Përshpejtuesi më i madh në botë i grimcave po përgatitet të nisë. Përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara lineare. Si funksionojnë përshpejtuesit e grimcave. Pse na duhen përshpejtuesit e grimcave? Për çfarë shërben përshpejtuesi i grimcave?

NGJYRSIT E GJYKATAVE TG SHENUARA
Përshpejtuesit

Përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara - Instalime për përshpejtimin e grimcave të ngarkuara në energji në të cilat ato mund të përdoren për kërkime fizike, në industri dhe mjekësi. Në energji relativisht të ulët, grimcat e përshpejtuara përdoren, për shembull, për të marrë një imazh në ekranin e televizorit ose mikroskopin elektronik, për të gjeneruar rrezet X (tubat me rreze katode), për të shkatërruar qelizat kancerogjene dhe për të shkatërruar bakteret. Kur grimcat e ngarkuara përshpejtohen në energji që tejkalojnë 1 megaelektronvolt (MeV), ato përdoren për të studiuar strukturën e mikro-objekteve (për shembull, bërthamat atomike) dhe natyrën e forcave themelore. Në këtë rast, përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara veprojnë si burime të grimcave të provës, duke hetuar objektin nën studim.

Roli i përshpejtuesit në një eksperiment modern të fizikës ilustrohet në figurë. Një rreze e mbledhur e grimcave të provës nga përshpejtuesi drejtohet në një shënjestër të hollë nën studim, që përmban, për shembull, bërthama të çdo elementi kimik, dhe grimcat e provës të shpërndara nga shënjestra ose produkte të tjerë të bashkëveprimit të tyre me bërthamat e synuara regjistrohen nga një detektor ose një sistem detektorësh. Analiza e rezultateve të eksperimentit jep informacion në lidhje me natyrën e ndërveprimit dhe strukturën e objektit që studiohet.
Nevoja për të përdorur përshpejtues për të studiuar mikro-objekte të tilla si bërthamat atomike dhe grimcat elementare është për shkak të sa vijon. Së pari, bërthamat atomike dhe grimcat elementare zënë rajone të vogla të hapësirës (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.
Duke ditur madhësinë e objektit nën studim, është e lehtë të vlerësosh energjinë e grimcave të provës që kërkohen për ta studiuar atë. Grimcat kanë veti valore. Gjatësia e valës së një grimce varet nga vrulli i saj p dhe jepet nga formula de Broglie

Këtu h është konstanta e Planck, dhe 1 fm \u003d 10 -13 cm. Formula e mësipërme jep gjithashtu një lidhje midis gjatësisë së valës së një grimce relativiste dhe energjisë së saj kinetike E në megaelektronovolt.
Në një eksperiment shpërndarës, struktura e një objekti bëhet "e dukshme" (përmes, për shembull, shpërndarjes së valëve de Broglie) nëse gjatësia e valës de Broglie është e krahasueshme me ose më pak se madhësia (rrezja) e objektit R, d.m.th. në λ < R. Kur elektronet përdoren si grimca hetimi brenda bërthamës, mund të "shikohet" nëse energjia e elektronit tejkalon 100 MeV. Për të vëzhguar strukturën e një nukleoni, energjia e elektronit tashmë duhet të llogaritet në gigaelektronvolt (1 GeV \u003d 10 9 eV).
Përshpejtuesit ndryshojnë në llojin e grimcave të përshpejtuara, karakteristikat e rrezes (energjia, intensiteti, etj.), Dhe gjithashtu në dizajn. Më të zakonshmit janë përshpejtuesit e elektroneve dhe protoneve, pasi që këto rreze grimcash janë më të lehtat për tu përgatitur. Në përshpejtuesit modernë të krijuar për të studiuar grimcat elementare, anti-grimcat (pozitronet, antiprotonet) mund të përshpejtohen, dhe për të rritur efikasitetin e përdorimit të energjisë së grimcave, rrezet e tyre në një numër instalimesh, të quajtura përplasës, përplasen pas përfundimit të ciklit të përshpejtimit (trarëve që përplasen).
Çdo përshpejtues përbëhet nga tre pjesë - një sistem ku "prodhohen" grimcat e përshpejtuara (injektori), një sistem përshpejtues, ku grimcat me energji të ulët nga një injektor (zakonisht formohen në formën e tufave të lokalizuara në hapësirë) rrisin energjinë në një vakum të lartë në atë të projektimit dhe një sistem transporti ( nxjerrja) e rrezes në vendosjen eksperimentale.
Konvencionalisht, nga këndvështrimi i trajektores përgjatë së cilës grimcat lëvizin gjatë nxitimit, përshpejtuesit mund të ndahen në dy klasa - lineare (dhe veprim i drejtpërdrejtë) dhe ciklik. Në përshpejtuesit linearë, grimcat në procesin e përshpejtimit lëvizin drejt, dhe në ato ciklike, ose përgjatë së njëjtës trajektore të mbyllur, duke kaluar në mënyrë të përsëritur të njëjtat boshllëqe përshpejtuese (sinkrotronet), ose përgjatë një trajektore që i ngjan një spirale të palosshme (ciklotronë, mikrotronë, fazotronë).

Përmbajtja e artikullit

NGJYRSI I PJESS,një instalim në të cilin merren rrezet e drejtuara të elektroneve, protoneve, joneve dhe grimcave të tjera të ngarkuara me një energji që tejkalon ndjeshëm energjinë termike duke përdorur fusha elektrike dhe magnetike. Në procesin e përshpejtimit, shpejtësia e grimcave rritet, dhe shpesh në vlera afër shpejtësisë së dritës. Aktualisht, akseleratorë të shumtë të vegjël përdoren në mjekësi (terapi rrezatimi) dhe gjithashtu në industri (për shembull, për implantimin e joneve në gjysmëpërçues). Përshpejtuesit e mëdhenj përdoren kryesisht për qëllime shkencore - për të studiuar proceset nën-bërthamore dhe vetitë e grimcave elementare.

Sipas mekanikës kuantike, një rreze grimcë, si një rreze drite, ka një gjatësi vale specifike. Sa më e lartë të jetë energjia e grimcave, aq më e shkurtër është kjo gjatësi vale. Dhe sa më e shkurtër të jetë gjatësia e valës, aq më të vegjël janë objektet që mund të studiohen, por aq më të mëdha janë përshpejtuesit dhe aq më kompleksë janë. Zhvillimi i hulumtimeve në mikrovorën kërkonte gjithnjë e më shumë energji të rrezes së sondimit. Substancat radioaktive natyrore ishin burimet e para të rrezatimit me energji të lartë. Por ata vetëm u dhanë studiuesve një grup të kufizuar grimcash, intensitetesh dhe energjish. Në vitet 1930, shkencëtarët filluan të punojnë në krijimin e objekteve që mund të prodhojnë trarë më të ndryshëm. Aktualisht, ka akseleratorë që bëjnë të mundur marrjen e çdo lloj rrezatimi me energji të lartë. Nëse, për shembull, kërkohet rrezatimi X ose rrezatimi gama, atëherë elektronet i nënshtrohen përshpejtimit, të cilat më pas lëshojnë fotone në proceset e rrezatimit bremsstrahlung ose sinkrotron. Neutronet gjenerohen duke bombarduar një shënjestër të përshtatshme me një rreze intensive të protoneve ose deuteroneve.

Energjia e grimcave bërthamore matet në volt elektron (eV). Electronvolt është energjia e fituar nga një grimcë e ngarkuar që mbart një ngarkesë elementare (ngarkesë elektronike) kur lëviz në një fushë elektrike midis dy pikave me një ndryshim të mundshëm prej 1 V. (1 eV »1.6021919 10 -19 J.) energjitë në diapazonin prej mijëra deri në disa trilionë (10 12) elektron volt - në përshpejtuesin më të madh në botë.

Për të zbuluar procese të rralla në eksperiment, është e nevojshme të rritet raporti sinjal-ndaj-zhurmës. Kjo kërkon burime rrezatimi gjithnjë e më intensive. Skaji i prerjes së teknologjisë moderne të përshpejtuesit përcaktohet nga dy parametra kryesorë - energjia dhe intensiteti i rrezes së grimcave.

Lloje të shumta dhe të larmishme të teknologjisë përdoren në përshpejtuesit modernë: gjeneratorë me frekuencë të lartë, pajisje elektronike me shpejtësi të lartë dhe sisteme automatike të kontrollit, pajisje të sofistikuara diagnostike dhe kontrolli, pajisje me vakum ultra të lartë, magnet të fuqishëm me precizion (si "konvencional" dhe kriogjen) dhe sisteme komplekse rregullimi dhe rregullimi.

PARIMET THEMELORE

Skema kryesore e përshpejtimit të grimcave parashikon tre faza: 1) formimi dhe injektimi i rrezes, 2) nxitimi i rrezes dhe 3) nxjerrja e rrezes në shenjë ose përplasja e trarëve që përplasen në vetë përshpejtuesin.

Formimi dhe injeksioni i rrezes.

Elementi fillestar i çdo përshpejtuesi është një injektor, i cili përmban një burim të një fluksi të drejtuar të grimcave me energji të ulët (elektrone, protone ose jone të tjera) dhe elektroda dhe magnet të tensionit të lartë që nxjerrin rrezen nga burimi dhe e formojnë atë. Në burimet e protoneve të përshpejtuesve të parë, hidrogjeni i gaztë u kalua nëpër rajonin e shkarkimit elektrik ose pranë filamentit inkandeshent. Në kushte të tilla, atomet e hidrogjenit humbasin elektronet e tyre dhe mbeten vetëm bërthamat - protonet. Kjo metodë (dhe e ngjashme me gazrat e tjerë) në një formë të përmirësuar përdoret akoma për të marrë rrezet e protoneve (dhe joneve të rënda).

Burimi formon një rreze grimcash, e cila karakterizohet nga energjia mesatare fillestare, rryma e rrezes, dimensionet e saj tërthore dhe divergjenca mesatare këndore. Një tregues i cilësisë së rrezes së injektuar është emetimi i tij, d.m.th. produkti i rrezes së rrezes nga divergjenca e tij këndore. Sa më e ulët të jetë emetimi, aq më e lartë është cilësia e rrezes së grimcave përfundimtare me energji të lartë. Për analogji me optikën, rryma e grimcave e ndarë me emetencën (e cila korrespondon me dendësinë e grimcave të ndara me divergjencën këndore) quhet shkëlqimi i rrezes. Shumë aplikime të akseleratorëve modernë kërkojnë shkëlqimin më të lartë të mundshëm të rrezes.

Nxitimi i rrezes.

Rrezja formohet në dhoma ose injektohet në një ose disa dhoma të përshpejtuesit, në të cilën fusha elektrike rrit shpejtësinë dhe, rrjedhimisht, energjinë e grimcave. Në përshpejtuesit e parë, më të thjeshtë, energjia e grimcave u rrit në një fushë të fortë elektrostatike të krijuar brenda një dhome me vakum të lartë. Energjia maksimale që mund të arrihej në këtë rast u përcaktua nga forca elektrike e izolatorëve të përshpejtuesit. Në shumë përshpejtues modernë, akseleratorët elektrostatikë të elektroneve dhe joneve (deri në jonet e uraniumit) me energji nga 30 keV në 1 MeV përdoren akoma si injektorë.

Marrja e tensionit të lartë mbetet një problem teknik kompleks sot. Mund të merret duke karikuar një grup kondensatorësh të lidhur paralelisht dhe më pas duke i lidhur në seri me një seri tubash përshpejtues. Në këtë mënyrë, në vitin 1932 J. Cockroft dhe E. Walton morën tensione deri në 1 MV. Një disavantazh i rëndësishëm praktik i kësaj metode është se tensioni i lartë shfaqet në elementët e jashtëm të sistemit, gjë që është e rrezikshme për eksperimentuesit.

Një metodë tjetër për marrjen e tensionit të lartë u shpik në vitin 1931 nga R. Van de Graaf. Në një gjenerator Van de Graaff (Fig. 1), një shirit dielektrik transferon ngarkesat elektrike nga një burim tensioni në potencialin e tokës në një elektrodë të tensionit të lartë, duke rritur kështu potencialin e saj në krahasim me tokën. Një gjenerator me një fazë Van de Graaff lejon tensione deri në 10 MV. Në përshpejtuesit shumëfazësh të tensionit të lartë, u morën protone me energji deri në 30 MeV.

Nëse nuk kërkohet një rreze e vazhdueshme, por një impuls i shkurtër i grimcave me energji të lartë, atëherë mund të përfitohet nga fakti se për një kohë të shkurtër (më pak se një mikrosekondë) izolatorët janë në gjendje të përballojnë tensione shumë më të larta. Diodat e pulsit sigurojnë tensione deri në 15 MV për fazë në qarqet e rezistencës shumë të ulët. Kjo bën të mundur marrjen e rrymave të rrezeve prej disa dhjetëra kiloamper, dhe jo dhjetëra miliampere, si në përshpejtuesit elektrostatik.

Metoda e zakonshme për prodhimin e tensionit të lartë bazohet në një qark të gjeneratorit të impulsit Marx, në të cilin një bankë kondensatori fillimisht ngarkohet paralelisht dhe pastaj lidhet në seri dhe shkarkohet përmes një boshllëku shkarkimi. Pulsi i tensionit të lartë të gjeneratorit hyn në një vijë të gjatë, e cila formon impulsin, duke vendosur kohën e ngritjes së tij. Linja është e ngarkuar me elektroda që përshpejtojnë rrezen.

Në një tension përshpejtues me frekuencë të lartë, struktura e përshpejtuesit përballon fusha elektrike shumë më të forta pa prishje sesa në një tension konstant. Sidoqoftë, përdorimi i fushave me frekuencë të lartë për të përshpejtuar grimcat vështirësohet nga fakti që shenja e fushës ndryshon me shpejtësi dhe fusha rezulton të jetë ose përshpejtuese ose ngadalësuese. Në fund të viteve 1920, u propozuan dy metoda për të kapërcyer këtë vështirësi, të cilat tani përdoren në shumicën e akseleratorëve.

NGJYRSIT LINEAR

Mundësia e përdorimit të fushave elektrike me frekuencë të lartë në përshpejtuesit e gjatë me shumë faza bazohet në faktin se një fushë e tillë ndryshon jo vetëm në kohë, por edhe në hapësirë. Në çdo moment të kohës, forca e fushës ndryshon sinusoidalisht në varësi të pozicionit në hapësirë, d.m.th. shpërndarja e fushës në hapësirë \u200b\u200bka formën e valës. Dhe në çdo pikë të hapësirës, \u200b\u200bajo ndryshon sinusoidalisht në kohë. Prandaj, maksimumi i fushës lëviz në hapësirë \u200b\u200bme të ashtuquajturën shpejtësi fazore. Si pasojë, grimcat mund të lëvizin në mënyrë që fusha lokale t'i përshpejtojë ato gjatë gjithë kohës.

Në sistemet lineare të përshpejtimit, fushat me frekuencë të lartë u përdorën për herë të parë në vitin 1929, kur inxhinieri norvegjez R. Videroe përshpejtoi jonet në një sistem të shkurtër të rezonatorëve të bashkuar të frekuencës së lartë. Nëse rezonatorët janë të dizajnuar në mënyrë që shpejtësia fazore e fushës të jetë gjithmonë e barabartë me shpejtësinë e grimcave, atëherë gjatë lëvizjes së tij në përshpejtues rrezja përshpejtohet vazhdimisht. Lëvizja e grimcave në këtë rast është si një surfer që rrëshqet në kreshtën e një vale. Në këtë rast, shpejtësia e protoneve ose joneve gjatë nxitimit mund të rritet shumë. Prandaj, shpejtësia fazore e valës gjithashtu duhet të rritet v fazat Nëse elektronet mund të injektohen në përshpejtues me një shpejtësi afër shpejtësisë së dritës nga, atëherë në këtë mënyrë shpejtësia e fazës është praktikisht konstante: v fazat \u003d c.

Një qasje tjetër, e cila bën të mundur përjashtimin e efektit të fazës ngadalësuese të një fushe elektrike me frekuencë të lartë, bazohet në përdorimin e një strukture metalike që ekranon rrezen nga fusha gjatë kësaj gjysmë periudhe. Për herë të parë një metodë e tillë u zbatua nga E. Lawrence në ciklotron ( shikoni më poshtë); përdoret gjithashtu në përshpejtuesin linear Alvarez. Ky i fundit është një tub i gjatë vakumi që përmban një seri tubash metalikë. Çdo tub është i lidhur në seri me një gjenerator me frekuencë të lartë përmes një linje të gjatë, përgjatë së cilës një valë e tensionit përshpejtues udhëton me një shpejtësi afër shpejtësisë së dritës (Fig. 2). Kështu, të gjitha tubat nga ana e tyre janë në tension të lartë. Një grimcë e ngarkuar e emetuar nga injektori në një kohë të përshtatshme përshpejtohet në drejtim të tubit të parë, duke marrë një energji të caktuar. Brenda këtij tubi, grimca zhvendoset - lëviz me një shpejtësi konstante. Nëse gjatësia e tubit është zgjedhur siç duhet, atëherë ajo do të dalë prej saj në momentin kur voltazhi përshpejtues ka përparuar një gjatësi vale. Në këtë rast, voltazhi në tubin e dytë do të përshpejtohet dhe arrin në qindra mijëra volt. Ky proces përsëritet shumë herë, dhe në secilën fazë grimca merr energji shtesë. Në mënyrë që lëvizja e grimcave të jetë sinkron me ndryshimin në fushë, gjatësia e tubave duhet të rritet në përputhje me një rritje të shpejtësisë së tyre. Përfundimisht shpejtësia e grimcave do të arrijë një shpejtësi shumë të afërt me shpejtësinë e dritës, dhe gjatësia kufizuese e tubave do të jetë konstante.

