Недостатки
- Длина устройства ограничивает места, где его можно разместить.
- Требуется большое количество приводных устройств и связанных с ними источников питания, что увеличивает затраты на строительство и обслуживание этой части.
- Если стенки ускоряющих резонаторов изготовлены из нормально проводящего материала и ускоряющие поля велики, удельное сопротивление стенок быстро преобразует электрическую энергию в тепло. С другой стороны, сверхпроводники также нуждаются в постоянном охлаждении, чтобы поддерживать их температуру ниже критической, а ускоряющие поля ограничиваются . Поэтому высокоэнергетические ускорители, такие как SLAC , по-прежнему самые длинные в мире (в различных его поколениях), работают с короткими импульсами, ограничивая средний выходной ток и заставляя экспериментальные детекторы обрабатывать данные, поступающие короткими импульсами.
Быстрее, быстрее, быстрее…
Для того чтобы познать микромир и расширить наши познания о материи в целом, современные физики-экспериментаторы, как и столетия назад, проводят опыты. Но микромир можно исследовать только с помощью «частиц-разведчиков», разогнанных до сверхвысоких энергий, ибо энергия частиц, испускаемых при естественном распаде радиоактивных веществ, относительно невелика. Для получения нужной энергии требуются мощные электрические и магнитные поля, для чего и сооружают огромные по размерам и сложности машины — ускорители.
Попробуем разобраться в сути устройства ускорителя.
Попав между электродами с разными зарядами, заряженная частица ускоряет движение под действием электрических сил, это известно из школьного курса физики.
Именно это явление и породило идею создания в 1930-е годы линейного ускорителя.
Линейный ускоритель представляет собой длинную трубу, в которой поддерживается вакуум. Заряженные частицы движутся по прямой, последовательно проходя сквозь цепочку электродов. От специального генератора на электроды подают переменное электрическое напряжение так, что когда первый электрод оказывается заряженным, допустим, положительно, второй электрод будет заряжен отрицательно и так далее.
Попадая в ускоритель из электронной «пушки», пучок электронов под действием потенциала первого, положительного, электрода начинает ускоряться, пролетая сквозь него. В этот же момент напряжение меняется, и электрод, только что заряженный положительно, становится отрицательным. Теперь он уже отталкивает от себя электроны. А второй электрод, став за это время положительным, притягивает электроны к себе, еще более ускоряя их. Таким образом, частица ускоряется всякий раз, когда оказывается в промежутке между соседними электродами.
Линейные ускорители позволяют увеличить энергию электронов до 1 — 10 гигаэлектронвольт (ГэВ). Поскольку линейный ускоритель имеет ограниченную длину, то разогнать частицы можно лишь до определенных энергий, а значит, необходимо было разрабатывать другие типы ускорителей.
Чем глубже физики проникали в структуру ядра, тем большей энергии требовались частицы. Возникла необходимость строить еще более мощные ускорители—синхротроны и синхрофазотроны, в которых частицы движутся по замкнутой окружности в кольцевой камере. Траекторию частицы поддерживает большое число магнитных секций, расположенных друг за другом вдоль кольца.
Максимальная энергия протонов в современных синхрофазотронах — 500 ГэВ.
Заявка на разработку медицинских изотопов
Ожидаемая нехватка Mo-99 и медицинского изотопа технеция-99m, полученного из него, также пролила свет на технологию линейных ускорителей для производства Mo-99 из необогащенного урана путем нейтронной бомбардировки. Это позволило бы индустрии медицинских изотопов производить этот критически важный изотоп с помощью подкритического процесса. Установки для выдерживания, например лаборатории Chalk River Laboratories в Онтарио, Канада, которые все еще производят большую часть Mo-99 из могут быть заменены этим новым процессом. Таким образом будет достигнута докритическая загрузка растворимых солей урана в тяжелой воде с последующей фотонейтронной бомбардировкой и извлечением целевого продукта Mo-99.
Современные концепции линейных ускорителей
Чем выше частота выбранного ускоряющего напряжения, тем больше отдельных ускоряющих толчков на длину пути испытывает частица с заданной скоростью, и, следовательно, тем короче может быть ускоритель в целом. Вот почему технология ускорителей развивалась в поисках более высоких энергий частиц, особенно в сторону более высоких частот.
Концепции линейных ускорителей (часто называемые структурами ускорителей в технических терминах), которые используются примерно с 1950 года, работают с частотами в диапазоне от примерно 100 мегагерц (МГц) до нескольких гигагерц (ГГц) и используют компонент электрического поля электромагнитных волн.
Стоячие волны и бегущие волны
Когда дело доходит до энергии более нескольких МэВ, ускорители для ионов отличаются от ускорителей для электронов. Причина этого — большая разница масс между частицами. Электроны уже приближаются к скорости света , абсолютному пределу скорости, в несколько МэВ; при дальнейшем ускорении, как описывает релятивистская механика , почти только их энергия и импульс увеличиваются. С другой стороны, с ионами этого диапазона энергии скорость также значительно увеличивается из-за дальнейшего ускорения.
Концепции ускорения, используемые сегодня для ионов , всегда основаны на стоячих электромагнитных волнах , которые образуются в подходящих резонаторах . В зависимости от типа частицы, диапазона энергий и других параметров используются очень разные типы резонаторов; следующие разделы охватывают только некоторые из них. Электроны также могут быть ускорены стоячими волнами выше нескольких МэВ. Однако выгодной альтернативой здесь является прогрессивная волна, бегущая волна. Фазовая скорость бегущая волна должна быть примерно равна скорости частиц. Следовательно, этот метод подходит только тогда, когда частицы движутся почти со скоростью света, так что их скорость увеличивается лишь незначительно.
