Máy Gia Tốc Hạt Nhân

Địa lý & du lịch khoa học chính trị, lao lý & cơ quan chỉ đạo của chính phủ văn hoa vui chơi giải trí & văn hóa truyền thống đại bọn chúng rộng
*

Các chính chức năng của bất kỳ máy tốc độ hạt là tăng tốcđiện ngôi trường . Ví dụ dễ dàng nhất là ngôi trường tĩnh đồng hóa giữa tích cực và lành mạnh và tiêu cựcđiện cố s (điện áp), y như trường tồn tại giữa những cực của pin điện . Vào một ngôi trường như vậy, một electron, sở hữu điện tích âm , cảm xúc một lực phía nó về phía điện cầm cố dương (tương trường đoản cú như cực dương của pin). Lực này làm vận tốc electron, và nếu không tồn tại gì cản ngăn electron, vận tốc và năng lượng của nó đã tăng lên. Những electron vận động về phía bao gồm thế năng dương dọc theo một dây dẫn hoặc thậm chí còn trong ko khí sẽ va chạm với những nguyên tử với mất năng lượng, tuy vậy nếu các electron đi qua chân không, chúng sẽ tăng speed khi vận động về phía gồm thế năng dương.

Bạn đang xem: Máy gia tốc hạt nhân

Sự khác biệt về hiệu điện cố gắng giữa vị trí mà êlectron bước đầu chuyển rượu cồn trong ngôi trường và khu vực nó rời khỏi trường xác minh năng lượng nhưng êlectron thu được. Năng lượng mà một electron thu được lúc di chuyển sang hiệu điện gắng 1 vôn được call là 1điện tử vôn (eV). Đây là một trong những lượng năng lượng rất nhỏ, tương đương với 1,6 × 10 −19 joule. Một con muỗi cất cánh có tích điện gấp một nghìn tỷ đồng lần tích điện này. Mặc dù nhiên, vào một ống truyền hình, các electron được tốc độ qua hơn 10.000 vôn, mang đến cho chúng năng lượng trên 10.000 eV, giỏi 10kiloelectron vôn (keV). Nhiều máy vận tốc hạt đạt năng lượng cao rộng nhiều, được đo bằngmegaelectron volt (MeV, hoặc triệu eV),gigaelectron vôn (GeV, hoặc tỷ eV), hoặc teraelectron vôn (TeV, hoặc ngàn tỷ eV).

Một số thiết kế trước tiên cho máy tốc độ hạt, chẳng hạn như bộ nhân điện áp với máy phân phát Van de Graaff, đã thực hiện điện trường không thay đổi được tạo thành bởi điện thế lên tới một triệu vôn. Mặc dù nhiên, ko dễ để triển khai việc với điện áp cao như vậy. Một giải pháp thay ráng thiết thực rộng là thực hiện lặp lại những trường năng lượng điện yếu hơn được tùy chỉnh cấu hình bởi năng lượng điện áp phải chăng hơn. Đây là nguyên tắc liên quan mang lại hai các loại phổ biến của dòng sản phẩm gia tốc phân tử hiện đại—máy vận tốc tuyến tính s (hoặc linacs) vàmáy gia tốc tuần trả (chủ yếu đuối là cyclotron vàđồng cỗ ). Trong một máy vận tốc tuyến tính, những hạt đi một lần sang một chuỗi ngôi trường gia tốc, trong những lúc trong một sản phẩm tuần hoàn, chúng được dẫn theo một đường tròn nhiều lần trải qua cùng một điện trường tương đối nhỏ. Trong cả nhị trường hợp, năng lượng sau cuối của những hạt dựa vào vào hiệu ứng tích lũy của những trường, cho nên vì thế nhiều “lực đẩy” bé dại cộng lại cùng nhau để tạo thành hiệu ứng tổng hợp của một “lực đẩy” lớn.

