İlk parçacık hızlandırıcı. Yüklü parçacık hızlandırıcıları

Parçacığın enerjisini değiştirmeden yalnızca saptırır ve parçacıkların hareket edeceği yörüngeyi belirler.

Hızlandırıcılar temel olarak iki büyük gruba ayrılabilir. Bu doğrusal hızlandırıcılar Parçacık ışınının hızlanan boşluklardan bir kez geçtiği ve döngüsel hızlandırıcılar kirişlerin daireler gibi kapalı eğriler boyunca hareket ettiği, hızlanan boşluklardan birçok kez geçtiği. Hızlandırıcıları amaçlarına göre de sınıflandırabilirsiniz: çarpıştırıcılar, nötron kaynakları, güçlendiriciler, sinkrotron radyasyon kaynakları, kanser tedavi tesisleri, endüstriyel hızlandırıcılar.

Hızlandırıcı tasarımları

Yüksek gerilim hızlandırıcı (doğrudan hızlandırıcı)

Ana makale: Yüksek gerilim hızlandırıcı

Yüklü parçacıkların hızlanmasının, parçacık hızlanmasının tüm süresi boyunca sabit veya hafif değişen bir elektrik alanı tarafından meydana geldiği, yüklü parçacıkların (elektronların) hızlandırıcısı. V.U.'nun önemli bir avantajı. Diğer hızlandırıcı türleriyle karşılaştırıldığında, zamanla sabit ve düzgün bir elektrik alanında hızlandırılan parçacıkların enerjisinde küçük bir yayılım elde etmek mümkündür. Bu tip hızlandırıcılar, yüksek verimlilik (% 95'e kadar) ve hızlandırıcıların endüstriyel amaçlarla kullanılması durumunda çok önemli olan yüksek güçlü kurulumlar (500 kW ve üzeri) oluşturma yeteneği ile karakterize edilir.

Elektrostatik hızlandırıcı

İdeolojik olarak en basit, doğrusal hızlandırıcı. Parçacıklar sabit bir elektrik alanıyla hızlandırılır ve hızlandırıcı elektrotların yerleştirildiği bir vakum odası boyunca doğrusal olarak hareket eder.

Çeşitler:

• Van de Graaff hızlandırıcısı. van de Graaff jeneratörü, yüklerin bir dielektrik bant aracılığıyla mekanik olarak aktarılmasına dayanmaktadır. Maksimum elektrik voltajları ~20MV maksimum parçacık enerjisini ~20MeV belirler.
• Kademeli hızlandırıcı. Hızlanma voltajı, bir diyot çarpan devresi kullanarak düşük bir alternatif voltajı dönüştürerek ~5 MV'luk sabit hızlanan yüksek bir voltaj oluşturan bir kademeli jeneratör tarafından oluşturulur.

Düşük enerjili elektronların doğrusal hızlandırıcıları genellikle çok çeşitli vakum cihazlarının (katot ışın tüpü, kineskop, x-ışını tüpü vb.) bir parçası olarak kullanılır.

Siklotron

Siklotron cihazı. 1 - parçacıkların giriş yeri, 2 - hareketlerinin yörüngesi, 3 - elektrotlar, 4 - alternatif voltaj kaynağı. Manyetik alan çizim düzlemine dik olarak yönlendirilir.

Siklotron fikri basittir. İki yarım daire biçimli içi boş elektrot arasında, sözde. deeler alternatif bir elektrik voltajı uygulanır. Dee'ler, sabit bir manyetik alan oluşturan bir elektromıknatısın kutupları arasına yerleştirilir. Manyetik alanda bir daire içinde dönen bir parçacık, her bir dönüşünde, deeler arasındaki boşluktaki bir elektrik alanı tarafından hızlandırılır. Bunu yapmak için, dee'ler üzerindeki voltajın polaritesindeki değişim frekansının parçacığın dönme frekansına eşit olması gerekir. Başka bir deyişle siklotron rezonans hızlandırıcı. Artan enerjiyle birlikte, her dönüşte parçacığın yörüngesinin yarıçapının, deelerin ötesine geçene kadar artacağı açıktır.

Siklotron döngüsel hızlandırıcıların ilkidir. İlk olarak o yıl Lawrence tarafından tasarlandı ve inşa edildi ve bu sayede kendisine o yıl Nobel Ödülü verildi. Şimdiye kadar siklotronlar, ağır parçacıkları 50 MeV/nükleon'a kadar nispeten düşük enerjilere hızlandırmak için kullanılıyordu.

