Parçacık hızlandırıcı, ışık hızına yakın hızlarda hareket eden, elektrik yüklü atomik veya atom altı parçacıklardan oluşan bir demet oluşturan bir cihazdır. Çalışması, bir elektrik alanı tarafından enerjilerinde bir artışa ve yörüngede - manyetik bir değişime dayalıdır.
Parçacık hızlandırıcılar ne işe yarar?
Bu cihazlar bilim ve endüstrinin çeşitli alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bugün, tüm dünyada 30 binden fazla var. Bir fizikçi için parçacık hızlandırıcılar, atomların yapısı, nükleer kuvvetlerin doğası ve doğada oluşmayan çekirdeğin özellikleri hakkında temel araştırmalar için bir araç görevi görür. İkincisi, uranyumötesi ve diğer kararsız elementleri içerir.
Boş altma borusu yardımıyla özgül yükü belirlemek mümkün oldu. Parçacık hızlandırıcılar ayrıca radyoizotop üretiminde, endüstriyel radyografide, radyasyon terapisinde, biyolojik malzemelerin sterilizasyonunda ve radyokarbonda kullanılır.analiz. En büyük kurulumlar, temel etkileşimlerin incelenmesinde kullanılır.
Hızlandırıcıya göre hareketsiz haldeki yüklü parçacıkların ömrü, ışık hızına yakın hızlara hızlanan parçacıkların ömründen daha azdır. Bu, SRT zaman aralıklarının göreliliğini doğrular. Örneğin, CERN'de 0.9994c hızındaki müonların ömründe 29 kat artış sağlandı.
Bu makalede bir parçacık hızlandırıcının nasıl çalıştığı, gelişimi, farklı türleri ve ayırt edici özellikleri ele alınmaktadır.
İvme ilkeleri
Bildiğiniz parçacık hızlandırıcılardan bağımsız olarak hepsinin ortak öğeleri vardır. İlk olarak, bir televizyon kineskop durumunda hepsinin bir elektron kaynağına veya daha büyük kurulumlar durumunda elektronlar, protonlar ve bunların karşıt parçacıklarına sahip olmaları gerekir. Ek olarak, hepsinin parçacıkları hızlandırmak için elektrik alanlarına ve yörüngelerini kontrol etmek için manyetik alanlara sahip olmaları gerekir. Ek olarak, partikül hızlandırıcıdaki vakum (10-11 mm Hg), yani minimum miktarda kalan hava, kirişlerin uzun ömürlü olmasını sağlamak için gereklidir. Ve son olarak, tüm kurulumlar hızlandırılmış parçacıkları kaydetme, sayma ve ölçme araçlarına sahip olmalıdır.
Nesil
Hızlandırıcılarda en yaygın olarak kullanılan elektronlar ve protonlar tüm malzemelerde bulunur, ancak önce onlardan izole edilmeleri gerekir. Elektronlar genellikle üretilirtıpkı bir kineskopta olduğu gibi - "silah" adı verilen bir cihazda. Elektronların atomlardan kopmaya başladığı noktaya kadar ısıtılan bir vakumdaki bir katottur (negatif elektrot). Negatif yüklü parçacıklar anoda (pozitif elektrot) çekilir ve çıkıştan geçer. Elektronlar bir elektrik alanının etkisi altında hareket ettiğinden tabancanın kendisi de en basit hızlandırıcıdır. Katot ve anot arasındaki voltaj genellikle 50-150 kV arasındadır.
Elektronlara ek olarak, tüm malzemeler proton içerir, ancak yalnızca hidrojen atomlarının çekirdekleri tek protonlardan oluşur. Bu nedenle, proton hızlandırıcılar için parçacıkların kaynağı gaz halindeki hidrojendir. Bu durumda gaz iyonize olur ve protonlar delikten kaçar. Büyük hızlandırıcılarda protonlar genellikle negatif hidrojen iyonları olarak üretilir. İki atomlu bir gazın iyonlaşmasının ürünü olan fazladan elektronlu atomlardır. İlk aşamalarda negatif yüklü hidrojen iyonlarıyla çalışmak daha kolaydır. Ardından, son hızlanma aşamasına gelmeden önce onları elektronlardan yoksun bırakan ince bir folyodan geçirilirler.