Ndryshimet e fushës hapësinore vendosin kufizime në strukturën kohore të rrezes. Fusha përshpejtuese ndryshon brenda një tufë grimcash të çdo gjatësi të fundme. Si pasojë, gjatësia e tufës së grimcave duhet të jetë e vogël krahasuar me gjatësinë e valës së fushës me frekuencë të lartë përshpejtuese. Përndryshe, grimcat do të përshpejtohen në mënyra të ndryshme brenda tufës. Përhapja shumë e madhe e energjisë në rreze jo vetëm që rrit vështirësitë në fokusimin e rrezes për shkak të pranisë së devijimit kromatik në lentet magnetike, por gjithashtu kufizon mundësitë e përdorimit të rrezes në probleme specifike. Përhapja e energjive gjithashtu mund të çojë në njollosjen e tufës së grimcave të rrezeve në drejtimin aksial.

Konsideroni një tufë jonesh jorelativiste që lëvizin me një shpejtësi fillestare v 0 Forcat elektrike gjatësore për shkak të ngarkesës hapësinore përshpejtojnë kokën e rrezes dhe ngadalësojnë bishtin. Duke sinkronizuar në mënyrë të përshtatshme lëvizjen e tufës me fushën me frekuencë të lartë, është e mundur të arrihet një përshpejtim më i madh i bishtit të tufës sesa i kokës. Përputhja fazore e tillë e tensionit përshpejtues dhe rrezes mund të përdoret për fazën e rrezes - për të kompensuar efektin shkëputës të ngarkesës hapësinore dhe përhapjes së energjisë. Si rezultat, në një gamë të caktuar të vlerave të fazës qendrore të tufës, vërehen përqendrimi dhe lëkundjet e grimcave në lidhje me një fazë të caktuar të lëvizjes së qëndrueshme. Ky fenomen, i quajtur autofazë, është jashtëzakonisht i rëndësishëm për përshpejtuesit e jonit linear dhe përshpejtuesit modernë të elektroneve dhe joneve ciklike. Fatkeqësisht, fazimi automatik arrihet me koston e zvogëlimit të faktorit të mbushjes së përshpejtuesit në vlera shumë më pak se uniteti.

Në procesin e përshpejtimit, pothuajse të gjitha rrezet shfaqin një tendencë për një rritje në rreze për dy arsye: për shkak të tërheqjes reciproke elektrostatike të grimcave dhe për shkak të përhapjes së shpejtësive tërthore (termike). Prirja e parë dobësohet me rritjen e shpejtësisë së rrezes, sepse fusha magnetike e krijuar nga rryma e rrezes ngjesh rrezen dhe, në rastin e trarëve relativistë, pothuajse kompenson efektin defokues të ngarkesës hapësinore në drejtimin radial. Prandaj, ky efekt është shumë i rëndësishëm në rastin e përshpejtuesve të jonit, por është pothuajse i parëndësishëm për përshpejtuesit e elektronit, në të cilin rrezja injektohet me shpejtësi relativiste. Efekti i dytë, në lidhje me emetencën e rrezes, është i rëndësishëm për të gjithë përshpejtuesit.

Particlesshtë e mundur të mbash grimcat afër boshtit duke përdorur magnet katërkëmbësh. E vërtetë, një magnet i vetëm katërkëmbësh, që përqendron grimcat në njërën nga rrafshet, i defokuson ato në tjetrën. Por këtu ndihmon parimi i "fokusimit të fortë", i zbuluar nga E. Kurant, S. Livingston dhe H. Snyder: një sistem me dy magnet katërkëmbësh të ndara nga një hendek fluturimi, me avionë të alternuar të fokusimit dhe defokusimit, siguron përfundimisht përqendrimin në të gjitha aeroplanët.

Tubat drift përdoren akoma në përshpejtuesit linearë të protonit, ku energjia e rrezes rritet nga disa megaelektronvolt në rreth 100 MeV. Përshpejtuesit e parë linearë të elektronit, siç është përshpejtuesi 1 GeV i ndërtuar në Universitetin Stanford (SHBA), gjithashtu përdorën tuba me gjatësi konstante, pasi rrezja u injektua me një energji prej rreth 1 MeV. Akseleratorë linearë më elektronikë, më i madhi prej të cilëve është nxituesi prej 3.2 km 50 GeV i ndërtuar në Qendrën Lineare të Akseleratorit Stanford, përdorin parimin e "elektroneve surfing" në një valë elektromagnetike, e cila lejon që rrezja të përshpejtohet në rritje të energjisë pothuajse 20 MeV për metër të sistemit të përshpejtimit. Në këtë përshpejtues, fuqia me frekuencë të lartë në një frekuencë prej rreth 3 GHz gjenerohet nga pajisjet e mëdha elektrovakum - klystrons.

Përshpejtuesi linear më i lartë i energjisë së protonit u ndërtua në Laboratorin Kombëtar Losalamos në SH.B.A. New Mexico (SHBA) si një "fabrikë mesoni" për prodhimin e trarëve intensivë të pioneve dhe muoneve. Rezonuesit e tij të bakrit krijojnë një fushë përshpejtuese të rendit prej 2 MeV / m, për shkak të së cilës ajo jep deri në 1 mA të protoneve 800 MeV në një rreze impulsive.

Sistemet e superpërcjelljes me frekuencë të lartë janë zhvilluar për të përshpejtuar jo vetëm protonet, por edhe jonet e rënda. Përshpejtuesi linear më i madh i protonit superpërcjellës shërben si injektor për përshpejtuesin e trarëve që përplasen HERA në laboratorin e Synchrotron Electron Gjerman (DESI) në Hamburg (Gjermani).

NDIHMSITY CIKLIKE

Ciklotroni proton.

Ekziston një mënyrë shumë elegante dhe ekonomike për të përshpejtuar një rreze duke i dhënë vazhdimisht pjesë të vogla energjie. Për ta bërë këtë, duke përdorur një fushë të fortë magnetike, rrezja është e detyruar të lëvizë në një orbitë rrethore dhe shumë herë të kalojë të njëjtën hendek përshpejtues. Kjo metodë u zbatua për herë të parë në 1930 nga E. Lawrence dhe S. Livingston në ciklotron që ata shpikën. Ashtu si në një përshpejtues linear me tuba domethënës, rrezja shfaqet nga veprimi i fushës elektrike në gjysmën e periudhës kur vepron si ngadalësues. Grimcë e ngarkuar me masë m dhe ngarkuar qduke lëvizur me shpejtësi v në një fushë magnetike H, i drejtuar pingul me shpejtësinë e tij, përshkruan në këtë fushë një rreth me një rreze R = mv/qH... Ndërsa nxitimi rrit shpejtësinë v, rrezja gjithashtu rritet R... Kështu, protonet dhe jonet e rënda lëvizin përgjatë një spirale zhbllokuese të rrezes gjithnjë në rritje. Në çdo revolucion përgjatë orbitës, rrezja kalon përmes hendekut midis dees - elektroda të zbrazëta të tensionit të lartë në formë D, ku një fushë elektrike me frekuencë të lartë vepron mbi të (Fig. 3). Lawrence e kuptoi se koha ndërmjet kalimeve të rrezes përmes hendekut në rastin e grimcave jorelativiste mbetet konstante, pasi që rritja e shpejtësisë së tyre kompensohet nga rritja e rrezes. Gjatë asaj pjese të periudhës orbitale kur fusha me frekuencë të lartë ka një fazë të papërshtatshme, rrezja është jashtë hendekut. Frekuenca e qarkullimit jepet nga shprehja

ku f - frekuenca e tensionit AC në MHz, H A është forca e fushës magnetike në T, dhe mc 2 - masa e grimcave në MeV. Nëse vlera H është konstante në rajonin ku ndodh nxitimi, atëherë frekuenca fpadyshim nuk varet nga rrezja.

Për të përshpejtuar jonet në energji të larta, është e nevojshme vetëm që fusha magnetike dhe frekuenca e tensionit të tensionit të lartë të plotësojnë kushtin e rezonancës; atëherë grimcat do të kalojnë nëpër hendekun midis vetive dy herë për revolucion në kohën e duhur. Për të përshpejtuar rrezen në një energji prej 50 MeV në një tension përshpejtues prej 10 keV, kërkohen 2500 rrotullime. Frekuenca e funksionimit të ciklotronit proton mund të jetë 20 MHz, kështu që koha e përshpejtimit është e rendit 1 ms.

Ashtu si në përshpejtuesit linearë, grimcat gjatë nxitimit në një ciklotron duhet të përqendrohen në drejtim tërthor, përndryshe të gjitha, përveç atyre të injektuara me shpejtësi paralele me pjesët pol të magnetit, do të bien nga cikli i nxitimit. Në një ciklotron, mundësia e përshpejtimit të grimcave me një përhapje këndore të fundme sigurohet duke i dhënë fushës magnetike një konfigurim të veçantë, në të cilin forcat që i kthejnë ato në këtë plan veprojnë në grimcat që dalin nga plani orbital.

Fatkeqësisht, sipas kërkesave për qëndrueshmërinë e tufës së grimcave të përshpejtuara, përbërësi fokusues i fushës magnetike duhet të ulet me rritjen e rrezes. Kjo kundërshton gjendjen e rezonancës dhe çon në efekte që kufizojnë intensitetin e rrezes. Një faktor tjetër i rëndësishëm që zvogëlon aftësitë e një ciklotroni të thjeshtë është rritja relativiste e masës, si pasojë e domosdoshme e rritjes së energjisë së grimcave:

Në rastin e përshpejtimit të protoneve, sinkronizmi do të shkelet për shkak të rritjes relativiste të masës në rreth 10 MeV. Një mënyrë për të ruajtur sinkronizmin është të modulojmë frekuencën e tensionit përshpejtues në mënyrë që të ulet ndërsa rrezja orbitale rritet dhe shpejtësia e grimcave rritet. Frekuenca duhet të ndryshojë në përputhje me ligjin

Një sinkrociklotron i tillë mund të përshpejtojë protonet në energjitë e disa qindra megaelektrovolteve. Për shembull, nëse forca e fushës magnetike është 2 T, atëherë frekuenca duhet të ulet nga rreth 32 MHz në kohën e injektimit në 19 MHz ose më pak kur grimcat arrijnë një energji prej 400 MeV. Një ndryshim i tillë në frekuencën e tensionit përshpejtues duhet të ndodhë për disa milisekonda. Pasi grimcat arrijnë energjinë më të lartë dhe hiqen nga përshpejtuesi, frekuenca kthehet në vlerën e saj origjinale dhe një tufë e re grimcash futet në përshpejtues.

Por edhe me projektin optimal të magnetit dhe performancën më të mirë të sistemit të shpërndarjes së energjisë RF, aftësitë e ciklotroneve janë të kufizuara nga konsiderata praktike: nevojiten magnet jashtëzakonisht të mëdhenj për të mbajtur në orbitë grimcat e shpejta të energjisë së lartë. Kështu, masa e një magneti ciklotron 600 MeV, e ndërtuar në laboratorin TRIUMPH në Kanada, tejkalon 2000 tonë dhe harxhon energji elektrike të rendit të disa megavatëve. Kostoja e ndërtimit të një sinkrociklotroni është përafërsisht proporcionale me kubin e rrezes së magnetit. Prandaj, për të arritur energji më të larta me kosto praktikisht të pranueshme, kërkohen parime të reja të nxitimit.

Sinkrotroni proton.

Kostoja e lartë e përshpejtuesve ciklikë shoqërohet me rrezen e madhe të magnetit. Por është e mundur të mbash grimcat në një orbitë me rreze konstante duke rritur forcën e fushës magnetike ndërsa energjia e tyre rritet. Një përshpejtues linear injekton një rreze grimcash me energji relativisht të ulët në këtë orbitë. Meqenëse fusha kufizuese është e nevojshme vetëm në një rajon të ngushtë afër orbitës së rrezes, nuk ka nevojë për magnet që mbulojnë të gjithë zonën orbitale. Magnetët janë të vendosur vetëm përgjatë dhomës vakum unazore, e cila siguron kursime të mëdha të kostos.

Kjo qasje është zbatuar në sinkrotron protoni. Përshpejtuesi i parë i këtij lloji ishte 3 GeV Cosmotron (Fig. 4), i cili filloi punën në Laboratorin Kombëtar Brookhaven në 1952 në SHBA; së shpejti u pasua nga 6 GeV Bevatron, i ndërtuar në Universiteti Lawrence i Kalifornisë në Berkeley (SHBA). E ndërtuar posaçërisht për zbulimin e antiprotonit, ka funksionuar për 39 vjet, duke demonstruar qëndrueshmëri dhe besueshmëri të përshpejtuesve të grimcave.

Në sinkrotronët e gjeneratës së parë të ndërtuar në SHBA, Britaninë e Madhe, Francë dhe BRSS, përqendrimi ishte i dobët. Prandaj, amplituda e lëkundjeve radiale të grimcave ishte e madhe në procesin e përshpejtimit të tyre. Gjerësia e dhomave të vakumit ishte afërsisht 30 cm, dhe në këtë vëllim akoma të madh ishte e nevojshme të kontrollohej me kujdes konfigurimi i fushës magnetike.

Në vitin 1952, u bë një zbulim që bëri të mundur uljen drastike të lëkundjeve të rrezes dhe, rrjedhimisht, dimensionet e dhomës së vakumit. Ky ishte parimi i përqendrimit të fortë, ose të vështirë. Në sinkrotronët proton modernë me magnet katërkëndësh superpërcjellës të rregulluar në një skemë të fortë fokusimi, dhoma e vakumit mund të ketë diametër më pak se 10 cm, gjë që çon në një ulje të konsiderueshme të madhësisë, kostos dhe konsumit të energjisë së magneteve fokusuese dhe devijuese.

Sinkrotroni i parë i bazuar në këtë parim ishte Sinkrotroni Gradient i Ndryshueshëm 30 GeV në Brookhaven. Një strukturë e ngjashme u ndërtua në laboratorin e Organizatës Evropiane për Kërkime Bërthamore (CERN) në Gjenevë. Në mesin e viteve 1990, të dy përshpejtuesit ishin ende në veprim. Hapësira e ndryshueshme e gradientit sinkrotron ishte rreth 25 herë më e vogël se ajo e Kosmatron. Fuqia e konsumuar nga magneti në një energji prej 30 GeV përafërsisht korrespondonte me fuqinë e konsumuar nga magneti Kosmotron në 3 GeV. "Sinkrotroni me gradient të ndryshueshëm" përshpejtonte 6 × 10 13 protone për impuls, i cili korrespondonte me intensitetin më të lartë midis instalimeve të kësaj klase. Përqendrimi në këtë përshpejtues u krye me të njëjtët magnet që devijuan rrezen; kjo u arrit duke formuar polet e magnetit siç tregohet në Fig. 5. Në akseleratorët modernë, magnet të veçantë përdoren zakonisht për të devijuar dhe përqendruar rrezen.

Kështu, në eksperimentet me një objektiv në qetësi në Tevatron, energjia e dobishme është vetëm 43 GeV.

Dëshira për të përdorur energjitë më të larta të mundshme në kërkimin e grimcave çoi në krijimin në CERN dhe Laboratorin. E. Fermi i përplasjeve proton-antiproton, si dhe një numër i madh instalimesh në vende të ndryshme me trarëve elektron-pozitron që përplasen. Në përplasësin e parë të protoneve, përplasjet e 26 protoneve GeV dhe antiprotoneve ndodhën në një unazë me një perimetër prej 1.6 km (Fig. 6). Për disa ditë, ishte e mundur të grumbulloheshin trarë me rryma deri në 50 A.

Aktualisht, përplasësi me energjinë më të lartë është Tevatron, ku kryhen eksperimente në përplasjen e një rreze prej protoneve 1 TeV me një rreze përplasëse të antiprotoneve të së njëjtës energji. Eksperimente të tilla kërkojnë antiprotone, të cilat mund të merren duke bombarduar një shënjestër metali me një rreze protoni me energji të lartë nga "Unaza Kryesore". Antiprotonet e gjeneruara në këto përplasje grumbullohen në një unazë të veçantë në një energji prej 8 GeV. Kur të jenë grumbulluar mjaft antiprotone, ato injektohen në "Unazën Kryesore", përshpejtohen në 150 GeV dhe pastaj injektohen në "Tevatron". Këtu, protonet dhe antiprotonët përshpejtohen njëkohësisht në energji të plotë, dhe pastaj përplasen. Motivi i përgjithshëm i grimcave që përplasen është zero, kështu që e gjithë energjia 2 E rezulton të jetë e dobishme. Në rastin e Tevatron, ai arrin pothuajse 2 TeV.

Energjia më e lartë midis përplasësve elektron-pozitron u arrit në Unazën e Madhe Elektron-Pozitron të Ruajtjes në CERN, ku energjia e trarëve që përplaseshin në fazën e parë ishte 50 GeV për tra, dhe pastaj u rrit në 100 GeV për tra. Përplasësi HERA është ndërtuar në DESY, në të cilin ndodhin përplasje të elektroneve me protone.