Betatron

Başka bir isim: indüksiyon hızlandırıcı. Işın yörüngesinin kapladığı manyetik akıdaki bir değişiklikle indüklenen bir girdap elektrik alanı tarafından parçacıkların hızlandırıldığı döngüsel bir hızlandırıcı. Bir girdap elektrik alanı oluşturmak için çekirdeğin manyetik alanını değiştirmek gerektiğinden ve süperiletken olmayan makinelerdeki manyetik alanlar genellikle ~20 kg seviyesinde demirin doygunluğunun etkileriyle sınırlı olduğundan, bir üst sınır vardır. betatronun maksimum enerjisi üzerinde. Betatronlar öncelikle elektronları 10-100 MeV enerjilere hızlandırmak için kullanılır (bir betatronda elde edilen maksimum enerji 300 MeV'dir).

Betatron ilk kez Wideröe tarafından o yıl tasarlandı ve yaratıldı, ancak kendisi piyasaya sürülmedi. Güvenilir şekilde çalışan ilk betatron, D.V. Kerst tarafından yalnızca -'de yaratıldı. ABD'de.

Mikrotron

Ana makale: Mikrotron

Aynı zamanda değişken çokluğa sahip bir hızlandırıcıdır. Siklotron'a benzer, sabit tahrikli bir manyetik alana ve hızlanan voltaj frekansına sahip rezonans döngüsel bir hızlandırıcı. Bir mikrotron fikri, her devirdeki hızlanmadan kaynaklanan parçacık dönüş süresindeki artışı, hızlanma voltajının salınım periyodunun bir katı kadar yapmaktır.

Fasotron (senkrosiklotron)

Siklotrondan temel farkı, hızlanma süreci sırasında değişen elektrik alanının frekansıdır. Bu, otomatik fazlama nedeniyle, bir siklotron için sınırlayıcı değerle karşılaştırıldığında hızlandırılmış iyonların maksimum enerjisinin arttırılmasına olanak tanır. Fazotronlardaki enerji 600-700 MeV'ye ulaşır.

Senkrofazotron

Sabit denge yörünge uzunluğuna sahip döngüsel bir hızlandırıcı. Hızlanma sırasında parçacıkların aynı yörüngede kalmasını sağlamak için hem itici manyetik alan hem de hızlanan elektrik alanın frekansı değişir. Çoğu modern döngüsel hızlandırıcı, yüksek düzeyde odaklanan senkrofazotronlardır. Ultrarelativistik elektronlar için, hızlanma işlemi sırasında dönme frekansı neredeyse hiç değişmeden kalır ve senkrotronlar kullanılır.

Senkrotron

Sabit bir yörünge uzunluğuna ve hızlanan elektrik alanının sabit frekansına sahip, ancak değişen bir öncü manyetik alana sahip döngüsel bir hızlandırıcı.

Serbest elektron lazeri (FEL)

Ana makale: Serbest elektron lazeri

Tutarlı X-ışını radyasyonunun özel kaynağı.

Doğrusal hızlandırıcı

Ayrıca sıklıkla linac olarak da adlandırılır (LINEar ACcelerator'ın kısaltması). Parçacıkların bir kez uçtuğu bir hızlandırıcı. Doğrusal hızlandırıcılar çoğunlukla bir elektron tabancası veya iyon kaynağı tarafından üretilen parçacıkların birincil hızlandırılması için kullanılır. Ancak tam enerjili doğrusal çarpıştırıcı fikri de yeni değil. Linakların temel avantajı, ultra düşük emisyon elde etme olasılığı ve parçacık enerjisinin dördüncü kuvveti (!) ile orantılı olarak artan radyasyon nedeniyle enerji kayıplarının olmamasıdır.

Çarpıştırıcı

Aynı zamanda çarpışan ışınları kullanan bir hızlandırıcıdır. Amacı yüksek enerjili parçacıkların çarpışma süreçlerini incelemek olan tamamen deneysel tesisler.

Başvuru

• Sterilizasyon (gıdaların, tıbbi aletlerin sterilize edilmesi için).
• Tıp (onkoloji tedavisi, radyodiagnoz).
• Yarı iletken cihazların imalatı (kirlilik enjeksiyonu).
• Radyasyon kusur tespiti.
• Polimerlerin radyasyonla çapraz bağlanması.
• Baca gazlarının ve atık suyun radyasyonla arıtılması.

