Ускоритель частиц -Particle accelerator

Тэватрон (круг на заднем плане) , ускоритель частиц типа синхротронного коллайдера в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб), Батавия, Иллинойс, США. Выключенный в 2011 году, до 2007 года он был самым мощным ускорителем частиц в мире, ускоряя протоны до энергии более 1  ТэВ (тераэлектронвольт). Пучки протонов и антипротонов, циркулирующие в противоположных направлениях в единой вакуумной камере кольца, сталкивались в двух точках пересечения, индуцированных магнитным полем.
Анимация, показывающая работу линейного ускорителя , широко используемого как в физических исследованиях, так и в лечении рака.

Ускоритель частиц — это машина, которая использует электромагнитные поля для разгона заряженных частиц до очень высоких скоростей и энергий и для удержания их в четко определенных пучках .

Большие ускорители используются для фундаментальных исследований в физике элементарных частиц . Крупнейший ускоритель, работающий в настоящее время, — это Большой адронный коллайдер (БАК) недалеко от Женевы, Швейцария, управляемый ЦЕРН . Это ускоритель- коллайдер , который может разогнать два пучка протонов до энергии 6,5  ТэВ и заставить их столкнуться лоб в лоб, создавая энергию центра масс 13 ТэВ. Другими мощными ускорителями являются RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке и бывший Тэватрон в Фермилабе , Батавия, Иллинойс. Ускорители также используются в качестве синхротронных источников света для изучения физики конденсированного состояния . Ускорители частиц меньшего размера используются в самых разных областях, включая терапию частицами в онкологических целях, производство радиоизотопов для медицинской диагностики, ионные имплантаты для производства полупроводников и ускорительные масс-спектрометры для измерения редких изотопов, таких как радиоуглерод . В настоящее время в мире работает более 30 000 ускорителей.

Существует два основных класса ускорителей: электростатические и электродинамические (или электромагнитные) ускорители. Электростатические ускорители частиц используют статические электрические поля для ускорения частиц. Наиболее распространенными типами являются генератор Кокрофта-Уолтона и генератор Ван де Граафа . Мелким примером этого класса является электронно-лучевая трубка в обычном старом телевизоре. Достижимая кинетическая энергия частиц в этих устройствах определяется ускоряющим напряжением , которое ограничивается электрическим пробоем . С другой стороны, электродинамические или электромагнитные ускорители используют изменяющиеся электромагнитные поля (либо магнитную индукцию , либо осциллирующие радиочастотные поля) для ускорения частиц. Поскольку в этих типах частицы могут проходить через одно и то же ускоряющее поле несколько раз, выходная энергия не ограничивается силой ускоряющего поля. Этот класс, впервые разработанный в 1920-х годах, является основой для большинства современных крупномасштабных ускорителей.

Рольф Видероэ , Густав Изинг , Лео Сцилард , Макс Стенбек и Эрнест Лоуренс считаются пионерами в этой области, разработав и построив первый действующий линейный ускоритель частиц , бетатрон и циклотрон .

Поскольку целью пучков частиц ранних ускорителей обычно были атомы куска материи с целью создания столкновений с их ядрами для исследования ядерной структуры, ускорители в 20 веке обычно называли ускорителями атомов . Термин сохраняется, несмотря на то, что многие современные ускорители создают столкновения между двумя субатомными частицами , а не между частицей и атомным ядром.

Использование

Лучи, ведущие от ускорителя Ван де Граафа к различным экспериментам в подвале кампуса Жюссье в Париже .
Здание, покрывающее лучевую трубу Стэнфордского линейного ускорителя (SLAC) длиной 2 мили (3,2 км) в Менло-Парке, Калифорния, второго по мощности линейного ускорителя в мире.

Пучки частиц высоких энергий полезны для фундаментальных и прикладных исследований в науке, а также во многих областях техники и промышленности, не связанных с фундаментальными исследованиями. По оценкам, в мире насчитывается около 30 000 ускорителей. Из них только около 1% составляют исследовательские машины с энергиями выше 1 ГэВ , в то время как около 44% — для радиотерапии, 41% — для ионной имплантации , 9% — для промышленной обработки и исследований и 4% — для биомедицинских и других низкоэнергетических исследований.

Физика частиц

Для самых основных исследований динамики и структуры материи, пространства и времени физики ищут простейшие виды взаимодействий при максимально возможных энергиях. Они обычно влекут за собой энергии частиц в несколько ГэВ и взаимодействия простейших типов частиц: лептонов (например, электронов и позитронов ) и кварков для вещества или фотонов и глюонов для квантов поля . Поскольку изолированные кварки экспериментально недоступны из-за ограничения цвета , простейшие доступные эксперименты включают взаимодействие, во-первых, лептонов друг с другом, а во-вторых, лептонов с нуклонами , которые состоят из кварков и глюонов. Для изучения столкновений кварков друг с другом ученые прибегают к столкновениям нуклонов, которые при высоких энергиях можно с пользой рассматривать как двухчастичные взаимодействия кварков и глюонов, из которых они состоят. Физики элементарных частиц склонны использовать машины, создающие пучки электронов, позитронов, протонов и антипротонов , взаимодействующих друг с другом или с простейшими ядрами (например, водорода или дейтерия ) при максимально возможных энергиях, как правило, в сотни ГэВ и более.