Hızlanma
Parçacık hızlandırıcılar nasıl çalışır? Bunlardan herhangi birinin temel özelliği elektrik alanıdır. En basit örnek, bir elektrik pilinin terminalleri arasında var olana benzer şekilde, pozitif ve negatif elektrik potansiyelleri arasındaki düzgün bir statik alandır. böylealanında, negatif bir yük taşıyan bir elektron, onu pozitif bir potansiyele yönlendiren bir kuvvete tabidir. Onu hızlandırır ve bunu engelleyecek bir şey yoksa hızı ve enerjisi artar. Bir telde veya hatta havada pozitif bir potansiyele doğru hareket eden elektronlar atomlarla çarpışır ve enerji kaybederler, ancak boşluktalarsa anoda yaklaştıkça hızlanırlar.
Bir elektronun ilk ve son konumu arasındaki voltaj, elektronun kazandığı enerjiyi belirler. 1 V'luk bir potansiyel farktan geçerken, 1 elektron volta (eV) eşittir. Bu 1,6 × 10-19 joule'ye eşittir. Uçan bir sivrisineğin enerjisi trilyon kat daha fazladır. Bir kineskopta elektronlar, 10 kV'un üzerindeki bir voltajla hızlandırılır. Birçok hızlandırıcı mega-, giga- ve teraelektronvolt olarak ölçülen çok daha yüksek enerjilere ulaşır.
Çeşitler
Voltaj çarpanı ve Van de Graaff jeneratörü gibi en eski parçacık hızlandırıcı türlerinden bazıları, bir milyon volta kadar potansiyeller tarafından üretilen sabit elektrik alanları kullandı. Bu kadar yüksek voltajlarla çalışmak kolay değil. Daha pratik bir alternatif, düşük potansiyeller tarafından üretilen zayıf elektrik alanlarının tekrarlayan hareketidir. Bu ilke iki tür modern hızlandırıcıda kullanılır - doğrusal ve döngüsel (esas olarak siklotronlarda ve senkrotronlarda). Doğrusal parçacık hızlandırıcıları, kısaca, bunları bir diziden bir kez geçirirler.hızlanan alanlar, döngüsel olanda, nispeten küçük elektrik alanları boyunca tekrar tekrar dairesel bir yol boyunca hareket ederler. Her iki durumda da, parçacıkların nihai enerjisi alanların birleşik etkisine bağlıdır, böylece birçok küçük "şok" birleşerek büyük bir birleşik etkiyi verir.
Elektrik alanları oluşturmak için lineer hızlandırıcının yinelenen yapısı, doğal olarak DC voltajı yerine AC kullanımını içerir. Pozitif yüklü parçacıklar negatif potansiyele doğru hızlanır ve pozitif potansiyelin yanından geçerlerse yeni bir ivme kazanırlar. Pratikte, voltaj çok hızlı değişmelidir. Örneğin, 1 MeV'lik bir enerjide, bir proton ışık hızının 0,46'sı gibi çok yüksek bir hızla hareket eder ve 0,01 ms'de 1,4 m yol alır. Bu, birkaç metre uzunluğunda tekrar eden bir düzende, elektrik alanlarının en az 100 MHz'lik bir frekansta yön değiştirmesi gerektiği anlamına gelir. Yüklü parçacıkların doğrusal ve döngüsel hızlandırıcıları, kural olarak, 100 ila 3000 MHz frekanslı, yani radyo dalgalarından mikrodalgalara kadar değişen alternatif elektrik alanları kullanarak onları hızlandırır.
Elektromanyetik dalga, birbirine dik salınan alternatif elektrik ve manyetik alanların birleşimidir. Hızlandırıcının kilit noktası, dalgayı, parçacık geldiğinde elektrik alanı ivme vektörüne göre yönlendirilecek şekilde ayarlamaktır. Bu, duran bir dalga ile yapılabilir - kapalı bir döngüde zıt yönlerde hareket eden dalgaların bir kombinasyonu.uzay, bir organ borusundaki ses dalgaları gibi. Işık hızına yaklaşan çok hızlı hareket eden elektronlar için bir alternatif, hareket eden bir dalgadır.
Otomatik fazlama
Değişken bir elektrik alanında hızlanırken önemli bir etki "otomatik fazlama"dır. Bir salınım döngüsünde, alternatif alan sıfırdan bir maksimum değerden tekrar sıfıra gider, minimuma düşer ve sıfıra yükselir. Böylece iki kat hızlanmak için gereken değerden geçer. Hızlanan parçacık çok erken gelirse, yeterli güçte bir alandan etkilenmeyecek ve itme zayıf olacaktır. Bir sonraki bölüme ulaştığında geç kalacak ve daha güçlü bir etki yaşayacaktır. Sonuç olarak, otomatik fazlama meydana gelecek, parçacıklar her hızlanan bölgede alanla aynı fazda olacaktır. Başka bir etki, onları sürekli bir akış yerine kümeler halinde zaman içinde kümelemek olacaktır.