Ayrıca bakınız

• Parçacık dedektörü

Bağlantılar

• Kolomensky D.D., Lebedev A.N. Döngüsel hızlandırıcıların teorisi. M.: Fizmatgiz, 1962.
• A.Chao, M.Tigner, Hızlandırıcı Fiziği ve Mühendisliği El Kitabı, 1999.
• B.S. Ishkhanov, I.M. Kapitonov, E.I. Kabin, Deney (Web yayını)
• Tarihçe, sınıflandırma, çalışma prensibi, modern hızlandırıcıların ana türleri

Wikimedia Vakfı.

2010.

Diğer sözlüklerde "parçacık hızlandırıcının" ne olduğunu görün:

PARÇACIK HIZLANDIRICI, bkz. HIZLANDIRICI... parçacık hızlandırıcı

Elektrik ve manyetik alanlar kullanılarak, termal enerjiyi önemli ölçüde aşan enerjiye sahip yönlendirilmiş elektron, proton, iyon ve diğer yüklü parçacık ışınlarının elde edildiği bir kurulum. Hızlanma sırasında hızlar artar... ... Collier Ansiklopedisi

PARÇACIK HIZLANDIRICI, bkz. HIZLANDIRICI...- dalelių greitintuvas statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. parçacık hızlandırıcı vok. Teilchenbeschleuniger, m rus. parçacık hızlandırıcı, m pranc. parçacık hızlandırıcı, m … Fizikos terminų žodynas

- (parçacık hızlandırıcı), PARÇACIK FİZİĞİ'nde, bir vakum odasında alternatif elektrik alanları kullanarak hızlarını artırarak yüklü parçacıkların enerjisini artıran bir cihaz. Parçacık enerjisi için... ... Bilimsel ve teknik ansiklopedik sözlük

Fizik ve teknolojide yüksek enerjili parçacıklar üretmek için yüklü parçacıklar kurulumu Hızlandırıcı (roket teknolojisinde) roket tahriki Hızlandırıcı (grafik) bilgisayardaki video adaptörünün çalışmasını hızlandırmak için cihaz Hızlandırıcı (klavye) ... ... Wikipedia

hızlandırıcı (yüklü parçacıklar)- Yüklü parçacıkların kinetik enerjisini artırmak için tasarlanmış elektrofiziksel bir cihaz. Not Hızlandırıcılarda parçacıkların enerjisinin 0,1 MeV'den fazla arttığı kabul edilmektedir. [GOST R 52103 2003] Konular: yüklü hızlandırıcılar... ... Teknik Çevirmen Kılavuzu

değişken faz odaklı hızlandırıcı- Parçacıkları hızlandırmak, gruplamak ve odaklamak için yüksek frekanslı bir elektromanyetik alanın kullanıldığı ve sürüklenme tüpleri arasındaki hızlandırma ve odaklama boşluklarını değiştirmenin mümkün olduğu sürüklenme tüplü doğrusal rezonans hızlandırıcı.... ... Teknik Çevirmen Kılavuzu

uzaysal olarak tekdüze dört kutuplu odaklamalı hızlandırıcı- Parçacıkları hızlandırmak, gruplamak ve odaklamak için yüksek frekanslı bir elektromanyetik alanın kullanıldığı ve hızlanan alanın dört kutuplu simetriye sahip olduğu doğrusal rezonans hızlandırıcı. Not Bunun gibi olası değişiklikler... ... Teknik Çevirmen Kılavuzu

parçacık hızlandırıcı- - [A.S. İngilizce-Rusça enerji sözlüğü. 2006] Genel olarak enerji endüstrisi konuları TR yüklü parçacık hızlandırıcı ... Teknik Çevirmen Kılavuzu

YÜKLÜ PARÇACIK HIZLANDIRICILAR- şarjı hızlandırmak için kullanılan kurulumlar. Parçacıklar yüksek enerjilere kadar Yaygın kullanımda hızlandırıcılara (U.) denir. parçacıkları daha büyük enerjilere hızlandırmak için tasarlanmış tesisler \ MeV. Rekor yüksek gerilim protonu Tevatron'da (Fermilab, ABD) 940 GeV'lik bir enerji elde edildi.