Cấu trúc lặp đi tái diễn của một máy vận tốc tuyến tính từ bỏ nhiên cho thấy thêm việc sử dụng điện áp luân phiên chiều thay vày không thay đổi để tạo thành điện trường. Ví dụ, một hạt mang điện tích dương được tốc độ về phía một rứa năng âm, sẽ nhận ra một lực đẩy new nếu ráng năng trở nên dương khi phân tử đi qua. Vào thực tế, năng lượng điện áp phải thay đổi rất nhanh. Ví dụ, ở tích điện 1 MeV, một proton đang di chuyển với vận tốc rất cao - 46% tốc độ ánh sáng - nhằm nó bao trùm một khoảng cách khoảng 1,4 mét (4,6 feet) trong 0,01 micro giây. (Một micro giây bằng 1 phần triệu giây.) Điều này ý niệm rằng trong một kết cấu lặp lại dài vài mét, các điện trường phải luân phiên - nghĩa là thay đổi hướng - với tần số tối thiểu 100 triệu chu kỳ mỗi giây, hoặc 100 megahertz ( MHz).điện trường xoay chiều có trong sóng năng lượng điện từ, thường xuyên ở tần số từ 100 cho 3.000 MHz — nghĩa là, tự sóng bức xạ đến vi sóng.

An sóng điện từ là sự phối hợp của giao động điện trường cùng từ trường xê dịch vuông góc với nhau. Chìa khóa của máy gia tốc hạt là tùy chỉnh thiết lập sóng làm thế nào cho khi các hạt đến, năng lượng điện trường có hướng quan trọng để gia tốc các hạt. Điều này rất có thể được tiến hành với sóng ngừng — sự phối kết hợp của các sóng dịch chuyển theo những hướng ngược nhau vào một không gian kín, giống như sóng music rung hễ trong một ống đàn organ. Quanh đó ra, so với các electron chuyển động rất nhanh, dịch rời rất sát với tốc độ ánh sáng (nói cách khác, sát với vận tốc của bao gồm sóng), một sóng truyền rất có thể được thực hiện để tăng tốc.

Một tác dụng quan trọng có tính năng đối với vận tốc trong năng lượng điện trường luân chuyển chiều là “ổn định pha. ” vào một chu kỳ giao động của nó, một trường xoay chiều lại đi từ cực hiếm không qua giá chỉ trị cực to đến quý hiếm không và tiếp đến giảm xuống rất tiểu trước lúc tăng quay trở về bằng không. Điều này tức là trường trải qua hai lần giá trị tương thích cho vận tốc — ví dụ: trong quá trình tăng và bớt qua cực đại. Ví như một hạt có tốc độ đang tăng cho quá sớm lúc trường tăng, nó sẽ không còn trải qua trường cao như mong muốn và vị đó sẽ không nhận được lực đẩy lớn. Mặc dù nhiên, lúc tới vùng tiếp theo sau của trường tăng tốc, nó sẽ đến muộn và vì thế sẽ nhận thấy trường cao hơn nữa — nói biện pháp khác, là một trong những lực đẩy quá lớn. Cảm giác thực sẽ là sự việc ổn định pha — nghĩa là, hạt sẽ tiến hành giữ cùng pha với trường trong những vùng gia tốc. Một cảm giác khác đang là nhóm các hạt theo thời gian,