Işın yönü
Manyetik alanlar, hareketlerinin yönünü değiştirebildikleri için yüklü bir parçacık hızlandırıcının nasıl çalıştığı konusunda da önemli bir rol oynar. Bu, kirişleri dairesel bir yol boyunca aynı hızlanma bölümünden birkaç kez geçecek şekilde "bükmek" için kullanılabileceği anlamına gelir. En basit durumda, düzgün bir manyetik alan yönüne dik açılarda hareket eden yüklü bir parçacık bir kuvvete maruz kalır.hem yer değiştirme vektörüne hem de alana dik. Bu, ışının etki alanından ayrılana veya üzerine başka bir kuvvet etki etmeye başlayana kadar alana dik dairesel bir yörünge boyunca hareket etmesine neden olur. Bu etki, siklotron ve senkrotron gibi döngüsel hızlandırıcılarda kullanılır. Bir siklotronda, büyük bir mıknatıs tarafından sabit bir alan üretilir. Parçacıklar, enerjileri büyüdükçe, her dönüşte hızlanarak dışa doğru spirallenir. Bir senkrotronda, demetler sabit bir yarıçapa sahip bir halkanın etrafında hareket eder ve halka etrafında elektromıknatısların yarattığı alan, parçacıklar hızlandıkça artar. "Bükme" mıknatısları, kirişin aralarından geçebilmesi için kuzey ve güney kutupları at nalı şeklinde bükülmüş dipollerdir.
Elektromıknatısların ikinci önemli işlevi, kirişleri olabildiğince dar ve yoğun olacak şekilde yoğunlaştırmaktır. Bir odaklama mıknatısının en basit şekli, birbirine zıt dört kutupludur (iki kuzey ve iki güney). Parçacıkları bir yönde merkeze doğru iterler, ancak dikey yönde yayılmalarına izin verirler. Dört kutuplu mıknatıslar, ışını yatay olarak odaklayarak dikey olarak odak dışına çıkmasına izin verir. Bunu yapmak için çiftler halinde kullanılmaları gerekir. Daha hassas odaklama için daha fazla kutuplu (6 ve 8) daha karmaşık mıknatıslar da kullanılır.
Parçacıkların enerjisi arttıkça onları yönlendiren manyetik alanın gücü de artar. Bu, ışını aynı yolda tutar. Pıhtı halkaya sokulur ve hızlandırılır. Geri çekilip deneylerde kullanılmadan önce gerekli enerji. Geri çekme, parçacıkları senkrotron halkasından dışarı itmek için harekete geçen elektromıknatıslarla sağlanır.
Çarpışma
Tıpta ve endüstride kullanılan parçacık hızlandırıcıları, esas olarak radyasyon tedavisi veya iyon implantasyonu gibi belirli bir amaç için bir ışın üretir. Bu, parçacıkların bir kez kullanıldığı anlamına gelir. Uzun yıllar boyunca, aynı şey temel araştırmalarda kullanılan hızlandırıcılar için de geçerliydi. Ancak 1970'lerde, iki ışının zıt yönlerde dolaştığı ve tüm devre boyunca çarpıştığı halkalar geliştirildi. Bu tür kurulumların ana avantajı, kafa kafaya çarpışmada, parçacıkların enerjisinin doğrudan aralarındaki etkileşim enerjisine gitmesidir. Bu, kiriş duran malzemeyle çarpıştığında olanla çelişir: bu durumda, enerjinin çoğu, momentumun korunumu ilkesine uygun olarak hedef malzemeyi harekete geçirmek için harcanır.
Bazı çarpışan ışın makineleri, aynı tip parçacıkların zıt yönlerde dolaştığı iki veya daha fazla yerde kesişen iki halka ile yapılır. Parçacıklar ve karşı parçacıklar ile çarpıştırıcılar daha yaygındır. Bir antiparçacık, ilişkili parçacığının zıt yüküne sahiptir. Örneğin, bir pozitron pozitif yüklü iken bir elektron negatif yüklüdür. Bu, elektronu hızlandıran alanın pozitronu yavaşlattığı anlamına gelir,aynı yönde hareket ediyor. Ancak ikincisi ters yönde hareket ederse hızlanacaktır. Benzer şekilde, bir manyetik alan içinde hareket eden bir elektron sola doğru bükülecek ve bir pozitron sağa doğru bükülecektir. Ancak pozitron ona doğru hareket ederse, yolu yine de sağa sapacaktır, ancak elektronla aynı eğri boyunca. Birlikte, bu, bu parçacıkların aynı mıknatıslar nedeniyle senkrotron halkası boyunca hareket edebileceği ve aynı elektrik alanları tarafından zıt yönlerde hızlandırılabileceği anlamına gelir. Çarpışan kirişler üzerindeki en güçlü çarpıştırıcıların çoğu, yalnızca bir hızlandırıcı halkası gerektiğinden bu prensibe göre oluşturulmuştur.
Senkrotrondaki ışın sürekli hareket etmez, ancak "kümeler" halinde birleştirilir. Birkaç santimetre uzunluğunda ve bir milimetrenin onda biri çapında olabilirler ve yaklaşık 1012 parçacık içerirler. Bu küçük bir yoğunluktur, çünkü bu boyuttaki bir madde yaklaşık 1023 atom içerir. Bu nedenle, kirişler karşıdan gelen kirişlerle kesiştiğinde, parçacıkların birbirleriyle etkileşime girme olasılığı çok düşüktür. Uygulamada, demetler halka boyunca hareket etmeye devam eder ve tekrar buluşur. Parçacık hızlandırıcıdaki derin vakum (10-11 mmHg), parçacıkların hava molekülleriyle çarpışmadan saatlerce dolaşabilmesi için gereklidir. Bu nedenle, demetler aslında birkaç saat boyunca içlerinde saklandığından halkalara birikimli de denir.
Kaydol
Parçacık hızlandırıcılar çoğunluklaparçacıklar bir hedefe veya ters yönde hareket eden başka bir ışına çarptığında. Bir televizyon kineskopunda, bir tabancadan gelen elektronlar ekranın iç yüzeyine bir fosfor çarpar ve ışık yayar, bu da iletilen görüntüyü yeniden oluşturur. Hızlandırıcılarda, bu tür özel dedektörler saçılan parçacıklara tepki verir, ancak genellikle bilgisayar verilerine dönüştürülebilen ve bilgisayar programları kullanılarak analiz edilebilen elektrik sinyalleri üretmek üzere tasarlanmıştır. Yalnızca yüklü elementler, örneğin atomları uyarmak veya iyonize etmek gibi bir malzemeden geçerek elektrik sinyalleri oluşturur ve doğrudan tespit edilebilir. Nötronlar veya fotonlar gibi nötr parçacıklar, harekete geçirdikleri yüklü parçacıkların davranışları aracılığıyla dolaylı olarak tespit edilebilir.
Birçok özel dedektör var. Geiger sayacı gibi bazıları basitçe parçacıkları sayarken, diğerleri örneğin izleri kaydetmek, hızı ölçmek veya enerji miktarını ölçmek için kullanılır. Modern dedektörler, boyut ve teknoloji bakımından, şarj bağlantılı küçük cihazlardan yüklü parçacıkların oluşturduğu iyonize izleri tespit eden, kablolarla dolu, gazla dolu büyük odalara kadar çeşitlilik gösterir.
Tarih
Parçacık hızlandırıcılar temel olarak atom çekirdeğinin ve temel parçacıkların özelliklerini incelemek için geliştirildi. 1919'da İngiliz fizikçi Ernest Rutherford tarafından azot çekirdeği ile alfa parçacığı arasındaki reaksiyonun keşfinden, nükleer fizikteki tüm araştırmalar,1932, doğal radyoaktif elementlerin bozunmasından salınan helyum çekirdekleriyle harcandı. Doğal alfa parçacıkları 8 MeV'lik bir kinetik enerjiye sahiptir, ancak Rutherford, ağır çekirdeklerin bozunmasını gözlemlemek için yapay olarak daha da büyük değerlere hızlandırılması gerektiğine inanıyordu. O zaman zor görünüyordu. Ancak, 1928'de Georgy Gamow (Almanya, Göttingen Üniversitesi'nde) tarafından yapılan bir hesaplama, çok daha düşük enerjili iyonların kullanılabileceğini gösterdi ve bu, nükleer araştırmalar için yeterli bir ışın sağlayan bir tesis inşa etme girişimlerini teşvik etti.
Bu dönemin diğer olayları, bugüne kadar parçacık hızlandırıcıların inşa edildiği ilkeleri gösterdi. Yapay olarak hızlandırılmış iyonlarla ilk başarılı deneyler, 1932'de Cambridge Üniversitesi'nde Cockcroft ve W alton tarafından gerçekleştirildi. Bir voltaj çarpanı kullanarak protonları 710 keV'a hızlandırdılar ve ikincisinin lityum çekirdeği ile reaksiyona girerek iki alfa parçacığı oluşturduğunu gösterdiler. 1931'de, New Jersey'deki Princeton Üniversitesi'nde Robert van de Graaff, ilk yüksek potansiyelli kayış elektrostatik jeneratörünü inşa etmişti. Cockcroft-W alton voltaj çoğ altıcıları ve Van de Graaff jeneratörleri hala hızlandırıcılar için güç kaynakları olarak kullanılmaktadır.
Doğrusal rezonans hızlandırıcı ilkesi, 1928'de Rolf Wideröe tarafından gösterildi. Almanya, Aachen'deki Rhine-Westphalian Teknoloji Üniversitesi'nde, sodyum ve potasyum iyonlarını enerjilere iki kez hızlandırmak için yüksek bir alternatif voltaj kullandı.tarafından bildirilenleri aşmaktadır. 1931'de Amerika Birleşik Devletleri'nde, Ernest Lawrence ve California Üniversitesi'nden asistanı David Sloan, cıva iyonlarını 1.2 MeV'den fazla enerjilere hızlandırmak için yüksek frekanslı alanlar kullandılar. Bu çalışma Wideröe ağır parçacık hızlandırıcısını destekledi, ancak iyon ışınları nükleer araştırmalarda kullanışlı değildi.
Manyetik rezonans hızlandırıcı veya siklotron, Lawrence tarafından Wideröe kurulumunun bir modifikasyonu olarak tasarlandı. Lawrence Livingston'un öğrencisi, 1931'de 80 keV iyon üreterek siklotronun prensibini gösterdi. 1932'de Lawrence ve Livingston, protonların 1 MeV'nin üzerine hızlandığını duyurdular. 1930'ların sonlarında, siklotronların enerjisi yaklaşık 25 MeV'ye ve Van de Graaff jeneratörlerinin enerjisi yaklaşık 4 MeV'ye ulaştı. 1940 yılında Donald Kerst, dikkatli yörünge hesaplamalarının sonuçlarını mıknatısların tasarımına uygulayarak, Illinois Üniversitesi'nde bir manyetik indüksiyon elektron hızlandırıcısı olan ilk betatron'u yaptı.
Modern fizik: parçacık hızlandırıcıları
İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra, parçacıkları yüksek enerjilere hızlandırma bilimi hızlı ilerleme kaydetti. Berkeley'de Edwin Macmillan ve Moskova'da Vladimir Veksler tarafından başlatıldı. 1945'te her ikisi de bağımsız olarak faz kararlılığı ilkesini tanımladı. Bu konsept, protonların enerjisi üzerindeki sınırlamayı ortadan kaldıran ve elektronlar için manyetik rezonans hızlandırıcıları (senkrotronlar) yaratmayı mümkün kılan döngüsel bir hızlandırıcıda kararlı parçacık yörüngelerini korumanın bir yolunu sunar. Faz stabilitesi ilkesinin uygulanması olan otofaz, inşaattan sonra onaylandıCalifornia Üniversitesi'nde küçük bir senkrosiklotron ve İngiltere'de bir senkrotron. Kısa bir süre sonra, ilk proton lineer rezonans hızlandırıcı yaratıldı. Bu ilke, o zamandan beri inşa edilen tüm büyük proton senkrotronlarında kullanılmıştır.
1947'de, California'daki Stanford Üniversitesi'nden William Hansen, II. Dünya Savaşı sırasında radar için geliştirilen mikrodalga teknolojisini kullanarak ilk doğrusal ilerleyen dalga elektron hızlandırıcısını yaptı.
Araştırmada ilerleme, protonların enerjisini artırarak mümkün oldu ve bu da daha büyük hızlandırıcıların yapımına yol açtı. Bu eğilim, büyük halka mıknatıslar yapmanın yüksek maliyeti nedeniyle durduruldu. En büyüğü yaklaşık 40.000 ton ağırlığındadır. Makinelerin boyutunu büyütmeden enerjiyi artırmanın yolları, 1952'de Livingston, Courant ve Snyder tarafından alternatif odaklama tekniğinde (bazen güçlü odaklama olarak adlandırılır) gösterildi. Bu prensibe dayalı senkrotronlar, eskisinden 100 kat daha küçük mıknatıslar kullanır. Bu tür odaklama, tüm modern senkrotronlarda kullanılır.
1956'da Kerst, kesişen yörüngelerde iki parçacık kümesi tutulursa, çarpışmalarının gözlenebileceğini fark etti. Bu fikrin uygulanması, hızlandırılmış ışınların depolama adı verilen döngülerde birikmesini gerektiriyordu. Bu teknoloji, parçacıkların maksimum etkileşim enerjisine ulaşmayı mümkün kıldı.