Крупнейшим ускорителем частиц с самой высокой энергией, используемым для физики элементарных частиц , является Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе , работающий с 2009 года.

Ядерная физика и производство изотопов

Физики -ядерщики и космологи могут использовать пучки голых атомных ядер , лишенных электронов, для исследования структуры, взаимодействий и свойств самих ядер, а также конденсированного вещества при экстремально высоких температурах и плотностях, которые могли иметь место в первые моменты Большого Взрыва . Эти исследования часто связаны со столкновениями тяжелых ядер — таких атомов, как железо или золото  — при энергиях в несколько ГэВ на нуклон . Крупнейшим таким ускорителем частиц является Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории .

Ускорители частиц могут также производить протонные пучки, которые могут производить богатые протонами медицинские или исследовательские изотопы , в отличие от богатых нейтронами изотопов, получаемых в реакторах деления ; однако недавняя работа показала, как получить 99 Mo , обычно получаемый в реакторах, путем ускорения изотопов водорода, хотя этот метод по-прежнему требует реактора для производства трития . Примером такого типа машин является LANSCE в Лос-Аламосе .

Синхротронное излучение

Электроны , распространяющиеся через магнитное поле, испускают очень яркие и когерентные пучки фотонов посредством синхротронного излучения . Он имеет множество применений в изучении атомной структуры, химии, физики конденсированных сред, биологии и технологии. Во всем мире существует большое количество синхротронных источников света . Примерами в США являются SSRL в Национальной ускорительной лаборатории SLAC , APS в Аргоннской национальной лаборатории, ALS в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и NSLS в Брукхейвенской национальной лаборатории . В Европе есть MAX IV в Лунде, Швеция, BESSY в Берлине, Германия, Diamond в Оксфордшире, Великобритания, ESRF в Гренобле , Франция, последний использовался для извлечения подробных трехмерных изображений насекомых, пойманных в ловушку в янтаре.

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) — особый класс источников света на основе синхротронного излучения , дающий более короткие импульсы с более высокой временной когерентностью . Специально разработанный ЛСЭ является самым ярким источником рентгеновского излучения в наблюдаемой Вселенной. Наиболее яркими примерами являются LCLS в США и европейский XFEL в Германии. Больше внимания привлекают лазеры мягкого рентгеновского излучения , которые вместе с укорочением импульса открывают новые методы для аттосекундной науки . Помимо рентгеновских лучей, ЛСЭ используются для излучения терагерцового света , например, FELIX в Неймегене, Нидерланды, TELBE в Дрездене, Германия и NovoFEL в Новосибирске, Россия.

Таким образом, существует большой спрос на ускорители электронов со средней ( ГэВ ) энергией, высокой интенсивностью и высоким качеством пучка для управления источниками света.

Машины с низким энергопотреблением и терапия частицами

Повседневными примерами ускорителей частиц являются электронно-лучевые трубки , используемые в телевизорах и генераторах рентгеновского излучения . В этих низкоэнергетических ускорителях используется одна пара электродов с постоянным напряжением в несколько тысяч вольт между ними. В генераторе рентгеновского излучения сама мишень является одним из электродов. Ускоритель частиц низкой энергии, называемый ионным имплантером , используется в производстве интегральных схем .

При более низких энергиях пучки ускоренных ядер также используются в медицине в качестве терапии частицами для лечения рака.

Типы ускорителей постоянного тока, способные разгонять частицы до скоростей, достаточных для возникновения ядерных реакций, представляют собой генераторы Кокрофта-Уолтона или умножители напряжения , которые преобразуют переменный ток в постоянный ток высокого напряжения, или генераторы Ван де Граафа, которые используют статическое электричество, переносимое ремнями.

Радиационная стерилизация медицинских изделий

Электронно-лучевая обработка обычно используется для стерилизации. Электронные пучки — это технология включения-выключения, которая обеспечивает гораздо более высокую мощность дозы, чем гамма- или рентгеновские лучи, испускаемые радиоизотопами , такими как кобальт-60 ( 60 Co) или цезий-137 ( 137 Cs). Из-за более высокой мощности дозы требуется меньшее время воздействия и снижается деградация полимера. Поскольку электроны несут заряд, электронные лучи обладают меньшей проникающей способностью, чем гамма- и рентгеновские лучи.

Электростатические ускорители частиц

Генератор Кокрофта-Уолтона ( Philips , 1937), находящийся в Музее науки (Лондон) .
Одноступенчатый линейный ускоритель Ван де Граафа на 2 МэВ 1960-х годов, здесь открыт для обслуживания.