Kjo fitim i madh i energjisë vjen me koston e një reduktimi të ndjeshëm të probabilitetit të përplasjeve midis grimcave të trarëve të dendësisë së ulët që përplasen. Shkalla e përplasjes përcaktohet nga shkëlqimi, d.m.th. numri i përplasjeve në sekondë, shoqëruar me një reagim të këtij lloji, që ka një prerje të caktuar kryq. Shkëlqimi është linearisht i varur nga energjia dhe rryma e rrezes dhe është në përpjesëtim të kundërt me rrezen e tij. Energjia e rrezes së përplasësit zgjidhet në përputhje me shkallën e energjisë të proceseve fizike nën studim.

Për të siguruar ndriçimin më të lartë, është e nevojshme të arrihet dendësia maksimale e mundshme e trarëve në pikën e takimit të tyre. Prandaj, problemi kryesor teknik në hartimin e përplasësve është përqendrimi i trarëve në pikën e takimit të tyre në një vend shumë të vogël dhe rritja e rrymës së trarit. Për të arritur shkëlqimin e dëshiruar, mund të kërkohen rryma më shumë se 1 A.

Një problem tjetër teknik jashtëzakonisht i vështirë shoqërohet me nevojën për të siguruar një vakum ultra të lartë në dhomën e përplasësit. Meqenëse përplasjet midis grimcave të rrezeve janë relativisht të rralla, përplasjet me molekulat e mbetura të gazit mund të dobësojnë ndjeshëm trarët, duke zvogëluar probabilitetin e ndërveprimeve nën studim. Përveç kësaj, shpërndarja e trarëve nga gazi i mbetur prodhon një sfond të padëshirueshëm në detektor që mund të maskojë procesin fizik nën studim. Vakumi në dhomën e përplasësit duhet të jetë brenda 10 –9 –10 –7 Pa (10 –11 –10 –9 mm Hg) në varësi të shkëlqimit.

Në energji më të ulëta, rrezet elektronike më intensive mund të përshpejtohen, gjë që bën të mundur hetimin e prishjeve të rralla NË- dhe TE-metrat për shkak të bashkëveprimeve elektro-dobëta. Një numër instalimesh të tilla, ndonjëherë të quajtura "fabrika aromash", janë aktualisht në ndërtim e sipër në SHBA, Japoni dhe Itali. Instalimet e tilla kanë dy unaza magazinimi - për elektronet dhe për pozitronet, të cilat kryqëzohen në një ose dy pika - rajone të ndërveprimit. Çdo unazë përmban shumë tufa grimcash me një rrymë totale prej më shumë se 1 A. Energjitë e trarëve zgjidhen në mënyrë që energjia e dobishme të korrespondojë me një rezonancë që prishet në grimcat jetëshkurtra nën studim - NË- ose TE-mendime. Projektimi i këtyre pajisjeve bazohet në një sinkrotron elektronik dhe unaza ruajtjeje.

Përplasësit linearë.

Energjitë e përplasjeve ciklike elektron-pozitron janë të kufizuara nga rrezatimi intensiv sinkrotron i emetuar nga rrezet e grimcave të përshpejtuara ( shikoni më poshtë) Përplasësit linearë nuk e kanë këtë pengesë, në të cilën rrezatimi sinkrotron nuk ndikon në procesin e përshpejtimit. Përplasësi Linear përbëhet nga dy përshpejtues linear me energji të lartë, rrezet me intensitet të lartë të të cilave - elektroni dhe pozitroni - drejtohen drejt njëri-tjetrit. Trarët takohen dhe përplasen vetëm një herë, pas së cilës ato hiqen në amortizues.

Përplasësi i parë linear është Stanford Linear Collider, i cili përdor një përshpejtues linear Stanford të gjatë 3.2 km dhe operon me 50 GeV. Në sistemin e këtij përplasësi, tufat e elektroneve dhe pozitroneve përshpejtohen në të njëjtin përshpejtues linear dhe ndahen kur rrezet arrijnë energjinë e tyre të plotë. Pastaj tufat elektronike dhe pozitronike transportohen përgjatë harqeve të veçantë, forma e të cilave i ngjan tubave të stetoskopit mjekësor dhe përqendrohen në një diametër prej rreth 2 mikronë në rajonin e ndërveprimit.

Teknologjitë e reja.

Kërkimi për metoda më ekonomike të nxitimit çoi në krijimin e sistemeve të reja të akseleratorit dhe gjeneratorëve me frekuencë të lartë me fuqi të lartë që operojnë në intervalin e frekuencës nga 10 në 35 GHz. Shkëlqimi i përplasjeve elektron-pozitron duhet të jetë jashtëzakonisht i lartë, pasi seksioni kryq i proceseve zvogëlohet ndërsa sheshi i energjisë së grimcave. Prandaj, dendësia e trarëve duhet të jetë jashtëzakonisht e lartë. Në një përplasës linear me një energji prej rreth 1 TeV, madhësitë e rrezes mund të arrijnë 10 nm, e cila është shumë më e vogël se rrezja në Stanford Linear Collider (2 μm). Me madhësi kaq të vogla rrezesh, nevojiten magnet shumë të fuqishëm dhe të qëndrueshëm me kontrolle automatike elektronike të sofistikuara për të përputhur me saktësi elementet e fokusimit. Kur rrezet e elektronit dhe pozitronit kalojnë përmes njëra-tjetrës, bashkëveprimi i tyre elektrik neutralizohet dhe ai magnetik përmirësohet. Si rezultat, fushat magnetike mund të arrijnë 10,000 Tesla. Fusha të tilla gjigande janë të afta të deformojnë rëndë rrezet dhe të çojnë në një përhapje të madhe të energjisë për shkak të gjenerimit të rrezatimit sinkrotron. Këto efekte, së bashku me konsideratat ekonomike që lidhen me ndërtimin e makinave gjithnjë e më të gjera, do të vendosin një kufi në energjinë e arritshme në përplasjet elektron-pozitron.

DYQANET ELEKTRONIKE

Sinkrotronët elektronikë bazohen në të njëjtat parime si ato protonike. Sidoqoftë, për shkak të një tipari të rëndësishëm, ato janë teknikisht më të thjeshta. Masa e vogël e elektronit bën të mundur injektimin e një rreze me shpejtësi afër shpejtësisë së dritës. Prandaj, një rritje e mëtejshme e energjisë nuk shoqërohet me një rritje të dukshme të shpejtësisë, dhe sinkrotronët elektron mund të funksionojnë në një frekuencë fikse të tensionit përshpejtues nëse rrezja injektohet me një energji prej rreth 10 MeV.

Sidoqoftë, kjo përparësi anulohet nga një pasojë tjetër e vogëlsisë së masës elektronike. Meqenëse elektroni lëviz në një orbitë rrethore, ai lëviz me nxitim (centripetal), dhe për këtë arsye lëshon fotone - rrezatim, i cili quhet rrezatim sinkrotron. Fuqia R rrezatimi sinkrotron është proporcional me fuqinë e katërt të energjisë së rrezes E dhe aktuale Une, dhe gjithashtu në përpjesëtim të kundërt me rrezen e unazës R, në mënyrë që të jetë proporcionale me vlerën ( E/m) 4 IR -1 Kjo energji, e humbur në çdo rrotullim të rrezes elektronike në orbitën e saj, duhet të kompensohet nga voltazhi me frekuencë të lartë i aplikuar në boshllëqet përshpejtuese. Në "fabrikat e aromave" të dizajnuara për intensitet të lartë, humbje të tilla të energjisë mund të arrijnë në dhjetëra megavat.

Përshpejtuesit ciklikë të tipit sinkrotron elektronik mund të përdoren gjithashtu si akumulues të rrymave të mëdha qarkulluese me energji të lartë konstante. Unaza të tilla magazinimi kanë dy zbatime kryesore: 1) në studimet e bërthamës dhe grimcave elementare me metodën e përplasjes së trarëve, siç u diskutua më lart, dhe 2) si burime të rrezatimit sinkrotron të përdorura në fizikën atomike, shkencën e materialeve, kiminë, biologjinë dhe mjekësinë.

Energjia mesatare e fotoneve e rrezatimit sinkrotron është proporcionale me ( E/m) 3 R -1 Kështu, elektronet me energji të rendit 1 GeV që qarkullojnë në unazën e magazinimit lëshojnë rrezatim intensiv sinkrotron në rrezet ultraviolet dhe rrezet X. Shumica e fotoneve emetohen brenda një këndi të ngushtë vertikal të rendit të m/E... Meqenëse rrezja e rrezeve elektronike në unazat moderne të magazinimit për energji të rendit 1 GeV matet në dhjetëra mikrometra, rrezet e rrezatimit X të emetuar prej tyre karakterizohen nga shkëlqim të lartë, dhe për këtë arsye mund të shërbejnë si një mjet i fuqishëm për studimin e strukturës së materies. Rrezatimi emetohet tangjencialisht në rrugën e lakuar të elektroneve. Si pasojë, secili magnet devijues i unazës së ruajtjes së elektronit, kur një tufë elektronesh kalon nëpër të, krijon një "qendër të vëmendjes" së rrezatimit të shpalosur. Ajo shkarkohet përmes kanaleve të gjata të vakumit tangjenciale me dhomën kryesore të vakumit të pajisjes së magazinimit. Të çarat dhe kolimatorët e vendosur përgjatë këtyre kanaleve formojnë trarë të ngushtë, nga të cilët më pas nxirret diapazoni i kërkuar i energjive të rrezeve X duke përdorur monokromatorë.

Burimet e para të rrezatimit sinkrotron ishin instalimet e ndërtuara fillimisht për të zgjidhur problemet në fizikën me energji të lartë. Një shembull është unaza e ruajtjes së pozitron-elektronit në Stanford 3 GeV në Laboratorin e Rrezatimit Stanchron Synchrotron. Ky konfigurim u përdor për të zbuluar mezone të "sharmuara".

Burimet e hershme të dritës sinkrotron nuk ishin mjaft fleksibël për të përmbushur nevojat e ndryshme të qindra përdoruesve. Rritja e shpejtë e kërkesës për rrezatim sinkrotron me fluks të lartë dhe me rreze të lartë ka dhënë burime të gjeneratës së dytë të dizajnuara për të përmbushur nevojat e të gjithë përdoruesve të mundshëm. Në veçanti, sistemet e magneteve u zgjodhën për të zvogëluar emetencën e rrezes elektronike. Emetimi i ulët do të thotë një madhësi më e vogël e rrezes dhe për këtë arsye një shkëlqim më i lartë i burimit të rrezatimit. Përfaqësuesit tipikë të kësaj gjenerate ishin unazat e magazinimit në Brookhaven, të cilat shërbyen si burime të rrezeve X dhe rrezatimit nga rajoni ultraviolet i vakumit të spektrit.

Shkëlqimi i rrezatimit mund të rritet gjithashtu duke detyruar rrezen të lëvizë përgjatë një rruge sinusoidale në një strukturë periodike magnetike dhe pastaj duke kombinuar rrezatimin që ndodh në çdo kthesë. Nxjerrësit - strukturat magnetike që sigurojnë një lëvizje të tillë, janë një seri dipolesh magnetike që devijojnë rrezen në një kënd të vogël, të vendosura në një vijë të drejtë në boshtin e rrezes. Shkëlqimi i rrezatimit të gjeneruar nga një zhvlerësues i tillë mund të jetë qindra herë më i lartë se shkëlqimi i rrezatimit të gjeneruar në magnet që devijojnë.

Në mesin e viteve 1980, filloi krijimi i burimeve të rrezatimit sinkrotron të gjeneratës së tretë me një numër të madh të valëzuesve të tillë. Ndër burimet e para të gjeneratës së tretë janë "Burimi i Avancuar i Dritës" me një energji prej 1.5 GeV në Berkeley, duke gjeneruar rrezet X të buta, si dhe "Burimi i Avancuar i Photonit" me një energji prej 6 GeV në Laboratorin Kombëtar të Argonne (SHBA) dhe një sinkrotron me një energji prej 6 GeV në Qendrën Evropiane të Rrezatimit Synchrotron në Grenoble (Francë), të cilat përdoren si burime të rrezeve X të forta. Pas ndërtimit të suksesshëm të këtyre objekteve, një numër i burimeve të rrezatimit sinkrotron u krijuan në vende të tjera.

Një hap i ri drejt ndriçimit më të lartë në rrezen X të rrezeve X infra të kuqe në të vështirë shoqërohet me përdorimin e dipoleve magnetike "të ngrohta" me një forcë të fushës magnetike prej rreth 1.5 T dhe dipoleve magnetike superpërcjellëse shumë më të shkurtër me një fushë prej disa Tesla në sistemin e magnetit bending. Kjo qasje po zbatohet në një burim të ri të rrezatimit sinkrotron që po krijohet në Institutin Scherrer në Zvicër, dhe në modernizimin e burimit në Berkeley.

Përdorimi i rrezatimit sinkrotron në kërkimin shkencor ka fituar një shtrirje të gjerë dhe vazhdon të zgjerohet. Shkëlqimi i jashtëzakonshëm i rrezeve të tilla me rreze X bën të mundur krijimin e një gjenerate të re të mikroskopëve me rreze X për studimin e sistemeve biologjike në mjedisin e tyre normal ujor. Mundësia e analizës së shpejtë të strukturës së viruseve dhe proteinave për zhvillimin e përgatitjeve të reja farmaceutike me një fokus të ngushtë në faktorët që shkaktojnë sëmundje dhe efektet anësore minimale po hapet. Trarët e ndritshëm me rreze X mund të shërbejnë si mikroproba të fuqishme për zbulimin edhe të sasive më të vogla të papastërtive dhe ndotësve. Ato bëjnë të mundur që shumë shpejt të analizohen mostrat e mjedisit në studimin e rrugëve të ndotjes së mjedisit. Ato gjithashtu mund të përdoren për të vlerësuar pastërtinë e meshave të mëdha silic para procesit të kushtueshëm të fabrikimit të qarqeve shumë komplekse të integruara, dhe ato hapin rrugë të reja për litografinë, duke lejuar, në parim, qarqe të integruar me elementë nën 100 nm.

NGJITSIT N IN MJEKSI

Përshpejtuesit luajnë një rol të rëndësishëm praktik në terapinë mjekësore dhe diagnostikimin. Shumë spitale në të gjithë botën sot kanë në dispozicion akseleratorë të vegjël linearë elektronikë që gjenerojnë rrezet X intensive për terapinë e tumoreve. Ciklotronet ose sinkrotronët që gjenerojnë rrezet e protoneve përdoren në një masë më të vogël. Përparësia e protoneve në terapinë tumorale ndaj rrezeve X është në një çlirim më të lokalizuar të energjisë. Prandaj, terapia me protone është veçanërisht e efektshme në trajtimin e tumoreve të trurit dhe syve, kur dëmtimi i indeve të shëndetshme përreth duhet të jetë sa më minimal. .

NGJYRSIT E GJYKATAVE TG SHENUARA - instalimet që shërbejnë për të përshpejtuar ngarkimin. grimcat tek energjitë e larta. Në përdorimin e zakonshëm të akseleratorëve (U.) quhet. instalime të dizajnuara për të përshpejtuar grimcat në energjitë e mësipërme \ MeV. Një energji prej 940 GeV është arritur në ekografinë protonike që thyej rekordin, Tevatron (Laborator Fermi, SHBA). Përshpejtuesi më i madh elektronik LEP (CERN, Zvicër) përshpejton rrezet e përplasjes së elektroneve dhe pozitoneve deri në një energji prej 45 GeV (pas instalimit të pajisjeve shtesë përshpejtuese, energjia mund të dyfishohet). U. përdoren gjerësisht si në shkencë (gjenerimi i grimcave elementare, studimi i vetive të tyre dhe struktura e brendshme, prodhimi i nuklideve që nuk ndodhin në natyrë, studimi i reaksioneve bërthamore, radiobiologjia, kërkimet kimike, puna në fushën e fizikës së gjendjes së ngurtë, etj.) dhe për qëllime të aplikuara (sterilizimi i pajisjeve mjekësore, materialeve, etj., prova jo shkatërruese, prodhimi i elementeve mikroelektronikë, prodhimi i përgatitjeve radiofarmakologjike për diagnostikimin mjekësor, terapia rrezatuese, teknologjitë rrezatuese në teknologjinë e artit, polimerizimi i llaqeve, modifikimi i vetive materiale, për shembull, goma, prodhimi i tubave që zvogëlohen nga nxehtësia, etj.).

Në të gjithë veprimin e U. ngarkohet një rritje e energjisë. grimcat ndodhin nën veprimin e gjatësisë së jashtme (të drejtuara përgjatë shpejtësisë së grimcave të përshpejtuara) elektrike. fushat. Një kërkim është duke u zhvilluar për mënyrat për të përshpejtuar me ndihmën e fushave të krijuara nga grimca të tjera në lëvizje ose elektromagnet. valët, të cilat ngacmohen ose modifikohen nga rrezja e grimcave të përshpejtuara ose rrezeve të tjera ( metodat kolektive të nxitimit) . Metodat kolektive teorikisht bëjnë të mundur rritjen dramatike të shpejtësisë së nxitimit (energjia e akumuluar në \ shtegu m) dhe intensiteti i trarëve, por deri më tani nuk kanë çuar në sukses serioz.