Hạt dẫn đường

Từ trường s cũng đóng một vai trò đặc biệt trong máy tốc độ hạt, vì chưng chúng có thể thay đổi hướng của những hạt mang điện. Điều này có nghĩa là chúng hoàn toàn có thể được thực hiện để "uốn cong"chùm hạt bao phủ một mặt đường tròn để bọn chúng truyền đi tiếp tục qua những vùng vận tốc giống nhau. Trong trường hợp đơn giản nhất, một hạt mang điện hoạt động theo hướng vuông góc với hướng của từ trường đa số sẽ cảm giác được một lực vuông góc với tất cả hướng của hạt với với trường. Tính năng của lực này là khiến cho hạt vận động trên con đường tròn, vuông góc với từ bỏ trường cho tới khi nó bong khỏi vùng có lực trường đoản cú hoặc lực khác công dụng lên nó. Cảm giác này phạt huy tác dụng trong những máy gia tốc theo chu kỳ luân hồi nhưcyclotron s vàđồng cỗ hóa s. Trong cyclotron, một nam châm hút lớn được áp dụng để cung ứng một trường ko đổi, trong số đó các hạt xoắn ốc ra phía bên ngoài khi bọn chúng được hỗ trợ năng lượng và cho nên vì thế tăng tốc trên từng mạch. Ngược lại, trong synctron, những hạt hoạt động quanh một vòng có nửa đường kính không đổi, trong khi trường do nam châm hút điện tạo ra xung quanh vòng được tăng lên khi các hạt tăng tốc. Các nam châm hút từ có tính năng “uốn cong” này là lưỡng rất — nam châm hút có nhị cực, bắc cùng nam, được sản xuất với mặt phẳng cắt hình chữ C để chùm hạt hoàn toàn có thể đi qua giữa hai cực.

Chức năng quan trọng thứ hai của nam châm từ điện vào máy vận tốc hạt là tập trung các chùm hạt nhằm giữ cho việc đó càng bé và càng dạn dĩ càng tốt. Dạng đơn giản và dễ dàng nhất của nam châm hút hội tụ làtứ cực , một nam châm hút được kiến tạo với bốn cực (hai cực bắc với hai rất nam) được bố trí đối diện nhau. Sự bố trí này đẩy những hạt về phía trung chổ chính giữa theo một phía nhưng có thể chấp nhận được chúng viral theo hướng vuông góc. Bởi đó, một tứ cực có phong cách thiết kế để triệu tập chùm theo phương ngang, sẽ đến chùm thoát khỏi tiêu điểm theo phương thẳng đứng. Để cung cấp khả năng mang nét mê thích hợp, nam châm tứ cực yêu cầu được áp dụng theo cặp, sắp xếp từng thành viên nhằm có chức năng ngược lại. Các nam châm phức tạp rộng với số cực to hơn - sextupoles với octupoles - cũng được sử dụng để lấy nét tinh xảo hơn.

Khi năng lượng của những hạt chuyển động tăng lên, cường độ của tự trường hướng dẫn chúng tăng lên, cho nên vì vậy giữ cho các hạt trên cùng một mặt đường đi. Một "xung" của những hạt được chuyển vào trong khoảng và được tăng speed đến tích điện mong muốn trước khi nó được triết xuất và gửi đến những thí nghiệm. Chiết xuất thường đã có được bằngNam châm "kicker", nam châm hút điện chỉ bật đủ lâu nhằm "kick" các hạt thoát khỏi vòng đồng điệu và dọc theo mặt đường tia. Các trường trong nam châm hút từ lưỡng cực kế tiếp được giảm xuống và máy chuẩn bị sẵn sàng nhận xung hạt tiếp theo sau của nó.

Va chạm các hạt

Hầu hết những máy vận tốc hạt được thực hiện trong y học cùng công nghiệp tạo nên một chùm hạt cho một mục đích rõ ràng — ví dụ, để xạ trị hoặc ghép ion. Điều này có nghĩa là các phân tử được áp dụng một lần và sau đó bị loại bỏ. Trong không ít năm, điều tựa như cũng đúng đối với máy gia tốc được sử dụng trong nghiên cứu và phân tích vật lý phân tử . Tuy nhiên, một trong những năm 1970các vòng được trở nên tân tiến trong kia hai chùm hạt lưu giữ thông trái chiều nhau và va chạm vào từng mạch của máy. Một ưu thế chính của những chiếc máy như vậy là khi hai chùm tia va chạm trực tiếp, tích điện của những hạt sẽ gửi trực tiếp thành năng lượng của can hệ giữa chúng. Điều này trái ngược với rất nhiều gì xảy ra khi một chùm tích điện va đụng với vật liệu ở tinh thần nghỉ: vào trường vừa lòng này, đa phần năng lượng bị mất trong bài toán đưa đồ dùng liệu kim chỉ nam vào đưa động, tương xứng với nguyên lý bảo toàn đụng lượng .