Исторически сложилось так, что первые ускорители использовали простую технологию однократного статического высокого напряжения для ускорения заряженных частиц. Заряженная частица ускорялась через вакуумированную трубку с электродами на обоих концах со статическим потенциалом на ней. Поскольку частица только один раз прошла через разность потенциалов, выходная энергия ограничивалась ускоряющим напряжением машины. Хотя этот метод по-прежнему чрезвычайно популярен сегодня, поскольку количество электростатических ускорителей значительно превосходит любой другой тип, они больше подходят для исследований с более низким энергопотреблением из-за практического предела напряжения около 1 МВ для машин с воздушной изоляцией или 30 МВ, когда ускоритель работает в резервуаре со сжатым газом с высокой диэлектрической прочностью , например с гексафторидом серы . В тандемном ускорителе потенциал используется дважды для ускорения частиц путем изменения заряда частиц, когда они находятся внутри терминала. Это возможно при ускорении атомных ядер с помощью анионов (отрицательно заряженных ионов ), а затем при пропускании луча через тонкую фольгу для отрыва электронов от анионов внутри высоковольтного терминала, превращая их в катионы (положительно заряженные ионы), которые снова ускоряются, когда они покидают терминал.

Двумя основными типами электростатических ускорителей являются ускоритель Кокрофта-Уолтона , в котором для получения высокого напряжения используется диодно-конденсаторный умножитель напряжения, и ускоритель Ван де Граафа , в котором используется движущаяся тканевая лента для переноса заряда на высоковольтный электрод. Хотя электростатические ускорители ускоряют частицы по прямой линии, термин «линейный ускоритель» чаще используется для ускорителей, в которых используются осциллирующие, а не статические электрические поля.

Электродинамические (электромагнитные) ускорители частиц

Из-за потолка высокого напряжения, создаваемого электрическим разрядом, для ускорения частиц до более высоких энергий используются методы, использующие динамические поля, а не статические поля. Электродинамическое ускорение может возникать из-за любого из двух механизмов: нерезонансной магнитной индукции или резонансных цепей или полостей , возбуждаемых колеблющимися радиочастотными полями. Электродинамические ускорители могут быть линейными , с частицами, ускоряющимися по прямой линии, или круговыми , использующими магнитные поля для отклонения частиц по примерно круговой орбите.

Ускорители магнитной индукции

Ускорители магнитной индукции ускоряют частицы за счет индукции от возрастающего магнитного поля, как если бы частицы были вторичной обмоткой трансформатора. Увеличивающееся магнитное поле создает циркулирующее электрическое поле, которое можно настроить для ускорения частиц. Индукционные ускорители могут быть как линейными, так и круговыми.

Линейные индукционные ускорители

В линейных индукционных ускорителях используются нерезонансные индукционные резонаторы, нагруженные ферритом. Каждую полость можно представить как два больших шайбообразных диска, соединенных внешней цилиндрической трубой. Между дисками находится ферритовый тороид. Импульс напряжения, подаваемый между двумя дисками, вызывает возрастающее магнитное поле, которое индуктивно передает мощность пучку заряженных частиц.

Линейный индукционный ускоритель был изобретен Христофилосом в 1960-х годах. Линейные индукционные ускорители способны ускорять очень большие токи пучка (> 1000 А) за один короткий импульс. Они использовались для генерации рентгеновского излучения для флэш-радиографии (например , DARHT в LANL ), и рассматривались как инжекторы частиц для термоядерного синтеза с магнитным удержанием и как драйверы для лазеров на свободных электронах .

Бетатроны

Бетатрон — ускоритель с круговой магнитной индукцией, изобретенный Дональдом Керстом в 1940 году для ускорения электронов . Концепция исходит в конечном счете от норвежско-немецкого ученого Рольфа Видероэ . Эти машины, как и синхротроны, используют кольцевой магнит в форме пончика (см. ниже) с циклически увеличивающимся полем В, но ускоряют частицы за счет индукции от возрастающего магнитного поля, как если бы они были вторичной обмоткой трансформатора, из-за изменение магнитного потока через орбиту.

Достижение постоянного радиуса орбиты при обеспечении надлежащего ускоряющего электрического поля требует, чтобы магнитный поток, связывающий орбиту, был в некоторой степени независимым от магнитного поля на орбите, изгибая частицы в кривую постоянного радиуса. Эти машины на практике были ограничены большими потерями на излучение, которые несут электроны, движущиеся почти со скоростью света по орбите с относительно небольшим радиусом.

Линейные ускорители

Современный сверхпроводящий радиочастотный компонент многоячеечного линейного ускорителя.