U. përfshijnë elementët e mëposhtëm: një burim i grimcave të përshpejtuara (elektronet, protonet, antigrimcat); gjeneratorë elektrikë ose el - magn. fushat përshpejtuese; një dhomë vakumi, në të cilën grimcat lëvizin gjatë nxitimit (në një mjedis të gaztë të dendur, nxitimi i grimcave të ngarkuara është i pamundur për shkak të bashkëveprimit të tyre me molekulat e gazit që mbushin dhomën); pajisjet që shërbejnë për hyrjen () dhe lëshimin (nxjerrjen) e rrezes nga U.; pajisje fokusimi që sigurojnë lëvizje të vazhdueshme të grimcave pa goditur muret e dhomës së vakumit; magnet që përkulin trajektoret e grimcave të përshpejtuara; pajisje për hetimin dhe korrigjimin e pozicionit dhe konfigurimit të trarëve të përshpejtuar. Në varësi të veçorive të U., një ose më shumë nga elementët e renditur mund të mungojnë në to.

Për qëllim të rrezatimit. siguria U. janë të rrethuara nga mure dhe tavane mbrojtëse (mbrojtje biologjike). Trashësia dhe zgjedhja e materialit mbrojtës varet nga energjia dhe intensiteti i trarëve të përshpejtuar. Përshpejtuesit me energji më të larta se disa. GeV zakonisht ndodhet nën tokë për arsye sigurie.

Sipas parimit të pajisjes, veprimi i drejtpërdrejtë U. dallohet, ose përshpejtuesit e tensionit të lartë (nxitimi në postë, fusha elektrike), përshpejtuesit e induksionit (nxitimi në fushat elektrike të vorbullës që lindin kur induksioni magnetik ndryshon) dhe rezonanca U., në të cilën gjatë nxitimit, V Ch el - magn. fushat. Të gjitha energjitë që veprojnë me energji jashtëzakonisht të larta i përkasin llojit të fundit.

Moderne U. janë të ndara në dy klasa të mëdha: përshpejtuesit linearë dhe përshpejtuesit ciklikë... Në ultrazërit linear, trajektoret e grimcave të përshpejtuara janë afër vijave të drejta. Stacionet përshpejtuese janë të vendosura përgjatë gjithë gjatësisë së U të tillë. Më e madhja e linjës operative U. (U. elektronike në Stanford) ka një gjatësi prej një milje (3.05 km). Flukset lineare bëjnë të mundur marrjen e flukseve të fuqishëm të grimcave, por në energji të larta ato janë shumë të shtrenjta. Në mënyrë ciklike. W. magn "udhëheqës". fusha përkul trajektoret e grimcave të përshpejtuara, duke i mbështjellë në një rreth ( përshpejtuesit e unazave ose sinkrotronet) ose spiralet ( ciklotron, fazotron, betatron dhe mikrotron) U të tilla përmbajnë një ose më shumë pajisje përshpejtuese, te të cilat grimcat kthehen vazhdimisht gjatë ciklit të përshpejtimit.

Duhet të theksohet ndryshimi midis ultrazërit të grimcave të dritës (elektronet dhe pozitronet), të cilat zakonisht quhen. elektronike U., dhe U. grimca të rënda (protone dhe jone).

Akseleratorë elektronikë... Karakteristikat e elektr. shoqërohen me dy arsye. Shpejtësia e elektroneve dhe pozitoneve tashmë në energji të ulëta (disa MeV) ndryshon pak nga shpejtësia e dritës dhe zakonisht mund të konsiderohet konstante, gjë që thjeshtëson dhe lihet shumë U. Por, nga ana tjetër, elektronet dhe positronet në magn. fushat humbasin shumë energji në elektromagnet. rrezatimi ( rrezatimi sinkrotron)... Në mënyrë ciklike. Këto humbje çojnë ose në dimensione të mëdha të rrezatimit (në rrezet e mëdha të lakimit, humbjet për rrezatimin sinkrotron zvogëlohen), ose në nevojën për të pasur stacione të fuqishme përshpejtuese, të cilat do të rrisin shumë koston e rrezatimit. gjë që e bën më të lehtë krijimin drejtonlejimi i eksperimenteve në trarëve që përplasen.

Kërthizat elektronike të unazave përdoren si burime të rrezatimit sinkrotron në rrezet UV ose rrezet X. varg Për shkak të dendësisë së lartë të rrezatimit dhe drejtueshmërisë së saj të mprehtë, ciklike. W. janë burime unike të elektromagnetit. valët e intervalit të treguar. Humbjet e mëdha të elektroneve ndaj rrezatimit shpesh detyrohen t'i japin përparësi Y-së lineare.

Përshpejtuesit e grimcave të rënda (kryesisht protonet) janë shumë të ndryshme nga U elektronike. Humbjet e energjisë për rrezatimin sinkrotron në to në energjitë e arritura në kohën e tanishme ( \ TeV) praktikisht mungojnë dhe zakonisht është e padobishme të mbash një shpejtësi të lartë përshpejtimi (meqenëse fuqia e konsumuar për të furnizuar stacionet e përshpejtimit është proporcionale me katrorin e forcës së fushës elektrike dhe rritet me shpejtësi me një rritje të shpejtësisë së nxitimit). Mungesa e rrezatimit të dukshëm sinkrotron çon në faktin se amplituda e grimcave tërthore në proces do të përshpejtohet, cikli prishet relativisht ngadalë (si rrënja katrore e vrullit të grimcave) dhe qëndrueshmëria e lëvizjes në mungesë të specialeve. masat shkelen nën ndikimin e trazirave edhe relativisht të dobëta. Të gjitha grimcat e rënda me energji të lartë janë të tipit ciklik. ^ iV

Në vitet 90-të. unazat e magazinimit dhe përplasjes, në të cilat ngarkohen trarë të dendur, po bëhen gjithnjë e më të rëndësishme. grimcat qarkullojnë për një kohë të gjatë, pa ndryshuar energjinë e tyre. Unaza të tilla përdoren për të kryer reagime midis grimcave që lëvizin drejt njëri-tjetrit (trarëve që përplasen), për të grumbulluar jone dhe grimca që nuk ndodhin direkt në natyrë (pozitronet dhe antiprotonet), dhe gjithashtu për të gjeneruar rrezatim sinkrotron. Në bashkëveprimin e grimcave që lëvizin drejt njëra-tjetrës, e gjithë energjia e dhënë atyre gjatë nxitimit mund të realizohet, ndërsa në bashkëveprimin e grimcave të përshpejtuara me ato të palëvizshme, pjesa më e madhe e energjisë lidhet me lëvizjen e qendrës së masës së grimcave dhe nuk merr pjesë në reagime.

Referencë historike... Zhvillimi i U. filloi në vitet 1920. dhe kishte për qëllim ndarjen e bërthamave atomike. Para se të krijoheshin të tjerët gjeneratorë elektrostatikë [R. R. Van de Graaf] dhe gjeneratorë kaskadash [J. Cockroft (J. Cockroft) dhe E. Walton (E. Walton)], që i përkasin veprimit të drejtpërdrejtë të klasës U. dhe më pas ciklit të parë. rezonante W.- [E. Lawrence (E. Lawrence), 1921]. Në vitin 1940 D. Kerst ndërtoi induksionin e parë W. lloji - betatron.

Në vitet 40-të. u shfaq teorike. punime në të cilat është hetuar qëndrueshmëria e lëvizjes së grimcave të përshpejtuara. Në punimet e para të këtij cikli [V. I. Veksler dhe Amer. fizikani E. McMillan] konsideroi qëndrueshmërinë e lëvizjes gjatësore (fazore), formuloi parimin aetofaza... Pastaj kishte punime për krijimin e teorisë së lëvizjes tërthore të lëkundjeve të grimcave-beta-fron, të cilat çuan në zbulimin e përqendrimit të fortë (alternuar) [N. Christofilos (N. Christophilos), 1950; E. Curant, M. Livingston, H. Snyder, 1952], në themel të të gjitha moderneve. e madhe W.

Zhvillimi i shpejtë i teknologjisë së fuqishme të radios me fuqi të lartë. pajisjet që ndodhën gjatë Luftës së Dytë Botërore (1939–45) bënë të mundur fillimin e krijimit të ultrazërit linear për energji të larta. Në elektronike lineare përdoret U. elektrike. fusha e valëve udhëtuese të intervalit decimetër në diafragmë. udhëzuesit e valëve, në proton - zhvilluar nga diapazoni i njehsorëve L. Alvarez (L. Alvarez), i ngarkuar me tuba tranzit. Ne fillim. pjesë të U. të tilla përdoren gjithnjë e më shumë nga U. me përqendrimi katërfish i frekuencës së lartë (Emërtimi anglisht RFQ), në krijimin e toryh basic. roli u luajt nga V. V. Vladimirsky, I. M. Kapchinsky dhe V. A. Teplyakov.

Kur ndërtohet, ciklike. U. përdoren gjithnjë e më shumë magnet superpërcjellës. sistemet. Magnet superpërcjellës përdoren në ciklotron për të krijuar një postim. magn fushat dhe në sinkrotronet proton-të gjenerojë ngadalë (gjatë shumë sekondave) magnet të ndryshueshëm. fushat. Kështu funksionon sinkrotroni proton më i madh operativ, Tevatron (SHBA).

Deri në vitet 80-të. kryesore zbulimet në fizikën e grimcave elementare u bënë në sinkrotronet e protoneve. Në ditët e sotme shumë rezultate interesante po merren në përshpejtuesit e unazave elektron-pozitron dhe proton-antiproton me trarë që përplasen (kollayderakh). Përparësitë e një U. të tillë mbi të zakonshmen: 1) krijesat. një rritje në energjinë e ndërveprimit (në qendër të sistemit të masës); në rastin ultrarelativist, i cili gjithmonë ndodh në trarëve që përplasen, kjo energji rritet nga në përplasjen e grimcave të shpejta me bërthamat e një caku të palëvizshëm para se të përplasen ( tështë masa e atomeve që përplasen dhe atomeve të synuar, - energjia totale e grimcave të përshpejtuara); 2) një rënie e mprehtë në sfond nga reagimet e jashtme. Kryesore mungesa e përplasësve është një rënie e konsiderueshme (nga disa rende të madhësisë) në numrin e ndërveprimeve (në të njëjtën kohë). Teknika e u.s në formë unaze me trarët elektron-pozitron që përplasen u përvetësua në 1961 (një përshpejtues për një energji prej 2 x 250 MeV në Frascatti, Itali), dhe instalimet me trarëve proton dhe antiproton që përplaseshin u shfaqën vetëm pasi u propozuan metodat e elektroneve. ronnogo (A.M.Budker, 1967) dhe me t rreth khastichsky rreth [S. S. Van der Meer (1972) ftohja e grimcave të rënda (shih. Trarët e ftohjes z a z a zhen n s h dhe t dhe c). Gjithnjë e më shumë vëmendje i kushtohet zhvillimit të gjërave jo-tradicionale. metodat e përshpejtimit: metodat kolektive, nxitimi në rrahjet e fushave lazer, nxitimi në fushat e zgjimit, etj. Fillimi i kësaj pune u vu nga V. I. Veksler, A. M. Budker dhe Ya. B. Fainberg. Sidoqoftë, U. bazuar në këto ide nuk është krijuar ende.

Akseleratorë me veprim të drejtpërdrejtë... Në një ngarkesë të tillë U. grimcat rrisin energjinë në konstante ose gjysmë konstante (nuk ndryshojnë gjatë kohës gjatë së cilës grimcat fitojnë energji të plotë) elektrike. fushat. Energjia e fituar nga grimcat është e barabartë në këtë rast me ngarkesën e tyre shumëzuar me diferencën e mundshme të kaluar. Energjia maksimale e arritshme e grimcave në veprim të drejtpërdrejtë përcaktohet nga diferenca më e madhe e mundshme (15-18 MB), e cila mund të krijohet pa prishje fizike. instalimet. Në të gjithë veprimet e drejtpërdrejta U. të përdorura praktikisht, elektroda e fundit e sistemit të përshpejtimit është në potencialin e tokës, pasi që vetëm në këtë rast grimcat e larguara nga U. nuk e humbin energjinë e fituar gjatë lëvizjes së mëtejshme.

U. veprimi i drejtpërdrejtë përfshin elektrostatik. gjeneratorë, gjeneratorë kaskadash dhe përforcues të rimbushshëm (ose tandem U.). Grimcat e përshpejtuara në U të tillë lëvizin brenda dhe përgjatë një tubi të bërë nga izolatorët. material (zakonisht prej porcelani), brenda prerjes krijohet një vakum, i cili është i nevojshëm për lëvizjen e papenguar të grimcave të përshpejtuara, dhe jashtë (nën presion të lartë) injektohet një përzierje gazi e tharë me kujdes, pa oksigjen (më shpesh azot me një përzierje të heksafluoridit të squfurit), duke parandaluar zhvillimin e energjisë elektrike. prishjet. Krijohet një ndryshim potencial përshpejtues midis elektrodave të vendosura në skajet e tubit (Fig. 1). Elektrike. fusha e drejtuar përgjatë boshtit të tubit nivelohet nga metali. do të ndajnë. unaza të lidhura me Omsk. ndarës i tensionit.

Në elektrostatike U. tension i lartë krijohet duke përdorur një shirit lëvizës të shpejtë të bërë nga materiali izolues, për shembull. gome Në pjesën e tensionit të ulët të instalimit, elektrike aplikohet në shirit. ngarkuar Kjo ngarkesë rrjedh poshtë në shirit nga metali. gjilpëra të ngarkuara nga speciale. gjenerator deri në disa. dhjetëra kV. Rripi lëvizës transferon ngarkesën në pjesën e tensionit të lartë të U. e vendosur brenda metalit të zbrazët. kapak Atje, ngarkesa hiqet nga kaseta duke përdorur të njëjtat hala dhe rrjedh prej tyre në sipërfaqen e jashtme të kapakut. Potenciali i ziles (dhe i të gjitha pajisjeve të mbyllura brenda tij, përfshirë burimin e jonit dhe elektrodën e tensionit të lartë të tubit) rritet vazhdimisht kur mbërrijnë ngarkesat dhe kufizohet vetëm nga prishja.

Figura: 1. Diagrami i pajisjes së tubit përshpejtues.

Në gjeneratorët e kaskadës, qarqet e shumëzimit të tensionit përdoren për të krijuar ndryshime të mëdha të mundshme.

Në hapin e parë, vlerat negative përshpejtohen. jonet (atomet që përmbajnë një elektron shtesë), dhe më pas, pas heqjes së dy (ose disa) elektroneve, do të vendosen gjatë zhveshjes. jonet Të dy burimet dhe pajisjet e daljes së një U. të tillë janë në potencialin e tokës, dhe elektroda e tensionit të lartë e pajisur me një pajisje zhveshëse është e vendosur në cf. pjesët e U. U e Rimbushshme bëjnë të mundur marrjen e vlerave të dyfishta (dhe me zhveshje më të thellë, madje edhe më të lartë) të energjisë pa prishje.

Përshpejtuesit e induksionit... Për induksion. W. zotëron betatronë dhe induktorë linearë. W.

Figura: 2. Seksioni skematik i betatron: 1 - polet e magnetit; 2 -seksioni i dhomës vakum unazore; 3 -bërthamë; 4 - mbështjellje elektromagneti; 5 - zgjedha e magnetit.

Diagrami skematik i pajisjes betatron tregohet në Fig. 2. Grimcat e përshpejtuara (elektronet) lëvizin në një dhomë vakumi unazor 2 e vendosur në boshllëkun e elektromagnetit ( 1 - polet e magnetit). Ato përshpejtohen nga një elektrik vorbull. fushë, një prerje është e ngazëllyer kur ndryshon magn. rrjedhin, duke depërtuar në orbitën e grimcave të përshpejtuara. Kryesore një pjesë e kësaj rrjedhe kalon përmes bërthamës 3 ndodhet ne qender. pjesët e betatronit. Dredha-dredha 4 ushqehen me AC aktual Konfigurimi i magnetit fusha në betatron duhet t’i bindet dy kushteve: 1) magn. induksion në qendër. orbita duhet të korrespondojë me ndryshimin e energjisë së elektroneve; 2) konfigurimi magn. fusha në një dhomë vakumi duhet të sigurojë qëndrueshmërinë e lëvizjes tërthore të elektroneve ose, siç thonë ata, stabilitetin e tyre lëkundjet e betatronit (Shikoni më poshtë). Magnetët e pjerrët në formë unaze të vendosur sipër dhe poshtë dhomës. polet krijojnë një fushë të nevojshme për një stabilitet të tillë, duke u zvogëluar drejt periferisë (Fig. 8, b).

Ideja e metodës së përshpejtimit betatron u shpreh në 1922 nga J. Slepian, themelet e teorisë u zhvilluan në 1948 nga R. Wideroe. Betatroni i parë u ndërtua në vitin 1940. Thjeshtësia dhe besueshmëria e betatronëve siguroi përdorimin e tyre të gjerë në teknologji dhe mjekësi (në intervalin e energjisë 20-50 MeV).

Në përshpejtuesit e induksionit linear, linjat e energjisë janë elektrike. fushat (me intensitet E) drejtohen përgjatë boshtit të akseleratorit. Elektrike. fusha induktohet nga një magn i ndryshueshëm në kohë. nga fluksi që kalon përmes rregulluar njëri pas tjetrit induktorët ferrite të unazës 1 (fig. 3). Magn fluksi ngacmohet në to nga impulse të rrymës së shkurtër (dhjetëra ose qindra ns) të kaluara nëpër mbështjellje me një kthesë 2 induktorët që mbulojnë. Fokusimi bëhet me një madhësi gjatësore. fushë, një prerje krijohet nga mbështjellje 3 të vendosura brenda induktorëve. Induksioni linear U. bën të mundur marrjen e rrymave rekord (kiloamper) në një impuls; naib më i fuqishmi i U-së që punon - ATA (SHBA) - përshpejton elektronet në një energji prej 43 MeV në një rrymë prej 10 kA. Kohëzgjatja e impulseve aktuale është 50 ns.