En büyük elektron hızlandırıcı LEP (CERN, İsviçre), çarpışan elektron ve pozitron ışınlarını 45 GeV enerjiye kadar hızlandırır (ek hızlandırıcı cihazların kurulumundan sonra enerji iki katına çıkarılabilir). Ultrason bilimde yaygın olarak kullanılmaktadır (temel parçacıkların üretilmesi, özelliklerinin ve iç yapılarının incelenmesi, doğada bulunmayan nüklitlerin üretimi, nükleer reaksiyonların incelenmesi, radyobiyoloji, kimyasal araştırma, katı hal fiziği alanında çalışma vb.) ve uygulamalı amaçlar için (tıbbi ekipman, malzeme vb. sterilizasyonu, kusur tespiti, mikroelektronik elemanların üretimi, tıbbi teşhis için radyofarmakolojik preparatların üretimi, radyasyon tedavisi, sanat teknolojisinde radyasyon teknolojisi, verniklerin polimerizasyonu, malzeme özelliklerinin modifikasyonu, örneğin kauçuk, ısıyla büzüşen boruların üretimi vb.). Tüm çalışma ünitelerinde şarj enerjisinde artış. parçacıklar, harici uzunlamasına (hızlandırılmış parçacıkların hızı boyunca yönlendirilmiş) elektriğin etkisi altında oluşur. alanlar. Diğer hareketli parçacıklar veya elektrik mıknatısları tarafından oluşturulan alanları kullanarak hızlanma yöntemleri için bir araştırma sürüyor. hızlandırılmış parçacıkların ışınının kendisi veya diğer ışınlar tarafından uyarılan veya değiştirilen dalgalar ( toplu hızlandırma yöntemleri) \ .Kolektif yöntemler teorik olarak hızlanma oranını (başına kazanılan enerji) keskin bir şekilde arttırmayı mümkün kılar.

m yol) ve ışınların yoğunluğu, ancak şu ana kadar ciddi bir başarıya yol açmadı.

Radyasyon amaçlı ABD güvenliği koruyucu duvarlar ve tavanlarla (biyolojik koruma) çevrilidir. Koruma malzemesinin kalınlığı ve seçimi, hızlandırılan ışınların enerjisine ve yoğunluğuna bağlıdır. Birkaçın üzerinde enerjiye sahip hızlandırıcılar. GeV genellikle güvenlik nedeniyle yer altında bulunur.

Cihazın prensibine dayanarak, U. doğrudan eylem, veya yüksek gerilim hızlandırıcıları(postada hızlanma, elektrik alanı), indüksiyon hızlandırıcıları(manyetik indüksiyon değiştiğinde ortaya çıkan girdap elektrik alanlarındaki hızlanma) ve hızlanma sırasında yüksek frekanslı elektrik manyetik alanlarının kullanıldığı rezonans dalgaları. alanlar. Son derece yüksek enerjilerde hareket eden tüm U. ikinci türe aittir.

Modern Ukrayna ikiye bölünmüş durumda büyük sınıf: doğrusal hızlandırıcılar Ve döngüsel hızlandırıcılar. Doğrusal dalgalarda hızlandırılmış parçacıkların yörüngeleri düz çizgilere yakındır. Hızlanma istasyonları bu U'nun tüm uzunluğu boyunca yerleştirilmiştir. En büyük çalışan doğrusal U. (Stanford'daki elektronik U.) bir mil uzunluğundadır (3,05 km). Doğrusal dalgalar güçlü parçacık akışları elde etmeyi mümkün kılar ancak yüksek enerjilerde bunlar çok pahalıdır. döngüsel olarak U. "öncü" mag. alan, hızlandırılmış parçacıkların yörüngelerini bükerek onları daireler halinde katlar ( halka hızlandırıcılar veya sinkrotronlar) veya spiraller ( siklotronlar, fazotronlar, betatronlar Ve mikrotronlar) Bu tür cihazlar, hızlanma döngüsü sırasında parçacıkların birçok kez geri döndüğü bir veya daha fazla hızlandırıcı cihaz içerir.

Genellikle adı verilen hafif parçacıkların (elektronlar ve pozitronlar) enerjileri arasındaki farka dikkat edilmelidir. elektron enerjisi ve ağır parçacıkların (protonlar ve iyonlar) enerjisi.