В линейном ускорителе частиц (linac) частицы ускоряются по прямой линии с интересующей целью на одном конце. Они часто используются для обеспечения начального низкоэнергетического толчка частиц перед тем, как они будут введены в круговые ускорители. Самый длинный линейный ускоритель в мире - это Стэнфордский линейный ускоритель SLAC, длина которого составляет 3 км (1,9 мили). SLAC изначально был электрон - позитронным коллайдером, но теперь является рентгеновским лазером на свободных электронах .

В линейных ускорителях высоких энергий используется линейный массив пластин (или дрейфовых трубок), к которым приложено переменное поле высокой энергии. Когда частицы приближаются к пластине, они ускоряются по направлению к ней за счет заряда противоположной полярности, приложенного к пластине. Когда они проходят через отверстие в пластине, полярность меняется так, что теперь пластина отталкивает их, и теперь они ускоряются ею по направлению к следующей пластине. Обычно поток «сгустков» частиц ускоряется, поэтому к каждой пластине прикладывается тщательно контролируемое переменное напряжение, чтобы непрерывно повторять этот процесс для каждого сгустка.

Когда частицы приближаются к скорости света, скорость переключения электрических полей становится настолько высокой, что они работают на радиочастотах , и поэтому в машинах с более высокой энергией вместо простых пластин используются микроволновые резонаторы .

Линейные ускорители также широко используются в медицине , для лучевой терапии и радиохирургии . Медицинские линейные ускорители ускоряют электроны с помощью клистрона и сложной конструкции изгибного магнита, которая создает пучок с энергией 6-30  МэВ . Электроны можно использовать напрямую или столкнуть с мишенью, чтобы получить пучок рентгеновских лучей . Надежность, гибкость и точность создаваемого луча излучения в значительной степени вытеснили более раннее использование терапии кобальтом-60 в качестве инструмента лечения.

Круговые или циклические РЧ-ускорители

В круговом ускорителе частицы движутся по кругу, пока не достигнут достаточной энергии. Трек частицы обычно сгибается в круг с помощью электромагнитов . Преимущество круговых ускорителей перед линейными ускорителями ( ускорителями ) состоит в том, что топология кольца позволяет непрерывное ускорение, поскольку частица может перемещаться бесконечно. Еще одним преимуществом является то, что круговой ускоритель меньше, чем линейный ускоритель сопоставимой мощности (т.е. линейный ускоритель должен быть очень длинным, чтобы иметь мощность, эквивалентную круговому ускорителю).

В зависимости от энергии и ускоряемой частицы круговые ускорители имеют недостаток, заключающийся в том, что частицы испускают синхротронное излучение . Когда любая заряженная частица ускоряется, она испускает электромагнитное излучение и вторичное излучение . Поскольку частица, движущаяся по кругу, всегда ускоряется к центру круга, она непрерывно излучает в направлении касательной к кругу. Это излучение называется синхротронным светом и сильно зависит от массы ускоряющейся частицы. По этой причине многие ускорители электронов высоких энергий представляют собой линейные ускорители. Однако некоторые ускорители ( синхротроны ) построены специально для производства синхротронного света ( рентгеновских лучей ).

Поскольку специальная теория относительности требует, чтобы материя всегда двигалась медленнее скорости света в вакууме , в ускорителях высоких энергий по мере увеличения энергии скорость частицы приближается к скорости света как к пределу, но никогда не достигает ее. Поэтому физики элементарных частиц обычно думают не с точки зрения скорости, а скорее с точки зрения энергии или импульса частицы , обычно измеряемого в электрон-вольтах (эВ). Важным принципом для круговых ускорителей и пучков частиц в целом является то, что кривизна траектории частицы пропорциональна заряду частицы и магнитному полю, но обратно пропорциональна (обычно релятивистскому ) импульсу .

циклотроны

60-дюймовый циклотрон Лоуренса с магнитными полюсами диаметром 60 дюймов (5 футов 1,5 метра) в Радиационной лаборатории Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли в августе 1939 года, самый мощный ускоритель в мире в то время. Гленн Т. Сиборг и Эдвин Макмиллан (справа) использовали его для открытия плутония , нептуния и многих других трансурановых элементов и изотопов, за что в 1951 году получили Нобелевскую премию по химии.

Первыми действующими круговыми ускорителями были циклотроны , изобретенные в 1929 году Эрнестом Лоуренсом в Калифорнийском университете в Беркли . Циклотроны имеют единственную пару полых D-образных пластин для ускорения частиц и один большой дипольный магнит , чтобы направить их траекторию на круговую орбиту. Характерным свойством заряженных частиц в однородном и постоянном магнитном поле В является то, что они вращаются с постоянным периодом на частоте, называемой циклотронной частотой , пока их скорость мала по сравнению со скоростью света с . Это означает, что ускоряющие D циклотрона могут приводиться в действие на постоянной частоте с помощью источника ускоряющей радиочастоты (RF), поскольку пучок непрерывно движется наружу по спирали. Частицы вводятся в центр магнита и извлекаются на внешнем краю с максимальной энергией.