Một số máy tạo ra tia va chạm đã được sản xuất với hai vòng chéo cánh nhau sinh hoạt hai địa điểm trở lên, với những chùm tia cùng một số loại lưu thông ngược chiều nhau. Thông dụng hơn đã đượcmáy va va hạt-phản hạt. Một phản bội hạt có điện tích trái vết với hạt tương quan của nó. Ví dụ, một phản năng lượng điện tử (hoặcpositron ) bao gồm điện tích dương, vào khiêlectron với điện tích âm. Điều này có nghĩa là mộtđiện trường làm tăng tốc một electron vẫn làm giảm tốc một positron hoạt động cùng chiều với electron. Tuy vậy nếu positron di chuyển qua trường theo phía ngược lại, nó sẽ cảm giác một lực trái lại và sẽ được gia tốc. Giống như như vậy, một electron hoạt động trong một tự trường sẽ bị bẻ cong theo một phía - quý phái trái - trong những lúc một positron vận động theo cùng một hướng có khả năng sẽ bị bẻ cong theo hướng trái lại - sang trọng phải. Mặc dù nhiên, nếu positron dịch rời quatừ ngôi trường ngược hướng với điện tử, lối đi của nó vẫn sẽ uốn cong lịch sự phải, nhưng dọc theo cùng một con đường cong được tiến hành bởi điện tử uốn cong sang trọng trái. Tổng hợp lại, những hiệu ứng này tức là một phản điện tử hoàn toàn có thể di đưa quanh một vòng đồng bộ được dẫn hướng vì chưng cùng một nam châm và được tốc độ bởi cùng một điện trường tác động ảnh hưởng lên một điện tử dịch chuyển theo hướng ngược lại. Nhiều máy tia va đụng năng lượng tối đa là đồ vật va va hạt-phản hạt, vì chỉ việc một vòng gia tốc.

Như đã đã cho thấy ở trên, chùm vào mộtsynctron ko phải là một dòng hạt liên tiếp mà được tập hòa hợp thành "chùm". Một chùm có thể dài vài cm và ngang một trong những phần mười mm, với nó hoàn toàn có thể chứa khoảng tầm 10 12 phân tử — bé số thực tế tùy trực thuộc vào từng máy cố kỉnh thể. Tuy nhiên, điều này không phải là vô cùng dày đặc; đồ vật chất thông thường có kích cỡ tương tự chứa khoảng 10 23các nguyên tử. Do vậy, khi những chùm phân tử - hay chính xác hơn là các chùm hạt - giao nhau vào một đồ vật tia va chạm, chỉ bao gồm một cơ hội nhỏ tuổi là nhị hạt đã tương tác. Vào thực tế, các chùm rất có thể tiếp tục xung quanh vòng và giảm nhau một lượt nữa. Để có thể được cho phép tia chiếu qua lặp lại này, chân không trong số vòng của máy phát tia va va phải đặc biệt tốt để các hạt hoàn toàn có thể lưu thông trong không ít giờ mà không làm biến mất do va va với những phân tử không gian dư. Do đó, các vòng này còn được gọi là vòng giữ trữ, vì các chùm phân tử có hiệu lực thực thi hiện hành được lưu trữ trong chúng trong vài ba giờ.