Figura: 3. Diagrami i një pajisje induksioni linear përshpejtues: 1 -bërthama e induktorit; 2 -ngacmues dredha-dredha; 3 - spiralja fokusuese.

Akseleratorë rezonantë... Në rezonantë U. për të rritur ngarkesën e energjisë. grimcat përdoren HF gjatësore elektrike. fushat. Përshpejtimi në fusha të tilla është i mundur nëse plotësohet një prej dy kushteve: ose grimcat që përshpejtohen duhet të lëvizin së bashku me elektromagnetin. valë, duke ruajtur pozicionin e tyre në lidhje me të (valë përshpejtuese dhe udhëtuese), ose ata duhet të ndërveprojnë me të vetëm në momente të tilla në kohë kur janë elektrike. fusha ka drejtimin e dëshiruar (përshpejtues) dhe madhësinë e kërkuar (rezonanca e duhur Y.). Zonat në të cilat grimcat bashkëveprojnë me fushën përshpejtuese quhen. me një shkurtore dhe një shkurtore. Në pjesën tjetër të shtegut, grimcat nuk përjetojnë veprimin e fushës HF, ose sepse thjesht nuk është atje, ose sepse grimcat mbrohen prej saj nga ekranet.

U. me një valë udhëtuese përdoret në kryesore. për përshpejtimin e grimcave të dritës (elektronet dhe pozitronet), shpejtësia e të cilave tashmë në energji të ulët ndryshon pak nga. Shpejtësia e fazës së elektromagnetit. valët në udhëzuesit e valëve të vakumit gjithmonë tejkalojnë shpejtësinë e dritës; ngarkimi i udhëzuesve të valëve me një sistem të shpuar. diafragmat, ju mund të ngadalësoni shpejtësinë e valës, por jo shumë. Prandaj, për të përshpejtuar grimcat e ngadalta, nuk përdoret një valë udhëtuese.

.

Figura: 4. Diagrami i pajisjes së përshpejtuesit Wideroe: 1 - tuba f kalimtarë; 2-gjenerator i lëkundjeve HF; 3 - lejet e përshpejtimit;

Përshpejtuesit e rezonancës lineare... Rezonanca më e thjeshtë U. - përshpejtuesi Videroe (Fig. 4). Vendosur metalik përgjatë rrezes. Tubat e fluturimit janë të lidhur (përmes një) me polet e gjeneratorit RF. Në boshllëqet përshpejtuese (hapësirat midis tubave të fluturimit të ngarkuar në mënyrë të kundërt), krijohet një elektrik gjatësor. Fushë HF me një tension të rendit të qindra kV. Grimcat që i afrohen boshllëkut përshpejtues në kohën e duhur përshpejtohen në mënyrë elektrike. fushë, dhe pastaj "fshihen" në tubin tjetër të fluturimit. Gjatësia dhe shpejtësia e saj e grimcave janë të koordinuara me njëra-tjetrën në mënyrë që grimcat të afrohen në boshllëkun tjetër në kohën kur janë elektrike. fusha ka drejtimin dhe madhësinë e duhur, d.m.th., e njëjta fazë si në hendekun e mëparshëm të përshpejtimit. Për këtë, është e nevojshme që gjendja

ku / është gjatësia e tubit dhe hendeku përshpejtues; - shpejtësia e grimcave, e shprehur në thyesa të shpejtësisë së dritës s; -gjatesi vale el - magn. dridhjet (në zbrazëti); p-do numër i plotë. Rrezja e përshpejtuar përbëhet, d.m.th., nga një zinxhir tufash grimcash (tufa) që kanë kaluar nëpër boshllëqet përshpejtuese me elektricitetin e duhur. fushat. Kur zhvilloni strukturën e një U lineare është e rëndësishme të zgjidhni saktë gjatësitë jo vetëm të tubave të hapësirës, \u200b\u200bpor edhe të boshllëqeve përshpejtuese. Këto gjatësi, nga njëra anë, duhet të jenë mjaft të mëdha për të përballuar tensione të dukshme (qindra kV, dhe nganjëherë megavolt), dhe nga ana tjetër, mjaft të vogla në mënyrë që faza e lëkundjeve të HF të mos ndryshojë shumë gjatë kalimit të grimcës.

Ndërsa shpejtësia e grimcave rritet, përshpejtuesit Wideroe bëhen joefektivë dhe u lëshojnë vendin akseleratorëve Aliaretz. Në to, tubat e fluturimit nuk janë të lidhur me gjeneratorin, por ndodhen njëri pas tjetrit brenda një cilindri të gjatë. rezonator, në Krom janë të ngazëllyer e - magn. luhatjet. Fusha HF, një prerje larg tubave tranzit, shpërndahet në të njëjtën mënyrë si në një rezonator konvencional, dhe përqendrohet afër boshtit të saj në boshllëqet përshpejtuese. Shtrirja e elementeve "boshllëku përshpejtues - tubi i fluturimit - boshllëku përshpejtues", etj., Mbetet i njëjtë si në përshpejtuesit Wideröe, por kushti (1) merr formën

Ekografia rezonante lineare funksionon në mënyrë efikase nëse injektohen në to grimca mjaft të shpejta, të cilat më parë ishin përshpejtuar me veprim të drejtpërdrejtë ose me anë të një fokusimi me frekuencë të lartë lëkundëse. - v

Ciklotronet- cikliku më i thjeshtë dhe historikisht i parë i U. lloji (fig. 5). Në të tashmen. Kuptimi i ciklotroneve quhet cikle rezonance. W., duke punuar me një magnet kryesor që nuk ndryshon në kohë. fushë dhe në një post, frekuenca e fushës HF përshpejtuese. Në ciklotronet konvencionale, magn. fusha është azimutale dhe pothuajse e pavarur nga rrezja; trajektoret e grimcave të përshpejtuara duken si spirale shpërthyese. Ciklotronet konvencionale përdoren për të përshpejtuar grimcat e rënda jorelativiste - protonet dhe jonet. Dhoma e vakumit të ciklotronëve është e kufizuar në ekst. mur cilindrik formë dhe dy kapakë të sheshtë të vendosur horizontalisht. Polet e elektromagnetit të ciklotroneve konvencionale krijojnë një magnet pothuajse të njëtrajtshëm (paksa bie drejt periferisë) në dhomë. fushë Hendeku i përshpejtimit formohet nga prerjet e dy elektrodave të vendosura në dhomë dhe përballë njëra-tjetrës, të cilat kanë formën e gjysmë cilindrave të zbrazët - duant. Dees janë të lidhura me polet e një gjeneratori të tensionit të lartë përmes linjave tremujore.

Figura: 5. Diagrami i pajisjes ciklotron.

Një grimcë që lëviz në një rreth ndikohet nga veprimi centripetal. Forca e Lorencit e barabartë me forcën centrifugale ku r është rrezja e lakimit të trajektores, Ze- ngarkesa e grimcave. Kështu që, Kalimi tek njësitë më të përshtatshme, ne marrim

ku pc- produkt i momentit të grimcave r me shpejtësinë e dritës nga - shprehur ne MeV, induksioni magn. fushat NË matur në tesla, dhe r në m.

Energjia përfundimtare e arritshme në ciklotronet konvencionale; është për protone përafërsisht. 20 MeV, dhe frekuenca e fushës përshpejtuese (në B \u003d 2 T) - afërsisht. 30 MHz. Në energji të lartë, grimcat e përshpejtuara dalin nga sinkronizmi me tensionin përshpejtues për shkak të zvogëlimit të NË nga qendra në periferi dhe për shkak të efekteve relativiste.

Ciklotronet konvencionale përdoren gjerësisht për prodhimin e izotopeve dhe në të gjitha rastet e tjera kur nevojiten protone (ose jone) me energji deri në 20 MeV (ose Me 20 MeV / nukleon). Nëse nevojiten protone me energji më të larta (deri në disa qindra MeV), atëherë përdoren ciklotron me madhësi azimutale. fushat. Stabiliteti i lëvizjes tërthore në ciklotronë të tillë sigurohet për shkak të refuzimit të simetrisë azimutale të magn. fushë dhe zgjedhja e një konfigurimi të tillë, buza ju lejon të ruani stabilitetin e lëvizjes dhe duke rritur (mesatarisht) në periferinë e vlerave të magn. induksion.

Procesi i përshpejtimit në ciklotron ndodh vazhdimisht: në të njëjtën kohë, disa grimca thjesht largohen nga burimi i jonit, të tjerët janë në mes të shtegut dhe të tjerët përfundojnë procesin e përshpejtimit. Rryma tipike int. rrezja në ciklotron është afërsisht. 1 mA, rryma e rrezes së nxjerrë varet nga efikasiteti i nxjerrjes dhe nga qëndrueshmëria termike e fletëve të daljes; zakonisht janë disa. dhjetëra μA.

Fazotronet... Në fazotronët magn. fusha është konstante në kohë dhe cilindrikja e saj ruhet. simetri. Magn fusha zvogëlohet drejt periferisë, frekuenca e rrotullimit të grimcave zvogëlohet me rritjen e energjisë dhe, në përputhje me rrethanat, frekuenca e fushës përshpejtuese zvogëlohet. Në këtë rast, kufizimet në energjinë e grimcave të përshpejtuara zhduken, por intensiteti i rrezes së përshpejtuar zvogëlohet ndjeshëm (me disa rende të madhësisë). Ndryshimi i frekuencës së fushës së përshpejtimit çon në faktin se procesi i përshpejtimit ndahet në cikle: një grumbull i ri grimcash mund të futet në fazotron vetëm pasi të ketë përfunduar përshpejtimi i grupit të mëparshëm dhe frekuenca të kthehet në vlerën e saj origjinale. Zona e zakonshme e punës së fazotronëve nga disa. qindra deri në mijëra MeV. Ndërsa energjia rritet më tej, magnet bëhen shumë të mëdhenj dhe pesha dhe kostoja e tyre rriten tepër. Kohët e fundit (vitet 90) nuk janë ndërtuar fazotronë të rinj. Për energji deri në disa. qindra MeV përdorin ciklotron me variacion azimutal të magn. fushat, dhe sinkrotronët përdoren për të përshpejtuar në energji të larta.

Sinkrotronet përdoret për të përshpejtuar grimcat e të gjitha llojeve: sinkrotronët e duhur për elektronet dhe sinkrotronët për protonet dhe jonet e tjerë (emri i vjetër është sinkrofazotronë, shih. Proton sinkrotron)... Energjia deri në të cilën grimcat përshpejtohen në sinkrotron është e kufizuar për elektronet nga fuqia e rrezatimit sinkrotron, dhe për protonet dhe jonet vetëm nga madhësia dhe kostoja e Y.

Në sinkrotronët, orbita mbetet konstante gjatë nxitimit, përgjatë së cilës qarkullojnë grimcat. Magnist kryesor. fusha krijohet vetëm përgjatë një shtegu të ngushtë, duke mbyllur një dhomë vakumi unazor, në të cilën lëvizin grimcat. Siç është e qartë nga (3), me postimin. rrezja e magn. induksioni duhet të rritet në përpjesëtim. vrulli i grimcave të përshpejtuara. Frekuenca e revolucionit me (në një gjatësi konstante të orbitës) shoqërohet me vrullin f-lo

ku është frekuenca me të cilën një grimcë që lëviz me shpejtësinë e dritës do të kthehej në sinkrotron. Frekuenca e fushës përshpejtuese mund të përkojë me frekuencën e rrotullimit të grimcave ose të jetë një numër i plotë herë (quhet frekuencë) që e tejkalojnë atë. Kështu, në sinkrotronet elektronike (për të cilat gjithmonë p \u003e\u003e mc) frekuenca e fushës përshpejtuese është konstante, ndërsa induksioni i magn. diferenca rritet. Në sinkrotronet protone, gjatë ciklit të përshpejtimit, si induksion i magn. fusha dhe frekuenca e tensionit përshpejtues.

Mikrotronet-ciklike. W. me postë. magn fushë dhe me një rritje të energjisë për revolucion të barabartë me energjinë e pushimit të elektronit (0,511 MeV). Nëse e gjithë rritja e energjisë ndodh në një seksion të shkurtër, atëherë në agjërim. magn fusha e një grimce transferohet nga një orbitë rrethore në tjetrën. Të gjitha këto orbita prekin njëra-tjetrën në pikën ku ndodhet pajisja përshpejtuese. Energjia e elektroneve në U. të tillë arrin disa. dhjetëra MeV.

Madhësitë e përshpejtuesit. Komplekset e akseleratorit... Gjatësia e linjës U. përcaktohet nga energjia e grimcave të përshpejtuara dhe shpejtësia e nxitimit, dhe rrezja e lakimit të orbitës së përshpejtuesve të unazës përcaktohet nga energjia e grimcave dhe maksimumi. induksioni i magnetit kryesor. fushat.

Në moderne. Shkalla lineare e përshpejtimit elektronik është 10-20 MeV / m, në proton - 2.5-5 MeV / m. Rritja e shpejtësisë së nxitimit shkon në dy linja kryesore. vështirësitë: një rritje e humbjeve rezistuese në muret e rezonatorëve dhe rreziku i elektricitetit. prishjet. Për të zvogëluar humbjet rezistuese, mund të përdorni rezonatorë superpërcjellës (U. të parët e tillë tashmë kanë filluar të punojnë); për të luftuar prishjet, shpërndarja e energjisë elektrike është në një linjë me kujdes. fushat në rezonatorë, duke shmangur inhomogjenitetin lokal. Possibleshtë e mundur që shpejtësia e përshpejtimit në njësitë protonike lineare mund të rritet me kohën me një rend të madhësisë.

Dimensionet e U. ciklike shoqërohen me induksionin e magnetit drejtues. fushat f-loj (3). Me përshpejtimin e grimcave të ngarkuara veç e veç dhe vlerën mesatare të unazës T (që i korrespondon kjo f-la jep (m) Në përputhje me këtë, një U 1 TeV duhet të ketë një perimetër prej ~ 20 km. Në mënyrë që t'i mbrojë ata nga rrezatimi, struktura të tilla janë ndërtuar nën tokë. Dimensionet e mëdha të prodhimit të energjisë me energji të lartë çojnë në shpenzime kapitale në miliarda dollarë.

Vlerësimet e mësipërme janë të vlefshme për W., magn. blloqet në-rykh përmbajnë një zgjedhë hekuri. Rrit B maksimumi mbi 1.8 T rezulton të jetë i pamundur për shkak të ngopjes së hekurit, por kjo mund të bëhet duke kaluar në magnet superpërcjellës. sistemet. U. i pari i tillë - Tevatron - tashmë po punon në Laborator. Fermi në SHBA. Magn fusha në blloqe, e mbështjellë me një kabllo me përcjellës NbTi në një matricë bakri, në një temperaturë prej 4 K mund të ngrihet në 5-5,5 T, dhe kur temperatura ulet në 1.8 K ose kur kaloni në NbSn, deri në 8 -10 T. (Aliazhi NbSn nuk përdoret në prodhimin e akseleratorëve për shkak të brishtësisë së tij.) Një ulje e mëtejshme e temperaturës lejon që dikush të kalojë në madhësi edhe më të larta. fusha, por ekonomikisht joprofitabile; madhësia e pajisjeve kriogjenike po zvogëlohet, por numri i pajisjeve kriogjenike të shtrenjta dhe me energji të madhe po rritet.

Vlerat minimale të pranuara më pak të ngurta NË... Në U. me një zgjedhë hekuri B minierat nuk duhet të jenë më pak (6-10). 10 ~ 3 T, pasi në fushat më të ulëta kontributi në madhësinë totale është shumë i madh. induksioni fillon të kontribuojë magn mbetje. fusha, shpërndarja hapësinore e të cilave zakonisht është e pafavorshme. Qëndrimi B maksimumi / B min, dhe, rrjedhimisht, raporti i momentit të grimcave të nxjerra dhe të injektuara në një atmosferë me magnet të zakonshëm nuk mund të kalojë 200-300. Në superpërcjellës magn. sistemeve, kjo diapazon rezulton të jetë edhe më e vogël, pasi për fushat e vogla në hapësira. shpërndarja e magn. induksioni ndikohet fuqimisht nga rrymat e vrullshme në përçuesit superpërcjellës. Këto kufizime janë një nga arsyet që çojnë në faktin se të gjithë të mëdhenjtë do të përshpejtohen. komplekset përmbajnë disa. operon serikisht U .: linear U. - injektor, një ose disa. e ndërmjetme U.- nxitës , së fundmi, U. kryesor, duke sjellë akuzën. grimcat deri në energjinë përfundimtare, dhe ndoshta një unazë ruajtjeje. Qarku do të përshpejtohet. kompleksi CERN është treguar në Fig. 6

Ndërtimi dhe funksionimi i këtij kompleksi kryhet dhe financohet nga komonuelthi i vendeve evropiane. Naib U., e cila është një pjesë e kompleksit, është një unazë ruajtje-përplasjeje elektron-pozitron LEP që përshpejton rrezet e elektronit dhe pozitronit në një energji prej 45 GeV. U. ndodhet në një tunel të thellë nëntokësor dhe ka një perimetër prej 27 km. Në këtë tunel në vitet '90. Plannedshtë planifikuar të ndërtohet një përplasës i madh hadron superpërcjellës LHC (Përplasës i Madh Hadron), i projektuar për të përshpejtuar protonet dhe antiprotonet në një energji prej 7 TeV, dhe më pas për të përshpejtuar jonet.