Циклотроны достигают предела энергии из-за релятивистских эффектов , в результате чего частицы фактически становятся более массивными, так что их циклотронная частота не синхронизируется с ускоряющей радиочастотой. Следовательно, простые циклотроны могут ускорять протоны только до энергии около 15 миллионов электрон-вольт (15 МэВ, что соответствует скорости примерно 10% c ), потому что протоны не совпадают по фазе с движущим электрическим полем. При дальнейшем ускорении луч будет продолжать двигаться по спирали наружу до большего радиуса, но частицы больше не будут набирать достаточную скорость, чтобы завершить больший круг в ногу с ускоряющим RF. Чтобы приспособиться к релятивистским эффектам, магнитное поле необходимо увеличить до больших радиусов, как это делается в изохронных циклотронах . Примером изохронного циклотрона является циклотрон PSI Ring в Швейцарии, который обеспечивает протоны с энергией 590 МэВ, что соответствует примерно 80% скорости света. Преимуществом такого циклотрона является максимально достижимый выводимый протонный ток, который в настоящее время составляет 2,2 мА. Энергия и ток соответствуют мощности пучка 1,3 МВт, что является самым высоким из всех существующих в настоящее время ускорителей.

Синхроциклотроны и изохронные циклотроны

Магнит в синхроциклотроне в центре протонной терапии Орсе .

Классический циклотрон можно модифицировать, чтобы увеличить предел энергии. Исторически первым подходом был синхроциклотрон , ускоряющий частицы в сгустках. Он использует постоянное магнитное поле , но снижает частоту ускоряющего поля, чтобы частицы двигались в ногу по мере их движения по спирали наружу, соответствуя их частоте циклотронного резонанса , зависящей от массы. Этот подход страдает от низкой средней интенсивности луча из-за группировки и, опять же, из-за необходимости в огромном магните большого радиуса и постоянного поля на большей орбите, требуемой высокой энергией.

Второй подход к проблеме ускорения релятивистских частиц — изохронный циклотрон . В такой структуре частота ускоряющего поля (и частота циклотронного резонанса) поддерживается постоянной для всех энергий за счет формирования полюсов магнита таким образом, чтобы магнитное поле увеличивалось с радиусом. Таким образом, все частицы получают ускорение в изохронные промежутки времени. Частицы с более высокой энергией проходят более короткое расстояние по каждой орбите, чем в классическом циклотроне, таким образом, оставаясь в фазе с ускоряющим полем. Преимущество изохронного циклотрона заключается в том, что он может доставлять непрерывные пучки с более высокой средней интенсивностью, что полезно для некоторых приложений. Основными недостатками являются размер и стоимость необходимого большого магнита, а также сложность достижения высоких значений магнитного поля, необходимых на внешнем краю конструкции.

Синхроциклотроны не строились с тех пор, как был разработан изохронный циклотрон.

Синхротроны

Аэрофотоснимок Тэватрона в Фермилабе , который напоминает восьмерку. Главный ускоритель — кольцо вверху; нижний (примерно половина диаметра, несмотря на вид) предназначен для предварительного ускорения, охлаждения и хранения пучка и т. д.

Для достижения еще более высоких энергий с релятивистской массой, приближающейся к массе покоя частиц или превышающей ее (для протонов — миллиарды электрон-вольт или ГэВ ), необходимо использовать синхротрон . Это ускоритель, в котором частицы разгоняются по кольцу постоянного радиуса. Непосредственным преимуществом перед циклотронами является то, что магнитное поле должно присутствовать только в реальной области орбит частиц, которая намного уже, чем у кольца. (Самый большой циклотрон, построенный в США, имел магнитный полюс диаметром 184 дюйма (4,7 м), тогда как диаметр синхротронов, таких как LEP и LHC , составляет почти 10 км. Апертура двух лучей LHC составляет порядка сантиметра.) БАК содержит 16 РЧ-резонаторов, 1232 сверхпроводящих дипольных магнита для управления лучом и 24 квадруполя для фокусировки луча. Даже при таком размере БАК ограничен своей способностью управлять частицами, не позволяя им дрейфовать. Теоретически этот предел возникает при 14 ТэВ.

Однако, поскольку импульс частицы увеличивается при ускорении, необходимо увеличивать магнитное поле B пропорционально, чтобы поддерживать постоянную кривизну орбиты. Как следствие, синхротроны не могут непрерывно ускорять частицы, как это могут циклотроны, но должны работать циклически, подавая частицы в виде сгустков, которые доставляются к цели или внешнему лучу в виде «разливов» пучка обычно каждые несколько секунд.

Поскольку синхротроны высоких энергий выполняют большую часть своей работы над частицами, которые уже движутся почти со скоростью света с , время, необходимое для завершения одного витка кольца, почти постоянно, как и частота резонаторов ВЧ-резонатора , используемых для управления ускорением. .