Elektronik hızlandırıcılar. Elektroniğin özellikleri iki nedene bağlıdır. Düşük enerjilerde (birkaç MeV) bile elektronların ve pozitronların hızı, ışık hızından çok az farklılık gösterir ve genellikle sabit kabul edilebilir; bu da enerji maliyetini önemli ölçüde basitleştirir ve azaltır. manyetik alan. alanlar elektrik mıknatıslarına çok fazla enerji kaybeder. radyasyon ( sinkrotron radyasyonu). döngüsel olarak Bu kayıplar ya ışının büyük boyutlarına (büyük eğrilik yarıçaplarında, sinkrotron radyasyonunun azalması nedeniyle kayıplar) ya da ışının senkrotron radyasyon oynamasının maliyetini büyük ölçüde artıran ve oynayacak güçlü hızlandırıcı istasyonlara ihtiyaç duyulmasına yol açar. bir rol: hızlandırılmış ışının boyutunda bir azalmaya yol açar, bu da oluşturulmasını kolaylaştırır sürücüler deneyler yapılmasına olanak sağlayan çarpışan ışınlar.

Halka elektron dalgaları, UV veya X-ışınında sinkrotron radyasyonu kaynağı olarak kullanılır. menzil. Yüksek radyasyon yoğunluğu ve keskin odağı nedeniyle döngüseldir. U. benzersiz el-magn kaynaklarıdır. belirtilen aralıkların dalgaları. Radyasyondan kaynaklanan büyük elektron kayıpları çoğu zaman kişiyi doğrusal elektronları tercih etmeye zorlar.

Ağır parçacık hızlandırıcıları(başta protonlar) günümüzde elde edilen enerjilerde, içlerindeki sinkrotron radyasyonundan kaynaklanan enerji kayıpları elektronik olanlardan çok farklıdır (~ \ TeV) neredeyse yoktur ve yüksek bir hızlanma oranını korumak genellikle kârlı değildir (çünkü hızlanma istasyonlarına güç sağlamak için harcanan güç, elektrik alan kuvvetinin karesi ile orantılıdır ve artan hızlanma oranıyla birlikte hızla artar). Göze çarpan senkrotron radyasyonunun yokluğu, süreçteki enine parçacıkların genliğinin hızlanmasına, döngünün nispeten yavaş bozulmasına (parçacık momentumunun karekökü gibi) ve özel yokluğunda hareketin stabilitesine yol açar. Nispeten zayıf rahatsızlıkların etkisi altında bile önlemler ihlal edilir. Ağır parçacıkların tüm yüksek enerjili parçacıkları döngüsel tipe aittir.

^iv

90'larda Yoğun yük demetlerinin bulunduğu depolama ve karşı halkalar giderek daha önemli hale geliyor. parçacıklar enerjilerini değiştirmeden uzun süre dolaşırlar. Bu tür halkalar, birbirine doğru hareket eden parçacıklar arasındaki reaksiyonları gerçekleştirmek (çöken ışınlar), doğada doğrudan bulunmayan iyonları ve parçacıkları (pozitronlar ve antiprotonlar) biriktirmek ve ayrıca senkrotron radyasyonu üretmek için kullanılır. Birbirlerine doğru hareket eden parçacıkların etkileşimi sırasında, hızlanma sırasında kendilerine verilen tüm enerji gerçekleştirilebilirken, hızlandırılmış parçacıkların sabit olanlarla etkileşimi sırasında enerjinin çoğu, parçacıkların kütle merkezinin hareketi ile ilişkilidir. ve reaksiyonlara katılmaz. Tarihsel arka plan . U.'nun gelişimi 1920'lerde başladı. ve atom çekirdeğini bölme hedefi vardı. Başkalarından önce yaratıldık elektrostatik jeneratörler[R. Van de Graaf (R. Van de Graaf)] ve

40'lı yıllarda teorik olanlar ortaya çıktı. hızlandırılmış parçacıkların hareketinin stabilitesinin incelendiği çalışma. Bu döngünün ilk eserlerinde [V. I. Veksler ve Amer. fizikçi E. McMillan] boyuna (faz) hareketin kararlılığını değerlendirdi ve prensibi formüle ettiözfaz

. Daha sonra, güçlü (alternatif) odaklanmanın [N. Christophilos (N. Christophilos), 1950; E. Curant, M. Livingston, H. Snyder, 1952], tüm modernliğin temelini oluşturur. büyük U. Yüksek güçlü HF radyo teknolojisinin hızlı gelişimi. İkinci Dünya Savaşı (1939-45) sırasında ortaya çıkan cihazlar, doğrusal yüksek enerjili cihazların yaratılmasına başlamayı mümkün kıldı. Elektronik lineer ünitelerde elektrik gücü kullanılır. Desimetrelik dalgaların diyaframa doğru ilerleme alanı. proton dalga kılavuzlarındaki dalga kılavuzları - L. Alvarez tarafından metre aralığında geliştirilen, uçuş tüpleriyle yüklü. Başlangıçta bu tür U.'nun bazı kısımları U. tarafından giderek daha fazla kullanılmaktadır. Dört kutuplu yüksek frekanslı odaklama