Figura: 6. Skema e kompleksit të akseleratorit CERN (Zvicra).

Për injeksion në LHC, do të përdoret përshpejtuesi SPS (Super Proton Synchrotron), në daljen e të cilit protonet kanë një energji prej ~ 450 GeV. Perimetri i këtij përshpejtuesi është 6.9 km, ndodhet nën tokë në një thellësi prej 40 m. SPS merr grimca të rënda nga sinkrotroni i protoneve PS, në të cilin, nga ana tjetër, protonet dhe jonet vijnë nga përforcuesi Isolde, dhe elektronet dhe pozitronet - nga përforcuesi i EPA.

Në Rusi, naib. Proton (dhe jonik) U. (70 GeV) operon në Protvino (afër Serpukhov, rajoni i Moskës). Nën të, filloi ndërtimi i një qendre nxitimi dhe depozitimi (UC) me një perimetër prej 21 km. Isshtë krijuar për të përshpejtuar protonet dhe antiprotonet deri në 3 TeV. Instituti i Përbashkët Ndërkombëtar për Kërkime Bërthamore (JINR, Dubna, rajoni i Moskës) operon një sinkrotron protoni që përshpejton protonet në 9 GeV, një jon ultrasonik fazotron dhe superpërcjellës - një nuklotron që përshpejton jonet në një energji prej 6 GeV / nukleon.

Në Ying-ato teorike. dhe eksperimentojnë. Fizika (ITEP, Moskë), sinkrotroni i protoneve përshpejton protonet në një energji prej 9 GeV.

Luhatjet e fazës... Siç është vërejtur tashmë, në valët rezonante ultrasonike, një rreze e grimcave të përshpejtuara ndahet spontanisht në tufa. Qendra grimcat e tufave përsëri i afrohen boshllëkut përshpejtues (në Y ciklik) ose hendekut tjetër përshpejtues (në vijë lineare Y) në ato kohë kur faza e tensionit HF përshpejtues ka vlerën e kërkuar. Grimca të tilla quhen. të barabartë me njëri-tjetrin. Dr. grimcat e tufës në procesin e nxitimit lëkunden rreth ekuilibrit, nganjëherë përpara saj, pastaj mbeten pas saj. Këto dridhje quhen. faza Ato shoqërohen me luhatje të energjisë dhe momentit të grimcave të përshpejtuara në raport me energjinë dhe momentin e një grimce ekuilibri.

Le të shqyrtojmë lëvizjen fazore në një linear Y. Për thjeshtësi, ne do të supozojmë se boshllëqet përshpejtuese janë aq të shkurtra sa që grimcat i kalojnë ato pothuajse menjëherë. Lëreni një grimcë të caktuar të vijë në boshllëk më vonë sesa ajo e ekuilibrit. Në mënyrë që ajo të fillojë të arrijë atë, ajo duhet të marrë më shumë energji kur kalon nëpër boshllëk. Përkundrazi, një grimcë që ka ardhur në hendek më herët sesa ekuilibri, duhet të marrë më pak energji.

Në fig. 7 kurba e sinusit përshkruan intensitetin e ndryshueshëm në kohë E shpejtimi i fushës HF. Vija e ndërprerë shënon tensionin, skajet duhet të ekzistojnë në momentin e kalimit të grimcës së ekuilibrit, në mënyrë që të vijë në hendekun tjetër në kohë. Në çdo periudhë ndryshimi E ka dy pika të tilla: NGA dhe D... Sidoqoftë është e lehtë të shohësh që lëvizja është e qëndrueshme vetëm në pikën C. Vetëm në këtë pikë në momentet e mëvonshme të kohës forca e fushës rritet dhe në momentet e mëparshme zvogëlohet.

Figura: 7. Diskutimi i parimit të autofazës.

Një analizë e hollësishme e lëvizjes gjatësore të grimcave tregon se me një amplitudë të mjaftueshme të lëkundjeve HF ekziston gjithmonë një rajon i lëvizjes fazore të qëndrueshme - në këtë rast, rajoni i vendosur rreth pikës C. Kjo deklaratë quhet. parimi autofazimi.

Në përshpejtimin ciklik, energjia varet jo vetëm nga shpejtësia e grimcave, por edhe nga gjatësia e shtegut që ata kalojnë nga hendeku i mëparshëm përshpejtues në tjetrin (nëse ka disa prej tyre), si dhe perimetrin e trajektores. Le të prezantojmë koeficientin. zgjatja e orbitës.

ku L - perimetri orbital, r- vrulli i grimcave. Ndryshimi në kohën e kaluar nga një grimcë në qarkullimin e saj në U. varet nga vrulli i saj dhe përshkruhet nga shtresa f

ku faktori g-Lorentz i grimcës, Në lineare Y. a \u003d 0, dhe pika e qëndrueshme është NGA... Në Y. ciklike në pika C është e qëndrueshme, dhe në pikë D... Energjia, në të cilën këto pika ndryshojnë vendet, korrespondon me raportin

dhe thirri. energji kritike (në letërsinë angleze - energjia e tranzicionit). Në këtë pikë, faza e tensionit të përshpejtimit duhet të transferohet nga një "pikë sinkron" në tjetrën. Kur afrohet kritike. Energjitë e frekuencës së lëkundjeve fazore (në U ciklike shpesh quhen radiale-faza) zvogëlohen dhe madhësitë fazore të tufave zvogëlohen ndjeshëm, dhe shpërndarja e grimcave në moment (dhe në energji) rritet. Në momentin e tranzicionit përmes kritike. energjia rrit ndikimin e dekompozimit. lloj paqëndrueshmërish. Në varësi të tipareve të dizajnit të U. - nga vlera e një - kritike. energjia mund të qëndrojë brenda ose jashtë intervalit të energjisë operative.

Problemi i stabilitetit të rrotullimit. Lëkundjet Betatron... Në ekografitë e mëdha në formë unaze, grimcat kalojnë një distancë prej qindra mijëra apo edhe miliona kilometra gjatë përshpejtimit. Në do të grumbullohet. sistemet në këtë mënyrë për disa të tjera. urdhra të madhësisë më shumë, dhe në U të vogël - nga disa. rende me madhësi më pak, por është gjithmonë shumë i madh në krahasim me diametrin e dhomës së vakumit, dimensionet tërthore të një prerjeje zakonisht nuk i kalojnë dy dhjetëra cm. Përplasja e grimcave me muret e dhomës çon në humbjen e tyre. Prandaj, përshpejtimi është i mundur vetëm me një sistem fokusimi të llogaritur dhe ekzekutuar me kujdes.

Për çdo vlerë të energjisë së grimcës së përshpejtuar (në rajonin e qëndrueshmërisë së lëkundjeve të fazës), ekziston një orbitë e mbyllur (e qëndrueshme) në ultrazërit unazor. Duke qenë në dhomën e vakumit të U., grimcat lëvizin pranë kësaj orbite, duke e bërë atë lëkundjet e betatronit Frekuencat e këtyre lëkundjeve tejkalojnë ndjeshëm frekuencat e lëkundjeve fazore, kështu që kur studioni lëkundjet betatron, energjia e grimcave të përshpejtuara dhe pozicioni i orbitës së mbyllur mund të konsiderohen konstante.

Me teorike. Duke marrë parasysh lëkundjet betatron, zonat zakonisht hetohen, të cilat janë zënë nga grimcat e përshpejtuara në "aeroplanët e fazës" ( r, p r) dhe (z, f z), ku r dhe z - koordinatat horizontale dhe vertikale të grimcave ( r \u003d R - R 0, ku R- rrezja e grimcave, R 0 është rrezja e trajektores së ekuilibrit), a p r dhe p z- përbërësit përkatës të impulsit të tij. Në lëvizje pa shqetësime, këto zona janë eliptike. Sipas Teorema e Liouville, vlerat e zonave nuk ndryshojnë kur lëvizin. Në procesin e përshpejtimit, grimcat kalojnë shumë. inhomogjenitet magn. dhe elektrike. fushat. Në këtë rast, rajoni i zënë nga rrezja në hapësirën fazore mund të fitojë një formë komplekse, kështu që efektet. madhësia e zonës - zona e elipsës së përshkruar - rritet. Në një W. të akorduar me kujdes, një rritje e tillë nuk ndodh. Në prani të një lidhje midis lëvizjeve horizontale dhe vertikale, nuk ruhet secila prej zonave të treguara, por vëllimi i zënë nga rrezja në hapësirën katër-dimensionale ( r, z, p r, p z).

Praktike Me interes është zakonisht rajoni i zënë nga rrezja jo në aeroplanët fazorë, por në aeroplanë ( r, q r), (z, q z) ku q r dhe q zjanë këndet e shpejtësive të grimcave me një tangjente me orbitën e ekuilibrit. Këto zona quhen. horizontale (ose radiale) dhe vertikale (ose boshtore) m) emitanëve tra e r dhe e z... Kalimi nga impulset në kënde jepet nga f-lami

ku r- përbërësi gjatësor i impulsit, i cili praktikisht përkon me impulsin e plotë; r 0 \u003d mc... Nga teorema e Liouville-it rrjedh se integralët e lëvizjes janë madhësitë fe r dhe fe z ose, përkatësisht, bge r dhe bge z, në thekër të thirrur. n o r m a l dhe z o v dhe m dhe e m dhe t n s dhe m

Isshtë e qartë nga ajo që është thënë se, me përshpejtimin, dërgesat e normalizuara mbeten të pandryshuara, ndërsa dërgesat e zakonshme e r dhe e z ulen si 1 / bg. Dimensionet tërthore të rrezes përkatësisht zvogëlohen.

Karakteristika më e rëndësishme e çdo U. është akseptani i saj me - naib. emetimet, për të kaluar U. pa humbje. Intensiteti i lartë i rrezes së përshpejtuar mund të arrihet vetëm në një U. me një pranim mjaft të madh.

Me dimensionet e dhëna të dhomës së vakumit, pranimi i U është proporcional me maksimumin. këndi, i cili mund të jetë trajektore e grimcave me një orbitë ekuilibri, dhe, për këtë arsye, është në përpjesëtim të zhdrejtë me gjatësinë e valës së lëkundjeve të betatronit. Pranimi vertikal dhe horizontal i U. janë proporcionale, d.m.th., me numrin e lëkundjeve betatron për revolucion Q r dhe Pyetje z në thekër prandaj është e dëshirueshme të rritet. Në të gjitha W. ekzistuese. Q r dhe Pyetje z janë afër njëri-tjetrit. Nëse të dy janë më pak se 1, fokusi thirret. me l dhe b rreth i (m i gk o d), dhe nëse më shumë se 1-s ose l n rreth th (f e s t rreth th)

Të gjitha vlerat e plota dhe gjysmë-integritetit Q r dhe Pyetje z janë të ndaluara. Me tërësi Pyetje grimcat kthehen në magn. elementet në të njëjtën fazë të lëkundjeve të betatronit, ndikimi i gabimeve në terren shtohet dhe ndodh një grumbullim i lëkundjeve rezonante (rezonanca e jashtme). Rreth vlerave të plota ka rajone të frekuencës të ndaluara, brenda të cilave rritja e lëkundjeve, megjithëse e kufizuar në madhësi, rezulton të jetë e papranueshme e madhe, për shembull. tejkalon dimensionet e dhomës së vakumit.

Vlerat e gjysmë-integritetit Q r dhe Pyetje z janë të ndaluara për shkak të shfaqjes së një parametri dhe një lëkundje rezonance, e cila lind për shkak të parregullsive të gradientit magn. fushat. Në disa U., veçanërisht në pajisjet e ruajtjes, pasqyrohen edhe porositë më të larta.

Në mënyrë ciklike. U. për të përqendruar grimcat përdorni magnet tërthore. fushat. Në një fushë udhëzuese uniforme, ka vetëm fokusim horizontal dhe asnjë fokusim vertikal ( Pyetje z \u003d 0) Ky rezultat është i lehtë për t’u kuptuar, duke vërejtur se kur grimcat lëvizin në një madhësi uniforme (vertikale). fushë ( B r \u003d 0, B z \u003d konst) forcat e Lorentzit nuk kanë një përbërës z dhe grimcat mbajnë vlerën fillestare. shpejtësia boshtore. Forcat e nevojshme për fokusimin boshtor lindin vetëm në prani të përbërësit radial të magn. fushat.

Konfigurimi i magnetit fusha varet nga forma e pjesëve të shtyllës. Në fig. tetë ( a) dhe 8 ( b) përshkruan pjesët e shtyllave në formën e një figure të rrotullimit (rreth boshtit) z) Në fig. tetë ( dhe) tregon shtylla të sheshta duke krijuar një fushë vertikale uniforme, fusha të tilla nuk krijojnë fokusim boshtor. Në fig. tetë ( b) përshkruan fotografinë e fushës që lind midis poleve duke krijuar një hendek që zgjerohet në periferi. Në këtë rast, forca e Lorentzit fiton një përbërës aksial të përqendrimit (kthimi në planin qendror). Sidoqoftë, pamja e fokusimit aksial shoqërohet nga një dobësim i radialit: grimcat e devijuara në periferi kthehen në trajektoren e ekuilibrit më ngadalë, pasi ato bien në një fushë më të dobët.

Figura: tetë. dhe- forcat magnetike në një fushë homogjene; b- forcat magnetike në fushë që zvogëlohen drejt periferisë.

Në Y. linear, problemi i përqendrimit është gjithashtu i rëndësishëm, megjithëse nuk është aq kritik sa në unazën Y. gjatësia e shtegut të grimcave në Y lineare është e vogël dhe grimcat e përshpejtuara nuk kthehen në trazimet e fushës tashmë të kaluara.

Në U. ciklike, magn. sistemi to-rykh posedon simetri azimutale, të vlefshme f-la

Stabiliteti i njëkohshëm i radiale dhe boshtore lëkundjet betatron në këtë rast janë të mundshme vetëm, d.m.th., me fokusim të dobët (shih. Fokusimi i grimcave në një përshpejtuesMe fokusim të fortë, zonat që përqendrohen në z dhe defokusimin në r, zëvendësohen nga zona që përqendrohen përgjatë horizontale dhe defokus përgjatë koordinatave vertikale. Kur ndiqet. vendndodhja e zonave të tilla dhe zgjedhja e saktë e gradientëve të magn. fusha dhe gjeometria e magneteve, sistemi në tërësi rezulton të jetë i përqendruar, dhe të dy vlerat rezultuese të frekuencave betatron mund të tejkalojnë ndjeshëm unitetin.

Në ultratinguj me fokusim të fortë, përdoren magnet katërkëmbësh. ose elektrike. (në energji të ulëta të grimcave të përshpejtuara) të fushës. Në fig. nëntë ( dhe) përshkruan një madhësi katërkëmbëshe. lente që prodhon fokusim vertikal (boshti z) dhe defokusim radial r magn fushë Dhoma e vakumit ndodhet përgjatë boshtit të lentes midis poleve të saj (nuk tregohet në figurë). Grimcat e ngarkuara pozitivisht "fluturojnë" drejt lexuesit. Katër grimca të tilla dhe forcat Lorentz që veprojnë mbi to përshkruhen nga pika dhe shigjeta. Në fokusimin përgjatë rrezes (dhe defokusimin së bashku z) thjerrëzat magn. polet N dhe S ndërroni vendet. Në unazë magnetët U. që krijojnë një magnet drejtues. fushë, e vendosur midis thjerrëzave. Ata krijojnë një magnet uniform të drejtuar z. fushë Në disa U. përdoren magnet me funksione të kombinuara. Magn e tyre. fusha përmban si një dipol (fushë udhëzuese) dhe një përbërës katërkëmbësh (Fig. 9, b).

Rx nëntë dhe- lente magnetike katërkëmbëshe; b- bllok magnetik me funksione të kombinuara.

Për fokusimin tërthor në U linear mund të përpiqesh të përdorësh një elektromagnet. një valë që përshpejton grimcat. Sidoqoftë, në valë të zakonshme E-lloji i një pike që i përgjigjet lëvizjes së fazës stabile janë të paqëndrueshëm për dridhjet tërthore dhe anasjelltas. Për të kaluar këtë vështirësi, mund të përdoret fokusimi i fazës alternative (pikë NGA dhe D në fig. 7 zëvendësojnë në mënyrë të njëpasnjëshme) ose braktisin simetrinë azimutale të elektricitetit. fushat në rezonator (fokusimi i katërkëmbës HF). Sidoqoftë, më shpesh, për përqendrimin tërthor, përdoren fushat katërkëmbëshe të krijuara nga speciale. magn lente. Që nga vitet 80-të. për prodhimin e lenteve të tilla filluan të përdorin shtyllën. magnet (aliazh SmCo).

Efektet që lidhen me intensitetin... Përveç rezonancave që dalin nga ndërveprimi i rrezes me të jashtmen. fushat, me intensitet të lartë të trarëve fillojnë të luajnë rolin e dekompozimit. paqëndrueshmëritë e shoqëruara me bashkëveprimet e grimcave të rrezeve me njëri-tjetrin, me elementet e dhomës së vakumit dhe sistemin e përshpejtimit, dhe në mjedis me trarët që përplasen, dhe me veprimin e trarëve mbi njëri-tjetrin. Naib më e thjeshta midis këtyre efekteve është zhvendosja Coulomb e frekuencës së dridhjeve betatron. Elektrike. fusha e rrezes largon grimcat e jashtme në periferi dhe nuk vepron në grimcën qendrore të tufës. Si rezultat, frekuencat e lëkundjeve betatron të grimcave në rreze fillojnë të ndryshojnë nga frekuenca e lëkundjes së qendrës së gravitetit të rrezes. Nëse kjo diferencë tejkalon distancën ndërmjet vlerave më të afërta të ndaluara Pyetje, atëherë në çdo cilësim të Y, një pjesë e rrezes humbet në mënyrë të pashmangshme. Elektrostatike. zmbrapsja e grimcave gjithashtu ndikon në lëkundjet fazore të rrezes (në veçanti, ajo çon në efektin "masë negative").