В современных синхротронах апертура пучка мала и магнитное поле не покрывает всю площадь орбиты частицы, как в циклотроне, поэтому можно выделить несколько необходимых функций. Вместо одного огромного магнита имеется ряд из сотен поворотных магнитов, окружающих (или окруженных) вакуумными соединительными трубками. В начале 1950-х годов конструкция синхротронов претерпела революцию, когда была открыта концепция сильной фокусировки . Фокусировка луча осуществляется независимо специализированными квадрупольными магнитами , а само ускорение осуществляется в отдельных ВЧ-секциях, как в коротких линейных ускорителях. Кроме того, нет необходимости, чтобы циклические машины были круглыми, скорее лучевая труба может иметь прямые участки между магнитами, где лучи могут сталкиваться, охлаждаться и т. д. оптика".

Более сложные современные синхротроны, такие как Tevatron, LEP и LHC, могут доставлять сгустки частиц в накопительные кольца магнитов с постоянным магнитным полем, где они могут продолжать движение по орбите в течение длительного времени для экспериментов или дальнейшего ускорения. Машины с наивысшей энергией, такие как Тэватрон и БАК, на самом деле представляют собой ускорительные комплексы с каскадом последовательно соединенных специализированных элементов, включая линейные ускорители для создания начального пучка, один или несколько синхротронов с низкой энергией для достижения промежуточной энергии, накопительные кольца, где пучки могут быть накапливается или «охлаждается» (уменьшая требуемую апертуру магнита и обеспечивая более точную фокусировку; см. « Охлаждение луча » ) и последнее большое кольцо для окончательного ускорения и экспериментов.

Сегмент электронного синхротрона в DESY
Электронные синхротроны

Круговые ускорители электронов несколько потеряли популярность в физике элементарных частиц примерно в то время, когда был построен линейный ускоритель частиц SLAC , потому что их синхротронные потери считались экономически непомерно высокими, а интенсивность их пучка была ниже, чем у неимпульсных линейных машин. Корнеллский электронный синхротрон , построенный по низкой цене в конце 1970-х годов, был первым в серии ускорителей электронов с круговым движением высоких энергий, построенных для физики элементарных частиц, последним из которых был LEP , построенный в ЦЕРНе, который использовался с 1989 по 2000 год.

За последние два десятилетия было построено большое количество электронных синхротронов как часть синхротронных источников света , излучающих ультрафиолетовое и рентгеновское излучение; Смотри ниже.

Кольца хранения

Для некоторых приложений полезно хранить пучки частиц высокой энергии в течение некоторого времени (при современной технологии высокого вакуума до многих часов) без дальнейшего ускорения. Это особенно верно для ускорителей со встречными лучами , в которых два луча, движущихся в противоположных направлениях, сталкиваются друг с другом с большим выигрышем в эффективной энергии столкновения . Поскольку при каждом проходе через точку пересечения двух лучей происходит относительно мало столкновений, принято сначала ускорять лучи до желаемой энергии, а затем хранить их в накопительных кольцах, которые по существу представляют собой синхротронные кольца магнитов, без значительных РЧ. мощность для разгона.

Источники синхротронного излучения

Некоторые круговые ускорители были построены для преднамеренной генерации излучения (называемого синхротронным светом ) в виде рентгеновских лучей , также называемых синхротронным излучением, например, источник алмазного света , который был построен в лаборатории Резерфорда Эпплтона в Англии, или усовершенствованный источник фотонов в Аргоннской национальной лаборатории . в Иллинойсе , США. Высокоэнергетические рентгеновские лучи полезны, например, для рентгеновской спектроскопии белков или тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей (XAFS).

Синхротронное излучение более мощно излучается более легкими частицами, поэтому эти ускорители неизменно являются ускорителями электронов . Синхротронное излучение позволяет получать более качественные изображения, как это было исследовано и разработано в SPEAR компании SLAC .

Ускорители переменного градиента с фиксированным полем

Ускорители переменного градиента с фиксированным полем (FFA) , в которых магнитное поле, фиксированное во времени, но с радиальным изменением для достижения сильной фокусировки , позволяет ускорять луч с высокой частотой повторения, но с гораздо меньшим радиальным распространением. чем в случае циклотрона. Изохронные FFA, как и изохронные циклотроны, обеспечивают непрерывную работу пучка, но без необходимости в огромном дипольном поворотном магните, покрывающем весь радиус орбит. Описаны некоторые новые разработки в области FFA.

История

Первый циклотрон Эрнеста Лоуренса имел диаметр всего 4 дюйма (100 мм). Позже, в 1939 году, он построил машину с полюсным наконечником диаметром 60 дюймов, а в 1942 году запланировал машину с диаметром 184 дюйма , которая, однако, была использована для работ, связанных со Второй мировой войной , связанных с разделением изотопов урана . после войны он продолжал служить для исследований и медицины в течение многих лет.