Xem thêm:

Phát hiện nay hạt

Hầu không còn việc áp dụng chùm tia tự máy tốc độ hạt yêu thương cầu một vài cách phát hiện nay điều gì xẩy ra khi những hạt tiến công một phương châm hoặc một chùm hạt khác đi theo phía ngược lại. Trong tv ống hình ảnh , những điện tử bắn ra tự súng phun điện tử tiến công các phốt pho đặc trưng trên mặt phẳng bên trong của màn hình, và bọn chúng phát ra tia nắng , do đó tái tạo nên lại những hình ảnh được truyền hình. Với những máy gia tốc hạt, các máy dò chuyên dụng tương tự bội phản ứng với các hạt phân tán, nhưng những máy dò này thường được thiết kế với để tạo ra các bộc lộ điện có thể biến đổi thành dữ liệu máy tính xách tay và phân tích bằng những chương trình trang bị tính. Chỉ các hạt mang điện mới tạo ra tín hiệu năng lượng điện khi bọn chúng di chuyển sang vật liệu — ví dụ, bằng cách kích đam mê hoặc ion hóa các nguyên tử — và có thể được phát hiện nay trực tiếp. Những hạt trung tính, chẳng hạn như neutron hoặc photon, buộc phải được vạc hiện gián tiếp thông qua hành vi của các hạt với điện mà bọn chúng tự đặt trong đưa động.

Có tương đối nhiều loại thiết bị dò hạt, các loại trong số đó hữu ích nhất trong những trường hợp cầm cố thể. Một số, ví dụ như máy đếm Geiger quen thuộc , chỉ đơn giản dễ dàng là đếm các hạt, trong khi một trong những khác được sử dụng, ví dụ điển hình để ghi lại dấu vết của các hạt với điện hoặc để đo gia tốc của một hạt hoặc lượng tích điện mà nó sẽ mang theo. Các máy dò hiện đại khác nhau về form size và công nghệ, từ các thiết bị ghép nối năng lượng điện tích nhỏ (CCD) đến các buồng đựng đầy khí lớn được xâu bằng những dây dẫn cảm nhận các đường mòn ion hóa do những hạt tích điện tạo thành ra.

Lịch sử

Hầu hết sự vạc triển của dòng sản phẩm gia tốc phân tử được tác động bởi nghiên cứu về các đặc tính của hạt nhân nguyên tử với hạt hạ nguyên tử . Bắt đầu với nhà trang bị lý tín đồ AnhKhám phá của Ernest Rutherford vào năm 1919 về bội nghịch ứng giữa hạt nhân nitơ vàhạt alpha , toàn bộ các nghiên cứu trong đồ dùng lý hạt nhân cho đến năm 1932 được tiến hành với các hạt alpha được giải phóng vày sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên . Những hạt alpha thoải mái và tự nhiên có rượu cồn năng cao tới 8 MeV, nhưng lại Rutherford tin rằng, nhằm quan cạnh bên sự phân hủy của các hạt nhân nặng rộng bởi các hạt alpha, cần phải tăng tốc các ion hạt alpha một cách nhân tạo đến các năng lượng cao hơn nữa. Vào thời gian đó, hình như rất ít hy vọng về việc tạo thành điện áp trong phòng thí điểm đủ để tăng tốc những ion mang lại mức năng lượng mong muốn. Tuy nhiên, một đo lường và tính toán được triển khai vào năm 1928 bởiGeorge Gamow (sau đó tại Đại học tập Göttingen , Ger.) đã cho thấy rằng các ion năng lượng thấp hơn xứng đáng kể có thể hữu ích, và vấn đề đó đã kích ham mê nỗ lực chế tạo một thiết bị gia tốc rất có thể cung cấp chùm hạt phù hợp cho nghiên cứu hạt nhân.

Những cách tân và phát triển khác của thời kỳ kia đã chứng tỏ các nguyên tắc vẫn được thực hiện trong việc thiết kế máy gia tốc hạt. Các thí nghiệm thành công trước tiên với những ion được tốc độ nhân tạo thành đã được triển khai ở Anh tại Đại học tập Cambridge bởiJohn Douglas Cockcroft vàETS Walton vào thời điểm năm 1932. Sử dụng hệ số nhân điện áp, họ đã tiếp tục tăng tốc những proton đến tích điện cao cho tới 710 keV và cho thấy thêm rằng những hạt này làm phản ứng với phân tử nhân liti để tạo ra hai hạt alpha năng lượng. Đến năm 1931, tại Đại học Princeton sống New Jersey ,Robert J. Van de Graaff đã chế tạo máy phạt điện cao thế tĩnh điện chạy bởi dây đai đầu tiên. Thông số nhân điện áp vẻ bên ngoài Cockcroft-Walton và máy phát năng lượng điện Van de Graaff vẫn được thực hiện làm nguồn điện cho máy gia tốc.