Разработка высокочастотных генераторов и усилителей мощности с 1940-х годов, особенно клистрона, была важна для этих двух методов ускорения. Первый более крупный линейный ускоритель со стоячими волнами — для протонов — был построен в 1945/46 в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли под руководством Луиса В. Альвареса . Используемая частота составляла 200 МГц. Первый ускоритель электронов с бегущей волны от около 2 ГГц (гигагерц) был разработан немного позже в Стэнфордском университете по WW Хансен и его коллеги.
|
стоячей волной |
бегущей волной |
На двух диаграммах кривая и стрелки указывают силу, действующую на частицы. Только в точках с правильным направлением вектора электрического поля, то есть правильным направлением силы, частицы могут поглощать энергию волны. (Увеличение скорости не видно в масштабе этих изображений.)
Физики начали пятилетний проект по созданию настольного ускорителя частиц +7
- 24.11.15 16:50
•
alizar
•
#266330
•
Гиктаймс
•
•
6600
Физика, Научно-популярное, Будущее здесь
Рекомендация: подборка платных и бесплатных курсов Python — https://katalog-kursov.ru/
Настольный ускоритель частиц будет содержать несколько таких ускорителей-на-чипе
19 ноября 2015 года благотворительный фонд Гордона и Бетти Мур выделил Стэнфордскому университету грант в размере $13,5 млн на пятилетний международный проект по созданию рабочей версии ускорителя частиц размером с коробку для обуви. Основой конструкции станет технология ускорителя-на-чипе, представленная два года назад.
Устройство использует новую технику — лазерное ускорение над диэлектрическими структурами. Потенциально такое устройство может совершить революцию в науке, медицине и других областях, потому что кардинальным образом уменьшает размер и стоимость ускорителей частиц.
Возможно, в области ускорителей революционная миниатюризация приведёт к такому же эффекту, какой имело изобретение микрочипов для компьютерной промышленности. «Ускорители частиц могут стать доступны для миллионов людей, — говорит физик Национальной ускорительной лаборатории SLAC Джоел Инглэнд (Joel England), который работает над этой идеей уже 40 лет, — с неожиданными открытиями в биологии, материаловедении и потенциальными применениями в сканерах безопасности, медицинской терапии и рентгеновском сканировании».
Международный проект по созданию настольного ускорителя частиц объявлен в связи со значительным прогрессом, которого добились в данной области исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Стэнфордского университета, а также, независимо от них, физики из Университет Эрлангена-Нюрнберга (Германия). Обе группы опубликовали научные работы в 2013 году в один день.
В эксперименте Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Стэнфордского университета электроны сначала разгонялись на местном ускорителе до максимальной скорости. После этого любое дополнительное ускорение увеличивает не скорость, а энергию электрона. Затем пучок пускали в ускоритель-на-чипе, где он получал градиент ускорения в 10 раз больше, чем способен ему придать ускоритель SLAC.
В свою очередь, немецкие учёные показали, что лазером можно ускорять электроны низкой энергии — медленные электроны, которые ещё не приблизились к скорости света.
На фотографиях под микроскопом — некоторые варианты конструкции, которые испытывали в лаборатории SLAC и Стэнфорде.
Благодаря ускорителям частиц за последние десятилетия совершено множество открытий в физике, химии, биологии и медицине, за них присуждены Нобелевские премии. Можно только вообразить, какой прогресс ждёт человечество, если такое устройство станет доступно каждому учёному!
В поисках частицы бога
В науке и технике в настоящее время нашли широкое применение ускорители заряженных частиц — установки для получения пучков заряженных частиц высоких энергий — от десятков килоэлектронвольт (кэВ) до нескольких тераэлектронвольт (ТэВ).
Крайним шагом на сегодня стало создание коллайдеров—ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ, однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов.
И вот в 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком,— Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ. Он расположен в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеялись, и, надо сказать, не зря, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.
Четвертого июля 2012 года физики Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) официально объявили об открытии новой частицы, похожей на бозон Хиггса, и только 14 марта 2013 года исследователи подтвердили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.
Бозон Хиггса — это элементарная частица, играющая ключевую роль в понимании механизмов образования и развития нашей Вселенной после так называемого Большого взрыва. Сама частица имеет много почетных прозвищ: «Частица Бога», «Ангел Творения», «Кирпич, который построил Вселенную». Можно сказать, бозон Хиггса улавливает частицы, которые перемещаются вокруг, и превращает их в материю.
То есть, если говорить очень упрощенно, бозоны Хиггса придают массу всем, а может, и не всем, но многим другим элементарным частицам, что делает возможным существование атомов, из которых состоит Вселенная.
Основные применения ускорителей относятся к разным отраслям науки и техники. Перечислим лишь некоторые. В медицине это лечение онкологических заболеваний и радиодиагностика. В инженерии — производство полупроводниковых устройств, радиационная дефектоскопия, радиационное сшивание полимеров, радиационная очистка топочных газов и сточных вод. Но все же по-прежнему к числу основных областей применения ускорителей относятся ядерная физика и физика высоких энергий. Современные ускорители заряженных частиц — это главные источники информации для физиков, изучающих вещество, энергию, пространство и время. Ведь большинство элементарных частиц, известных сегодня, не встречаются в естественных условиях на Земле и получены только на ускорителях. Эти потребности физики элементарных частиц и являются главным стимулом для развития ускорительной техники.
Поделиться ссылкой