Первым крупным протонным синхротроном был космотрон в Брукхейвенской национальной лаборатории , который ускорял протоны примерно до 3  ГэВ (1953–1968). Беватрон в Беркли, завершенный в 1954 году, был специально разработан для ускорения протонов до энергии, достаточной для создания антипротонов , и проверки симметрии частица-античастица в природе, которая тогда была только теоретической. Синхротрон с переменным градиентом (AGS) в Брукхейвене (1960–) был первым большим синхротроном с переменным градиентом, « сильно фокусирующими » магнитами, которые значительно уменьшили требуемую апертуру луча и, соответственно, размер и стоимость поворотных магнитов. Протонный синхротрон , построенный в ЦЕРН ( 1959–), был первым крупным европейским ускорителем частиц и в целом похож на AGS.

Стэнфордский линейный ускоритель , SLAC, начал функционировать в 1966 году, ускоряя электроны до 30 ГэВ в 3-километровом волноводе, проложенном в туннеле и питаемом сотнями больших клистронов . Это по-прежнему самый большой из существующих линейных ускорителей, который был модернизирован за счет добавления накопительных колец и электронно-позитронного коллайдера. Он также является источником синхротронных фотонов рентгеновского и УФ-излучения.

Fermilab Tevatron имеет кольцо с ходом луча 4 мили (6,4 км). Он получил несколько модернизаций и функционировал как протон-антипротонный коллайдер, пока не был остановлен из-за сокращения бюджета 30 сентября 2011 года . электронно- позитронный коллайдер. Он достиг энергии 209 ГэВ, прежде чем его разобрали в 2000 году, чтобы туннель можно было использовать для Большого адронного коллайдера (БАК). LHC представляет собой протонный коллайдер и в настоящее время является крупнейшим в мире ускорителем с самой высокой энергией, достигающим энергии 6,5 ТэВ на пучок (всего 13 ТэВ).

Прерванный сверхпроводящий суперколлайдер (SSC) в Техасе имел бы окружность 87 км. Строительство было начато в 1991 году, но прекращено в 1993 году. Очень большие круговые ускорители неизменно строятся в туннелях шириной в несколько метров, чтобы свести к минимуму разрушение и стоимость строительства такой конструкции на поверхности, а также обеспечить защиту от интенсивного вторичного излучения. которые чрезвычайно проникают при высоких энергиях.

В современных ускорителях, таких как источник нейтронов расщепления , используются сверхпроводящие криомодули . Релятивистский коллайдер тяжелых ионов и Большой адронный коллайдер также используют сверхпроводящие магниты и ВЧ-резонаторы для ускорения частиц.

Цели

Выход ускорителя частиц обычно может быть направлен на несколько линий экспериментов, по одной в данный момент времени, с помощью отклоняющего электромагнита . Это позволяет проводить несколько экспериментов без необходимости перемещать предметы или отключать весь луч ускорителя. За исключением источников синхротронного излучения, целью ускорителя является генерация высокоэнергетических частиц для взаимодействия с веществом.

Обычно это фиксированная цель, например люминофорное покрытие на задней стороне экрана в случае телевизионной трубки; кусок урана в ускорителе, предназначенном для использования в качестве источника нейтронов; или вольфрамовая мишень для генератора рентгеновского излучения. В линейном ускорителе цель просто устанавливается на конец ускорителя. Траектория частиц в циклотроне представляет собой спираль, направленную наружу от центра круговой машины, поэтому ускоренные частицы выходят из фиксированной точки, как в линейном ускорителе.

С синхротронами дело обстоит сложнее. Частицы разгоняются до нужной энергии. Затем быстродействующий дипольный магнит используется для переключения частиц из круглой синхротронной трубки в направлении мишени.

Разновидностью, обычно используемой для исследования физики элементарных частиц , является коллайдер , также называемый коллайдером накопительного кольца . Два круглых синхротрона строятся в непосредственной близости - обычно друг над другом и с использованием одних и тех же магнитов (которые затем имеют более сложную конструкцию для размещения обеих лучевых трубок). Сгустки частиц движутся в противоположных направлениях вокруг двух ускорителей и сталкиваются на пересечениях между ними. Это может чрезвычайно увеличить энергию; в то время как в эксперименте с фиксированной целью энергия, доступная для производства новых частиц, пропорциональна квадратному корню из энергии луча, в коллайдере доступная энергия линейна.

Детекторы

Высшие энергии

В настоящее время все ускорители самых высоких энергий представляют собой круговые коллайдеры, но и ускорители адронов, и ускорители электронов работают на пределе возможностей. Для циклических ускорителей адронов и ионов более высоких энергий потребуются ускорительные туннели большего физического размера из-за повышенной жесткости пучка .