Një rreze e grimcave të përshpejtuara ndërvepron me elektrostatikën e saj. imazhi në dhomën e vakumit dhe me objektet e vendosura në të (rezonatorët e stacioneve përshpejtuese, sensorët e pajisjeve matëse, pjesët dhe hyrjet e sistemit të vakumit, etj.). Në këtë rast, forca që vepron në secilën grimcë është proporcionale. zhvendosja e rrezes në dhomë në raport me trajektoren e ekuilibrit dhe dendësinë e saj lineare. Si rezultat i këtij bashkëveprimi, shfaqet një elektromagnet. fushat që veprojnë në grimcat që kalojnë më vonë (efekti i "kokat - x në c t") dhe në vetë grimcat që shkaktuan shfaqjen e fushave kur këto grimca kthehen në zonën e ngacmuar. Ky bashkëveprim shkakton një numër efektesh që çojnë në humbjen e stabilitetit të rrezes. Përveç efektit të përmendur tashmë "kokë më bisht", mund të ketë një rezistencë, të paqëndrueshme (ndërveprimi me një imazh elektrik të rrezes që kalon përgjatë kamerës, një prerje vonohet në fazë për shkak të përcjellshmërisë së fundme të mureve të dhomës), paqëndrueshmërisë së mikrovalës (bashkëveprimi me objektet që mund të ngacmohen në frekuenca të larta), etj.

Përshpejtuesit e trarëve përplasës (përplasësit)... Kur grimcat e reja gjenerohen në aktin e përplasjes, energjia duhet të lirohet e barabartë ose tejkalon energjinë e pjesës tjetër të grimcave që lindin, d.m.th. qindra MeV, dhe nganjëherë shumë dhjetëra GeV. Me çlirime kaq të mëdha të energjisë, jo vetëm kimikati po humbet rëndësinë. bashkimi i grimcave që përbëjnë shënjestrën, por edhe bashkimi i nukleoneve në bërthamë, në mënyrë që përplasja të ndodhë me nukleone të vetme apo edhe me nukleone të vetme që përbëjnë një nukleon. T. n. proceset kumulative, thekra mund të konsiderohet si njëkohësisht. përplasja e një grimce të përshpejtuar me dy ose disa. nukleonet, janë me interes shkencor, por me energji të larta vërehen jashtëzakonisht rrallë.

Siç u përmend më lart, në përplasjen e grimcave në përplasës, e gjithë energjia e akumuluar gjatë nxitimit mund të realizohet, ndërsa në përplasjen e një protoni të shpejtë me një nukleon të një shënjestër të palëvizshëm, përdoret vetëm një pjesë e kësaj energjie. Pra, për të gjeneruar J/ y-meson, energjia e protonit duhet të jetë 3.7 herë më e lartë se energjia e pjesës tjetër J/ y-meson, dhe gjenerimi i Z 0 -bozonit kërkon 50 herë më shumë energji. Gjenerimi i grimcave të rënda në shënjestrat e palëvizshme është katastrofikisht i padobishëm, dhe është e nevojshme të kalojmë te përplasësit. Në përplasjet, grimcat mund të lëvizin drejt njëra-tjetrës ose në një unazë (grimca dhe anti-grimca), ose në dy unaza kryqëzuese.

Teknika e punës me të grumbulluar. unazat, në të cilat lëvizin trarët që përplasen, është shumë komplekse. Numri i reaksioneve bërthamore që ndodhin për njësi të kohës rezulton të jetë mijëra herë më i vogël se me shënjestrat e palëvizshme, për shkak të rrallimit ekstrem të trarëve. Efikasiteti i përplasësve zakonisht karakterizohet nga shkëlqim , t Kjo është, numri me të cilin duhet të shumëzosh eff. prerja tërthore e reaksionit të studiuar për të marrë numrin e reaksioneve të tilla për njësi të kohës. Ndriçimi proporcional produkti i intensiteteve të trarëve që përplasen dhe përpjesëtimi i kundërt. zonat me prerje tërthore të trarëve (nëse janë të barabarta). Trarët që përplasen, domethënë, duhet të përmbajnë shumë grimca dhe të zënë vëllime të vogla në hapësirën e fazës. Ftohja e vëllimit fazor të rrezeve elektron dhe pozitron për shkak të rrezatimit sinkrotron u diskutua më sipër. Në të njëjtën kohë, vëllimi i fazës së rrezeve të protoneve zvogëlohet me nxitimin pasi vetëm 1 / R, kjo është, plotësisht e pamjaftueshme. Dhe vëllimi i zënë nga trarët antiproton rezulton të jetë shumë i madh tashmë gjatë gjenerimit të tyre dhe zvogëlohet pak më vonë, pasi antiprotonet formohen në energji të larta (disa GeV). Prandaj, para përplasjeve, trarët antiproton duhet të grumbullohen dhe të qetësohen, d.m.th., ato duhet të kompresohen në hapësirën fazore.

Ekzistojnë dy mënyra për të ftohur trarët e grimcave të rënda (protone, antiprotone, jone) - elektronike dhe stokastike. Ftohja elektronike ndodh kur rrezet e ftohura bashkëveprojnë me një rreze elektronesh "të ftohtë" që fluturojnë në një seksion të caktuar të përbashkët së bashku me grimca të ftohura dhe që kanë të njëjtën mesatare. shpejtësia (Tempo i një trau quhet energjia mesatare e grimcave të tij, e matur në një sistem koordinativ që lëviz me traun.)

Ftohja statike bazohet në faktin se numri i grimcave të ftohura njëkohësisht nuk është shumë i madh. Nëse ka vetëm një grimcë brenda pajisjes që mat koordinatat e rrezes, atëherë devijimi i saj mund të matet nga një sensor dhe më pas të korrigjohet nga një korrigjues. Nëse mat brenda. pajisjet do të jenë disa. grimcat, sensori reagon ndaj pozicionit të elektrit të tyre. qendra e gravitetit dhe nuk ka korrigjim, por amortizim dridhjeje (në N grimcat në pajisje korrigjohen nga një, jo N parametrat). Stokastike. ftohja është graduale dhe kërkon një numër të madh të rrotullimeve.

Vini re se ftohja e elektronit rezulton të jetë më efikase në energjitë e rrezeve të ulëta, ndërsa ftohja stokastike është më efikase në numrin jo shumë të madh të grimcave.

Perspektivat për zhvillimin e akseleratorëve... Ndër projektet e akseleratorëve të mëdhenj, thekra janë në zhvillim, ndërtim ose janë futur tashmë në shërbim, ju mund të rendisni më poshtë.

Në Rusi (Troitsk, rajoni i Moskës), ndërtimi i një "fabrike mesoni" me një energji prej 600 MeV është afër përfundimit. aktuale 70 μA. Në vitin 1993, ajo tashmë dha një rreze me një energji prej 430 MeV. Për prodhimin e izotopeve, përdoret një rreze protoni me një energji prej 160 MeV dhe me mes. aktuale 100 μA. Në Pro-tvino, po zhvillohet ndërtimi i një kompleksi për ruajtjen e akseleratorit (UNK), i projektuar për të përshpejtuar protonet në 3 TeV. UNK është e vendosur në një tunel nëntokësor me një perimetër prej 21 km. Intensiteti i pulsit pritet 5. 10 12.

Në Republikën Federale të Gjermanisë (Hamburg), njësia e trarëve që përplaseshin (HERA) u porosit për të studiuar bashkëveprimin e protoneve (820 GeV) me elektronet dhe pozitronet (30 GeV). Ndriçimi i dizajnit ~ 2. 10 31 cm -2. me -1. Sinkrotroni proton përmban magnet superpërcjellës, dhe sinkrotroni elektronik përmban ato të zakonshëm (për të mos rritur humbjet për rrezatimin sinkrotron). Në pajisjen e këtij U. dhe në punën për të, marrin pjesë 37 institute nga vende të ndryshme.

Në Gjermani, gjithashtu është duke u zhvilluar një projekt përplasës linear DESY me energji grimcash prej 250x250 GeV (varianti i parë) ose 500 x 500 GeV (varianti i dytë). Ndërtimi i Përplasësit të Madh të Hadronit (LHC) fillon në CERN (Zvicër) në tunelin e unazës elektron-pozitron U. (LEP). Do të jetë e mundur të studiohen përplasjet e protoneve (2x7 TeV), protoneve dhe elektroneve, protoneve dhe joneve (përfshirë plumbin, 1148 TeV).

Jonet e rënda mund të përshpejtohen duke përdorur Nukleotronin (Dubna, Rusi). Që nga viti 1977 në sinkrotron protoni në Dubna, dhjetor. jonet deri në karbon (4.2 GeV / nukleon, dhe nga 1992 në 6 GeV / nukleon).

Në W. "Saturn" në Saclay (Francë), jonet përshpejtohen deri në argon (deri në 1.15 GeV / nukleon). Akseleratori SPS (CERN) mund të përshpejtojë jonet e oksigjenit dhe squfurit deri në 200 GeV / nukleon.

Në SHBA, Naib. superkolejder i madh superpërcjellës (SSC) me një energji prej 2 x 20 TeV. Ndërtimi i këtij akseleratori është shtyrë.

Në Int. komiteti i përshpejtuesit po konsideron projekte edhe më të mëdha, zbatimi i të cilave do të kërkojë përpjekje të përbashkëta të vendeve të zhvilluara. Projekti specifik i një menaxhimi të tillë ende nuk është përcaktuar. Të gjithë projektet e zhvilluara dhe të zhvilluara bazohen në parime të njohura, të provuara mirë. Metodat e reja të përshpejtimit të përmendura më lart mund, nëse janë të suksesshme, të ndryshojnë plotësisht këto plane.

Zbatimi i akseleratorëve... Përveç U. shkencore kanë praktike. aplikacion. Kështu, U. lineare përdoren për të krijuar gjeneratorët e neutroneve për rrezatim po diskutohen në mënyrë aktive provat e materialeve, metodat elektronike bërthamore të prodhimit të karburantit bërthamor dhe përshpejtimin e joneve të rënda me ngarkesë të ulët për bashkimin termonuklear inercial të kontrolluar. Në Loma Linda (SH.B.A.), ndërtimi i një specialisti kompleks me një sinkrotron protoni për terapinë rrezatuese. Një projekt i ngjashëm po konsiderohet në Rusi.

Lit.: Kolomensky AA, Lebedev AN, Teoria e përshpejtuesve ciklikë, M., 1962; Waldner OA, Vlasov AD, Shalnov AV, Përshpejtuesit linearë, M., 1969; Brook G., Akseleratorët ciklikë të grimcave të ngarkuara, përkth. nga frëngjishtja., M., 1970; Komar EG, Bazat e teknologjisë së përshpejtimit, M., 1975; Përshpejtuesit linear të jonit, ed. B.P. Murin, f. 1-2, M., 1978; Bakhrushin Yu. P., Anatsky AI, Përshpejtuesit e induksionit linear, M., 1978; Lebedev A. N., Shalnov A. V., Bazat e fizikës dhe teknologjisë së akseleratorëve, vëll. 3, M., 1981; Moskalev V.A., Betatrons, M., 1981; Kapchinsky I.M., Teoria e përshpejtuesve të rezonancës lineare, Moskë, 1982. L. L. Gol'din.

Nga disiplina

"Konceptet e shkencës moderne natyrore"

në temën e " Përshpejtuesit e grimcave "

1. Hyrje ………………………………………………………………………… .3

2. Përshpejtuesit modernë të grimcave të ngarkuara ……………………………… ... 4

3. Qendrat shkencore për studimin e grimcave elementare …………………… 7

4. Akselerator ciklik 15 ………………………………………………………

5. Rrahja e akseleratorit me lazer ………………………………………… ..16

6. Përfundim …………………………………………………………………… ..20

7. Lista e literaturës së përdorur …………………………………………… 21

Prezantimi

Aktualisht, përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara përdoren gjerësisht në shkencë dhe teknologji - instalime për prodhimin e trarëve të grimcave të ngarkuara (protone, elektrone, antigrimca, bërthama të atomeve të tjerë) me energji të lartë - nga dhjetëra keV (103 eV) në disa TeV (10 12 eV) ... Në teknologji, përshpejtuesit e tillë përdoren për të prodhuar izotopë, për të forcuar sipërfaqet e materialeve dhe për të prodhuar materiale të reja, për të krijuar burime të rrezatimit elektromagnetik (nga mikrovalët te rrezatimi X), përdoren gjerësisht në mjekësi, etj. Sidoqoftë, si më parë, fizika bërthamore dhe fizika me energji të lartë janë ndër fushat kryesore të aplikimit të akseleratorëve. Përshpejtuesit modernë të grimcave të ngarkuara janë burimet kryesore të informacionit për fizikantët që studiojnë materien, energjinë, hapësirën dhe kohën. Shumica dërrmuese e grimcave elementare të njohura sot nuk ndodhin natyrshëm në Tokë dhe merren në përshpejtues. Janë pikërisht nevojat e fizikës së grimcave elementare ato që janë stimuli kryesor për zhvillimin e teknologjisë së akseleratorit dhe, para së gjithash, për rritjen e energjisë në të cilën mund të përshpejtohen grimcat e ngarkuara.

Përshpejtuesit modernë të grimcave të ngarkuara.

Në fizikën moderne me energji të lartë, përdoren dy lloje të instalimeve të akseleratorit. Skema tradicionale e eksperimentit të përshpejtuesit është si më poshtë: një rreze e grimcave të ngarkuara përshpejtohet në maksimumin e energjisë së mundshme dhe pastaj drejtohet në një objektiv të palëvizshëm, kur përplaset me grimcat e të cilave gjenerohen shumë grimca elementare. Matjet e parametrave të grimcave që lindin ofrojnë informacionin më të pasur eksperimental të nevojshëm për testimin (ose krijimin) e teorisë moderne të grimcave elementare. Efikasiteti i reaksionit përcaktohet nga energjia e grimcës që përplaset me objektivin në qendër të sistemit të masës. Sipas teorisë së relativitetit, me një objektiv të palëvizshëm dhe të njëjtën masë pushimi të grimcave që përplasen, energjia e reagimit

Ku E është energjia e grimcave që ndodhin në shenjë, m 0 është masa e saj, c është shpejtësia e dritës. Pra, në një përplasje me një shënjestër të palëvizshme të një protoni të përshpejtuar në një energji prej 1000 GeV, vetëm 42 energji GeV harxhohet në prodhimin e grimcave të reja, dhe pjesa më e madhe e energjisë shpenzohet në energjinë kinetike të grimcave të lindura si rezultat i reagimit.

Propozuar në fund të viteve 60 të shekullit XX, përshpejtuesit në trarëve që përplasen (përplasësit), në të cilin kryhet reagimi në përplasjen e trarëve të përshpejtuar që përplasen nga grimcat e ngarkuara (elektronet dhe pozitronet, protonet dhe antiprotonet, etj.), Japin një fitim të konsiderueshëm në energjinë e reagimit. Në përplasësit, energjia e reagimit është e barabartë me shumën e energjive të grimcave që përplasen

E 1 + E 2, domethënë, në energji të barabarta të grimcave, fitimi është 2E / m 0 c 2. Sigurisht, efikasiteti i një përplasësi rezulton të jetë më i ulët se ai i një përshpejtuesi me një shënjestër të palëvizshme, pasi që grimcat e dy trarëve të rralluar përplasen me njëra-tjetrën shumë më rrallë sesa grimcat e një trau dhe një objektivi të dendur. Sidoqoftë, tendenca kryesore në fizikën me energji të lartë është kalimi në energji gjithnjë e më të larta, dhe shumica e akseleratorëve më të mëdhenj sot janë përplasës që sakrifikojnë numrin e përplasjeve për të arritur energji rekord.

Akseleratorët modernë të grimcave të ngarkuara janë pajisjet më të mëdha eksperimentale në botë, dhe energjia e grimcave në një përshpejtues lidhet linearisht me madhësinë e saj. Kështu, përshpejtuesi elektronik linear 50 GeV SLC në Universitetin e Stanfordit (SHBA) ka një gjatësi prej 3 km, perimetri i sinkrotronit të protonit 900 GeV Tevatron në Fermi (Batavia, SHBA) është 6.3 km, dhe gjatësia e unazës në ndërtim e sipër në Serpukhov, kompleksi i ruajtjes së akseleratorit UNK, i projektuar për energjinë e 3 TeV, po ndërtohet në tunelin përshpejtues prej 27 kilometrash të Organizatës Evropiane për Kërkime Bërthamore (CERN) në Gjenevë.