Nguyên tắc của sản phẩm gia tốc cộng hưởng con đường tính được chứng minh bởiRolf Wideröe năm 1928. Tại Đại học Kỹ thuật Rhenish-Westphalian làm việc Aachen, Ger., Wideröe đã thực hiện điện áp cao xen kẽ để tăng tốc những ionsodium và potassium khổng lồ energies twice as high as those imparted by one application of the peak voltage. In 1931 in the United States, Ernest O. Lawrence và his assistant David H. Sloan, at the University of California, Berkeley, employed high-frequency fields to accelerate mercury ions to more than 1.2 MeV. This work augmented Wideröe’s achievement in accelerating heavy ions, but the ion beams were not useful in nuclear research.

The magnetic resonance accelerator, or cyclotron, was conceived by Lawrence as a modification of Wideröe’s linear resonance accelerator. Lawrence’s student M.S. Livingston demonstrated the principle of the cyclotron in 1931, producing 80-keV ions; in 1932 Lawrence và Livingston announced the acceleration of protons to more than 1 MeV. Later in the 1930s, cyclotron energies reached about 25 MeV and Van de Graaff generators about 4 MeV. In 1940 Donald W. Kerst, applying the results of careful orbit calculations to lớn the thiết kế of magnets, constructed the first betatron, a magnetic-induction accelerator of electrons, at the University of Illinois.

Following World War II there was a rapid advance in the science of accelerating particles to lớn high energies. Progress was initiated by Edwin Mattison McMillan at Berkeley and by Vladimir Iosifovich Veksler at Moscow. In 1945 both men independently described the principle of phase stability. This concept suggested a means of maintaining stable particle orbits in the cyclic accelerator and thus removed an apparent limitation on the energy of resonance accelerators for protons (see below Cyclotrons: Classical cyclotrons) và made possible the construction of magnetic resonance accelerators (called synchrotrons) for electrons. Phase focusing, the implementation of the principle of phase stability, was promptly demonstrated by the construction of a small synchrocyclotron at the University of California and an electron synchrotron in England. The first proton linear resonance accelerator was constructed soon thereafter. The large proton synchrotrons that have been built since then all depend on this principle.

In 1947 William W. Hansen, at Stanford University in California, constructed the first traveling-wave linear accelerator of electrons, exploiting microwave công nghệ that had been developed for radar during World War II.

The progress in research made possible by raising the energies of protons led to the building of successively larger accelerators; the trend was ended only by the cost of fabricating the huge magnet rings required—the largest weighs approximately 40,000 tons. A means of increasing the energy without increasing the scale of the machines was provided by a demonstration in 1952 by Livingston, Ernest D. Courant, và H.S. Snyder of the technique of alternating-gradient focusing (sometimes called strong focusing). Synchrotrons incorporating this principle needed magnets only 1/100 the kích cỡ that would be required otherwise. All recently constructed synchrotrons make use of alternating-gradient focusing.

Năm 1956, Kerst nhận biết rằng, nếu như hai tập hòa hợp hạt hoàn toàn có thể được bảo trì trong các quỹ đạo giao nhau, thì rất có thể quan gần kề được những tương tác trong các số ấy một hạt va chạm với một phân tử khác hoạt động theo phía ngược lại. Ứng dụng của ý tưởng phát minh này yên cầu sự tích tụ của những hạt gia tốc trong những vòng được call làvòng tàng trữ ( xem bên dưới vòng tàng trữ tia va chạm ). Tích điện phản ứng cao nhất bây chừ có thể đã có được đã được tạo nên ra bằng phương pháp sử dụng kỹ thuật này.