Для циклических электронных ускорителей ограничение на практический радиус изгиба накладывается потерями синхротронного излучения, и следующее поколение, вероятно, будет линейными ускорителями, длина которых в 10 раз больше нынешней. Примером такого ускорителя электронов следующего поколения является предполагаемый Международный линейный коллайдер длиной 40 км .

Считается, что ускорение плазменного кильватерного поля в форме «дожигателей» электронного пучка и автономных лазерных генераторов может обеспечить резкое повышение эффективности по сравнению с РЧ-ускорителями в течение двух-трех десятилетий. В плазменных ускорителях с кильватерным полем полость пучка заполнена плазмой (а не вакуумом). Короткий импульс электронов или лазерного света либо составляет, либо непосредственно предшествует ускоряемым частицам. Импульс разрушает плазму, заставляя заряженные частицы в плазме интегрироваться и двигаться к задней части сгустка частиц, которые ускоряются. Этот процесс передает энергию сгустку частиц, дополнительно ускоряя его, и продолжается до тех пор, пока импульс остается когерентным.

Градиенты энергии до 200 ГэВ/м были достигнуты на расстояниях миллиметрового масштаба с использованием лазерных генераторов, а градиенты, приближающиеся к 1 ГэВ/м, создаются на многосантиметровом масштабе с помощью электронно-лучевых систем, в отличие от предела около 0,1 ГэВ/м только для радиочастотного ускорения. Существующие ускорители электронов, такие как SLAC , могут использовать дожигатели электронного луча, чтобы значительно увеличить энергию своих пучков частиц за счет интенсивности луча. Электронные системы в целом могут давать надежно коллимированные пучки; лазерные системы могут предложить большую мощность и компактность. Таким образом, плазменные ускорители с кильватерным полем могут быть использованы — если удастся решить технические проблемы — как для увеличения максимальной энергии крупнейших ускорителей, так и для подачи высоких энергий в университетские лаборатории и медицинские центры.

Градиенты выше 0,25 ГэВ/м были достигнуты с помощью диэлектрического лазерного ускорителя, который может представлять собой еще один жизнеспособный подход к созданию компактных ускорителей высоких энергий. С использованием лазерных импульсов фемтосекундной длительности зарегистрирован градиент ускорения электронов 0,69 Гэв/м для диэлектрических лазерных ускорителей. После дальнейшей оптимизации ожидаются более высокие градиенты порядка от 1 до 6 ГэВ/м.

Производство черных дыр и проблемы общественной безопасности

В будущем может возникнуть возможность рождения черных дыр на ускорителях самых высоких энергий, если некоторые предсказания теории суперструн окажутся точными. Эта и другие возможности вызвали опасения в отношении общественной безопасности , о которых широко сообщалось в связи с LHC , который начал работу в 2008 году. Различные возможные опасные сценарии были оценены как представляющие «немыслимую опасность» в последней оценке рисков, проведенной LHC. Группа оценки безопасности LHC. Если черные дыры образуются, теоретически предсказывается, что такие маленькие черные дыры должны чрезвычайно быстро испаряться из -за излучения Бекенштейна-Хокинга , но это пока не подтверждено экспериментально. Если коллайдеры могут создавать черные дыры, космические лучи (и особенно космические лучи сверхвысоких энергий , КЛСВЭ) должны были производить их в течение тысячелетий, но они еще никому не причинили вреда. Утверждалось, что для сохранения энергии и импульса любые черные дыры, созданные при столкновении между КЛСВЭ и местным веществом, обязательно должны двигаться с релятивистской скоростью по отношению к Земле и должны улетать в космос, поскольку их аккреция и скорость роста должны быть очень медленными, в то время как черные дыры, созданные в коллайдерах (с компонентами равной массы), имели бы некоторый шанс иметь скорость меньше скорости убегания Земли, 11,2 км в секунду, и были бы склонны к захвату и последующему росту. Но даже при таких сценариях столкновения КЛСВЭ с белыми карликами и нейтронными звездами привели бы к их быстрому разрушению, а ведь эти тела наблюдаются как обычные астрономические объекты. Таким образом, если должны быть созданы стабильные микрочерные дыры, они должны расти слишком медленно, чтобы вызвать какие-либо заметные макроскопические эффекты в течение естественного времени жизни Солнечной системы.

Оператор акселератора

Использование передовых технологий, таких как сверхпроводимость, криогеника и мощные усилители радиочастот, а также наличие ионизирующего излучения создают проблемы для безопасной эксплуатации ускорительных установок. Оператор ускорителя управляет работой ускорителя частиц, регулирует рабочие параметры, такие как соотношение сторон , сила тока и положение на цели. Они общаются с обслуживающим персоналом ускорителя и помогают ему обеспечить готовность вспомогательных систем, таких как вакуум , магниты , магнитные и радиочастотные источники питания и управления, а также системы охлаждения. Кроме того, оператор ускорителя ведет учет событий, связанных с ускорителем.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки