 최초의 베타트론은 D.V. Kerst에 의해 - 에서만 만들어졌습니다. 미국에서.

마이크로트론

주요 기사: 마이크로트론

또한 다양한 다양성을 지닌 가속기이기도 합니다. 사이클로트론과 유사하게 일정한 구동 자기장과 가속 전압 주파수를 갖는 공진형 순환 가속기입니다. 마이크로트론의 아이디어는 각 회전의 가속으로 인해 입자 회전 시간을 가속 전압 진동 주기의 배수로 증가시키는 것입니다.

페이소트론(싱크로사이클로트론)

사이클로트론과의 근본적인 차이점은 가속 과정에서 변화하는 전기장의 주파수입니다. 이는 자동 위상화로 인해 사이클로트론의 제한 값에 비해 가속된 이온의 최대 에너지를 증가시킬 수 있습니다. 파소트론의 에너지는 600-700 MeV에 이릅니다.

싱크로페이소트론

일정한 평형 궤도 길이를 갖는 순환 가속기. 가속 중에 입자가 동일한 궤도에 유지되도록 하기 위해 구동 자기장과 가속 전기장의 주파수가 모두 변경됩니다. 대부분의 현대 순환 가속기는 고도로 초점을 맞춘 싱크로파소트론입니다. 초상대론적 전자의 경우 가속 과정에서 회전 주파수는 사실상 변하지 않으며 싱크로트론이 사용됩니다.

싱크로트론

궤도 길이가 일정하고 가속 전기장의 주파수가 일정하지만 선행 자기장이 변하는 순환 가속기입니다.

자유 전자 레이저(FEL)

주요 기사: 자유 전자 레이저

간섭성 X선 방사선의 특수 소스입니다.

선형가속기

linac이라고도 합니다(LINEar ACcelerator의 약자). 입자가 한 번 날아가는 가속기. 선형 가속기는 전자총이나 이온 소스에 의해 생성된 입자의 1차 가속에 가장 자주 사용됩니다. 그러나 완전 에너지 선형 충돌기 아이디어도 새로운 것은 아닙니다. linac의 주요 장점은 초저 방출을 얻을 수 있고 입자 에너지의 4제곱(!)에 비례하여 증가하는 복사로 인한 에너지 손실이 없다는 것입니다.

충돌기

충돌빔을 이용한 가속기이기도 하다. 고에너지 입자의 충돌 과정을 연구하는 것이 목적인 순수 실험 설비입니다.

애플리케이션

  • 살균(식품, 의료기기 살균용)
  • 의학(암 치료, 방사선 진단).
  • 반도체소자 제조(불순물주입)
  • 방사선 결함 탐지.
  • 폴리머의 방사선 가교.
  • 배가스와 폐수의 방사선 정화.

또한보십시오

  • 입자 검출기

연결

  • Kolomensky D.D., Lebedev A.N. 순환 가속기 이론. M.: Fizmatgiz, 1962.
  • A.Chao, M.Tigner, 가속기 물리학 및 공학 핸드북, 1999.
  • 학사 이쉬카노프, I.M. 카피토노프, E.I. 오두막, 실험 (웹 출판)
  • 역사, 분류, 작동 원리, 현대 가속기의 주요 유형

위키미디어 재단. 2010.

  • 횔더 조건
  • 입자 가속기

다른 사전에 "하전 입자 가속기"가 무엇인지 확인하십시오.

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    하전입자가속기- 고에너지의 하전 입자(전자, 양성자, 원자핵, 이온)를 생성하는 장치. 가속은 전하로 입자의 에너지를 변화시킬 수 있는 전기장을 사용하여 수행됩니다. 자기... ... 위대한 소련 백과사전

    하전입자가속기- 길찾기 설정. 수백 keV에서 수백 GeV의 에너지를 갖는 전자, 양성자, 알파 입자 또는 이온 빔. U. z. H. 가속 충전기. 입자는 전기적으로 이동하여 에너지를 증가시킵니다. 필드(정적, 유도 또는... ... 큰 백과사전 폴리테크닉 사전

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    하전입자가속기- 미국 페르미연구소 가속기센터 전경. Tevatron (배경 링) 및 링 인젝터 하전 입자 생성을위한 장치의 하전 입자 가속기 클래스 (초등 ... Wikipedia

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