Madhësia gjithnjë në rritje e akseleratorëve tashmë ka arritur kufirin e një ekuilibri të arsyeshëm të karakteristikave fizike dhe kostove financiare, duke e bërë ndërtimin e akseleratorëve një problem kombëtar. Mund të themi se zgjidhjet thjesht inxhinierike janë gjithashtu afër kufirit të tyre. Shtë e qartë se progresi i mëtejshëm në teknologjinë e akseleratorit duhet të shoqërohet me kërkimin e qasjeve të reja dhe zgjidhjeve fizike që i bëjnë përshpejtuesit më kompaktë dhe më të lirë për ndërtimin dhe funksionimin. Kjo e fundit është gjithashtu e rëndësishme, pasi që konsumi i energjisë i akseleratorëve modernë është afër konsumit të energjisë së një qyteti të vogël. Shkenca e aplikuar e akseleratorit paraqet një problem interesant dhe jashtëzakonisht të rëndësishëm për fizikën moderne. Necessaryshtë e nevojshme të ktheheni në përparime të reja në fizikën e radios, fizikës së plazmës, elektronikës kuantike dhe fizikës në gjendje të ngurtë në mënyrë që të gjeni zgjidhje të denja.

Më premtuese është kërkimi i mënyrave për të rritur shpejtësinë e përshpejtimit të grimcave. Në përshpejtuesit modernë, shpejtësia e nxitimit të grimcave është e kufizuar nga intensiteti maksimal i fushës elektrike përshpejtuese që mund të krijohet në sistemet e vakumit. Sot kjo vlerë nuk i kalon 50 MV / m. Në fusha më të forta, fenomenet e prishjes elektrike ndodhin në muret e rezonatorit dhe formimin e një plazme që thith energjinë e fushës dhe parandalon përshpejtimin e grimcave. Në fakt, madhësia e fushës së frekuencës së lartë të lejuar maksimale varet nga gjatësia e valës së saj. Akseleratorët modernë përdorin fusha elektrike me një gjatësi vale më shumë se 10 cm. Për shembull, një kalim në një gjatësi vale prej 1 cm do të rrisë fushat elektrike maksimale të lejueshme disa herë dhe në këtë mënyrë do të zvogëlojë madhësinë e përshpejtuesit. Sigurisht, për të realizuar këtë avantazh, është e nevojshme të zhvillohen burime rrezatimi ultra të fuqishme në këtë diapazon, të afta të gjenerojnë impulse të valëve elektromagnetike me një fuqi prej qindra MW dhe një kohëzgjatje të pulsit më të shkurtër se 100 ns. Ky është një problem i madh shkencor dhe teknik, i cili po trajtohet nga shumë qendra kërkimore në të gjithë botën.

Një mënyrë tjetër e mundshme është braktisja e sistemeve tradicionale të rezonancës në mikrovalë me vakum dhe përdorimi i rrezatimit lazer për të përshpejtuar grimcat e ngarkuara. Me ndihmën e lazerëve modernë, është e mundur të krijoni fusha elektrike me një intensitet shumë më të lartë se fushat kufizuese në intervalin e mikrovalëve. Sidoqoftë, përdorimi i drejtpërdrejtë i rrezatimit lazer në një vakum nuk lejon arritjen e efektit të përshpejtimit të dukshëm të grimcave të ngarkuara për shkak të pamundësisë së ndërveprimit rezonant Cherenkov të një vale me një grimcë, pasi shpejtësia e dritës në një vakum është gjithmonë më e madhe se shpejtësia e një grimce. Në vitet e fundit, metodat e përshpejtimit të grimcave të ngarkuara nga rrezatimi lazer në gazra dhe plazma janë studiuar në mënyrë aktive, dhe pasi që në fusha të forta elektrike ndodh jonizimi i materies dhe formimi i plazmës, në fund të fundit po flasim për përshpejtimin e grimcave të ngarkuara nga rrezatimi intensiv i lazerit në plazmë.

Qendrat shkencore për studimin e grimcave elementare

Instituti për Fizikën e Energjisë së Lartë (IHEP)

Baza për krijimin e institutit ishte ndërtimi në Protvino, i vendosur afër qytetit të Serpukhov, afër Moskës, sinkrotroni proton rrethor më i madh në botë (deri në 1972). Teknika unike eksperimentale e mbledhur në këtë qendër shkencore u mundëson shkencëtarëve të depërtojnë në thellësitë e strukturës së materies, të kuptojnë dhe zbulojnë ligjet e botës pafundësisht të larmishme dhe misterioze të grimcave elementare të panjohura për njeriun.

Përshpejtuesi u nis në tetor 1967. Në këtë përshpejtues, fillimisht protonet formohen si rezultat i një shkarkimi gazi, pastaj ato përshpejtohen nga fusha elektrike e një impuls të tensionit të lartë të një transformatori në një energji prej 760 KeV dhe hyjnë në përshpejtuesin linear - injektorin, ku ata paraprakisht përshpejtohen në një energji prej 100 MeV, dhe pastaj hyjnë në unazën kryesore. përshpejtues. Në të, protonet janë përshpejtuar tashmë në një energji prej 76 GeV. Numri i protoneve në një impuls përshpejtues është 3 · 10 12. Impulset përsëriten çdo 7 sekonda. Përshpejtuesi ka një diametër prej 472 m. Pesha e elektromagnetëve është 20 mijë tonë. Fuqia e konsumuar nga përshpejtuesi është 100 MW. Akseleratori funksionon për 3,000 - 4,000 orë në vit për kërkime fizike.

Qendra shkencore ka një tumë, nën të cilën ka një unazë përshpejtuese, dhe një sallë eksperimentale. Eksperimentet në IHEP kryhen si në synimin e brendshëm të përshpejtuesit ashtu edhe në trarët e grimcave të nxjerra.

Ajo vetëm e devijon grimcën pa ndryshuar energjinë e saj dhe vendos orbitën përgjatë së cilës lëvizin grimcat.

Përshpejtuesit në thelb mund të ndahen në dy grupe të mëdha. ajo përshpejtuesit linearë, ku rrezja e grimcave kalon një herë nëpër boshllëqet përshpejtuese, dhe përshpejtuesit ciklikë, në të cilën trarët lëvizin përgjatë kthesave të mbyllura siç janë qarqet, duke kaluar boshllëqet përshpejtuese shumë herë. Alsoshtë gjithashtu e mundur të klasifikohen përshpejtuesit sipas qëllimit: përplasësit, burimet neutronike, përforcuesit, burimet e rrezatimit sinkrotron, pajisjet e terapisë së kancerit, përshpejtuesit industriale.

Projektimet e akseleratorit

Akselerator i tensionit të lartë (akselerator i veprimit të drejtpërdrejtë)

Artikulli kryesor: Akselerator i tensionit të lartë

Përshpejtuesi i grimcave të ngarkuara (elektronet) në të cilin përshpejtimi i grimcave të ngarkuara ndodh nga një fushë elektrike, konstante ose dobësisht e ndryshueshme gjatë gjithë kohës së përshpejtimit të grimcave. Një avantazh i rëndësishëm i V.U. në krahasim me llojet e tjera të akseleratorëve - mundësia e marrjes së një përhapjeje të vogël të energjisë së grimcave të përshpejtuara në një fushë elektrike konstante dhe uniforme të kohës. Ky lloj përshpejtuesish karakterizohet nga efikasitet i lartë (deri në 95%) dhe mundësia e krijimit të instalimeve me fuqi të lartë (500 kW dhe më lart), gjë që është shumë e rëndësishme kur përdorni akseleratorë për qëllime industriale.

Akselerator elektrostatik

Ideologjikisht përshpejtuesi më i thjeshtë linear. Grimcat përshpejtohen nga një fushë elektrike konstante dhe lëvizin drejtvizor përgjatë dhomës së vakumit, përgjatë së cilës ndodhen elektrodat përshpejtuese.

Varietetet:

• Akseleratori Van de Graaff. një gjenerator van de Graaff bazuar në transferimin mekanik të ngarkesave nga një shirit dielektrik. Tensionet maksimale elektrike prej M 20MV përcaktojnë energjinë maksimale të grimcave prej ~ 20MeV.
• Akselerator kaskadë. Tensioni i përshpejtimit krijohet nga një gjenerator kaskadë, i cili krijon një tension të lartë konstant përshpejtues prej ~ 5 MV duke shndërruar tensionin e ulët AC sipas qarkut të shumëzimit të diodës.

Përshpejtuesit linearë të elektroneve me energji të ulët shpesh përdoren si pjesë e një larmie të gjerë pajisjesh elektrovakum (tub rrezesh katodë, tub figurash, tub rrezesh X, etj.).

Ciklotron

Pajisja ciklotron. 1 - vendi i mbërritjes së grimcave, 2 - trajektorja e lëvizjes së tyre, 3 - elektroda, 4 - burimi i tensionit alternativ. Fusha magnetike drejtohet pingul me planin e vizatimit.

Ideja prapa ciklotron është e thjeshtë. Midis dy elektrodave të zbrazta gjysmërrethore, të ashtuquajturat. vepra, aplikohet një tension elektrik i alternuar. Deet vendosen midis poleve të një elektromagneti që krijon një fushë magnetike konstante. Një grimcë që rrotullohet rreth një rrethi në një fushë magnetike përshpejtohet në çdo rrotullim nga një fushë elektrike në hendekun midis dees. Për këtë, është e nevojshme që frekuenca e ndryshimit të polaritetit të tensionit nëpër dees të jetë e barabartë me frekuencën e revolucionit të grimcës. Me fjalë të tjera, ciklotroni është përshpejtues rezonant... Shtë e qartë se me rritjen e energjisë, në çdo revolucion, rrezja e trajektores së grimcave do të rritet derisa të shkojë përtej vlerave.

Ciklotroni është i pari nga përshpejtuesit ciklik. Për herë të parë u projektua dhe u ndërtua në vitin nga Lawrence, për të cilin ai u vlerësua me Çmimin Nobel të vitit. Deri më tani, ciklotronët përdoren për të përshpejtuar grimcat e rënda në energji relativisht të ulëta, deri në 50 MeV / nukleon.

Betatron

Një emër tjetër: përshpejtuesi induktiv. Një përshpejtues ciklik në të cilin nxitimi i grimcave kryhet nga një fushë elektrike vorbull e induktuar nga një ndryshim në fluksin magnetik të mbështjellur nga orbita e rrezes. Meqenëse për të krijuar një fushë elektrike vorbull, është e nevojshme të ndryshoni fushën magnetike të bërthamës, dhe fushat magnetike në makineritë jo-superpërcjellëse zakonisht kufizohen nga efektet e ngopjes së hekurit në një nivel prej k 20 kG, ekziston një kufi i sipërm në energjinë maksimale të betatronit. Betatronët përdoren kryesisht për të përshpejtuar elektronet në energji prej 10-100 MeV (energjia maksimale e arritur në betatron është 300 MeV).

Betatroni u zhvillua për herë të parë dhe u krijua nga Wideröe në vitin, të cilin, megjithatë, ai nuk arriti ta nisë. Betatroni i parë që punon me besueshmëri u krijua nga D.V. Kerst vetëm në vite. ne SHBA.

Mikrotroni

Artikulli kryesor: Mikrotroni

Alsoshtë gjithashtu një përshpejtues me shpejtësi të ndryshueshme. Akselerator ciklik rezonant me një fushë magnetike lëvizëse konstante dhe frekuencën e tensionit përshpejtues, si ajo e një ciklotroni. Ideja e mikrotronit është të bëjë që rritja e kohës së rrotullimit të grimcave, e cila merret për shkak të nxitimit në çdo rrotullim, një shumëfish i periudhës së lëkundjes së tensionit të përshpejtimit.

Phazotron (sinkrociklotron)

Dallimi themelor nga ciklotroni është frekuenca e fushës elektrike që ndryshon gjatë nxitimit. Kjo lejon, për shkak të autofazës, për të rritur energjinë maksimale të joneve të përshpejtuara në krahasim me vlerën kufizuese për ciklotron. Energjia në fazotron arrin 600-700 MeV.

Sinkrofazotroni

Një përshpejtues ciklik me një gjatësi të orbitës ekuilibër konstante. Në mënyrë që grimcat të qëndrojnë në të njëjtën orbitë gjatë nxitimit, të dy fusha magnetike udhëzuese dhe frekuenca e fushës elektrike përshpejtuese ndryshojnë. Shumica e akseleratorëve modernë ciklikë janë me sinkrofazotronë me shumë fokus. Për elektronet ultrarelativistë, frekuenca e revolucionit praktikisht nuk ndryshon gjatë përshpejtimit, dhe përdoren sinkrotronet.

Sinkrotroni

Një përshpejtues ciklik me një gjatësi orbitale konstante dhe një frekuencë konstante të fushës elektrike përshpejtuese, por me një fushë magnetike udhëzuese të ndryshueshme.

Laser elektronik falas (FEL)

Artikulli kryesor: Laser elektronik falas

Një burim i specializuar i rrezatimit koherent të rrezeve X.

Akselerator linear

Shpesh quhet linac (shkurt për LINear Accelerator). Një përshpejtues në të cilin grimcat fluturojnë një herë. Përshpejtuesit linearë përdoren më shpesh për nxitimin primar të grimcave të marra nga një armë elektronike ose një burim joni. Sidoqoftë, ideja e një përplasësi linear me energji të plotë nuk është gjithashtu e re. Avantazhi kryesor i linacs është mundësia e marrjes së dërgesave ultra të vogla dhe mungesa e humbjeve të energjisë për rrezatim, të cilat rriten në proporcion me fuqinë e katërt (!) Të energjisë së grimcave.

Përplasësi

Alsoshtë gjithashtu një përshpejtues i rrezes që përplaset. Instalime thjesht eksperimentale, qëllimi i të cilave është studimi i proceseve të përplasjes së grimcave me energji të lartë.

Aplikacion

• Sterilizimi (për sterilizimin e ushqimit, instrumenteve mjekësore).
• Mjekësia (trajtimi i sëmundjeve onkologjike, radio diagnostifikimi).
• Prodhimi i pajisjes gjysmëpërçuese (injeksion i papastërtisë).
• Zbulimi i defektit të rrezatimit.
• Ndërlidhja e rrezatimit të polimereve.
• Trajtimi rrezatues i gazrave të tymit dhe ujërave të ndotura.

Shiko gjithashtu

• Detektori i grimcave

Lidhje

• Kolomensky DD, Lebedev NJ AN Teori e përshpejtuesve ciklikë. Moskë: Fizmatgiz, 1962.
• A. Chao, M. Tigner, Manual i Fizikës dhe Inxhinierisë së Akseleratorit, 1999.
• B.S. Ishkhanov, I.M. Kapitonov, E.I. Kabin, Experiment (Publikimi në Ueb)
• Historia, klasifikimi, parimi i funksionimit, llojet kryesore të akseleratorëve modernë

Fondacioni Wikimedia. 2010

• Gjendja e Hölder
• Përshpejtuesi i grimcave

Shihni se çfarë është "Përshpejtuesit e Grimcave të Ngarkuara" në fjalorë të tjerë:

NGJYRSIT E GJYKATAVE TG SHENUARA - instalimet që shërbejnë për të përshpejtuar ngarkimin. grimcat tek energjitë e larta. Në përdorimin e zakonshëm të akseleratorëve (U.) quhet. instalime të dizajnuara për të përshpejtuar grimcat në energjitë mbi MeV. Në protonet me vendosje rekord, Tevatron arriti një energji prej 940 ... ... Enciklopedia fizike

Përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara - pajisjet për marrjen e grimcave të ngarkuara (elektronet, protonet, bërthamat atomike, jonet) e energjive të larta. Përshpejtimi kryhet duke përdorur një fushë elektrike që mund të ndryshojë energjinë e grimcave me një ngarkesë elektrike. Magnetike ... ... Enciklopedia e Madhe Sovjetike

NGJYRSIT E GJYKATAVE TG SHENUARA - instalime për marrjen e udhëzimeve. rrezet e elektroneve, protoneve, grimcave alfa ose joneve me energji nga qindra keV në qindra GeV. Në U. z. h) ngarkesa e përshpejtuar. grimcat rrisin energjinë e tyre, duke lëvizur në elektrike. fushë (statike, induktive ose ... ... Fjalor i Madh Enciklopedik Politeknik

GOST 22491-87: Përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara. Termat dhe përkufizimet - Terminologji GOST 22491 87: Përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara. Kushtet dhe përkufizimet dokumenti origjinal: 14. Betatron me paragjykim 15. Akselerator rezonant Betatron me përbërës konstant të nxitësit të induksionit të fushës magnetike ... ...

GOST 4.477-87: Sistemi i treguesve të cilësisë së produktit. Përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara industriale. Nomenklatura e treguesve - Terminologjia GOST 4.477 87: Sistemi i treguesve të cilësisë së produktit. Përshpejtuesit e grimcave të ngarkuara industriale. Nomenklatura e treguesve dokumenti origjinal: 3. Shembulli themelor Një përshpejtues i zgjedhur nga një grup përshpejtuesish, më ... ... Libër-libër referimi i termave të dokumentacionit normativ dhe teknik

Përshpejtuesi i grimcave - Pamje e qendrës së akseleratorit Fermilab, SHBA. Tevatron (unaza në sfond) dhe injektori unazor Klasa e akseleratorit të grimcave të ngarkuara për pajisjet për prodhimin e grimcave të ngarkuara (elementare ... Wikipedia

përshpejtuesi (grimcat e ngarkuara) - Një pajisje elektrofizike e krijuar për të rritur energjinë kinetike të grimcave të ngarkuara. Shënim Supozohet se te përshpejtuesit energjia e grimcave rritet me më shumë se 0,1 MeV. [GOST R 52103 2003] Temat ngarkuan përshpejtuesit ... ...

grumbullues i grimcave të ngarkuara - Një pajisje që kryen grupimin fazor të grimcave të ngarkuara. [GOST R 52103 2003] Temat ngarkuan përshpejtuesit e grimcave EN grumbullimin e grimcave të ngarkuar ... Udhëzues për përkthyesin teknik