(İngilizce atama RFQ), oluşturulmasında temel olan. Rol V.V. Vladimirsky, I.M. Kapchinsky ve V.A. İnşaat sırasında döngüseldir. Süper iletken mıknatıslar giderek daha fazla kullanılmaktadır. sistemler. Siklotronlarda DC oluşturmak için süper iletken mıknatıslar kullanılır. mag. alanlar ve içinde

proton senkrotronları - yavaş yavaş (birkaç saniyeden fazla) değişen mıknatıslar oluşturmak için. alanlar. Mevcut en büyük proton senkrotronu Tevatron (ABD) bu şekilde çalışır. 80'li yıllara kadar temel Parçacık fiziğindeki keşifler proton senkrotronlarında yapıldı. Günümüzde çarpışan ışınlara (çarpıştırıcılara) sahip elektron-pozitron ve proton-antiproton halka hızlandırıcılarında birçok ilginç sonuç elde edilmektedir. Bu tür U.'nun sıradan olanlara göre avantajları: 1) yaratıklar. etkileşim enerjisinde artış (kütle sisteminin merkezinde); Her zaman çarpışan ışınlarda meydana gelen ultrarelativistik durumda, bu enerji şu şekilde artar: -hızlandırılmış parçacıkların toplam enerjisi); 2) yabancı reaksiyonlardan dolayı arka planda keskin bir azalma. Temel Çarpıştırıcıların dezavantajı, etkileşimlerin sayısında (aynı zamanda) önemli (birkaç büyüklük düzeyinde) azalmadır. Çarpışan elektron-pozitron ışınlarına sahip halka ultrasonik teknolojisi 1961'de uzmanlaştı (Frascatti, İtalya'da 2 x 250 MeV enerjiye sahip bir hızlandırıcı) ve çarpışan proton ve antiproton ışınlarına sahip kurulumlar ancak elektron ışını yöntemleri önerildikten sonra ortaya çıktı. (A. M. Budker, 1967) ve [S. Van der Meer (S. Van der Meer), 1972] ağır parçacıkların soğutulması hakkında (bkz. Işın soğutma

yüklü parçalar). Geleneksel olmayan teknolojilerin geliştirilmesine giderek daha fazla önem verilmektedir. hızlandırma yöntemleri: kolektif yöntemler, lazer alanı vuruşlarında hızlandırma, iz alanlarında hızlandırma vb. Bu çalışma V. I. Veksler, A. M. Budker ve Ya. Ancak bu fikirlere dayalı sistemler henüz oluşturulmamıştır. Doğrudan hızlandırıcılar

. Böyle bir ABD suçlamasında. parçacıklar enerjiyi sabit veya yarı sabit (zamanla değişmeyen, bu sırada parçacıklar tam enerji kazanır) elektrikle artırır. alanlar. Bu durumda parçacıkların kazandığı enerji, yüklerinin içinden geçen potansiyel farkla çarpımına eşittir. Doğrudan etkili bir U'da parçacıkların elde edilebilecek maksimum enerjisi, fizikselde bir bozulma olmadan yaratılabilecek en büyük potansiyel farkla (15-18 MB) belirlenir. kurulumlar. Pratik olarak kullanılan tüm doğrudan etkili hızlandırıcılarda, hızlandırıcı sistemin son elektrodu toprak potansiyelinde bulunur, çünkü yalnızca bu durumda hızlandırıcıdan çıkarılan parçacıklar daha sonraki hareket sırasında elde edilen enerjiyi kaybetmezler. Doğrudan etkili U. elektrostatik içerir. jeneratörler, kademeli jeneratörler ve şarj hızlandırıcıları(veya tandem U.). Bu tür cihazlardaki hızlandırılmış parçacıklar, yalıtımdan yapılmış bir borunun içinde ve boyunca hareket eder. malzeme (genellikle porselen), kesimin içinde, hızlandırılmış parçacıkların engelsiz hareketi için gerekli olan ve dışarıda (altında) bir vakum oluşturulur.

ELEKTROSTATİK U.'da, yalıtkan malzemeden yapılmış hızlı hareket eden bir bant kullanılarak yüksek voltaj oluşturulur; lastik. Tesisatın alçak gerilim kısmında banda elektrik uygulanır. şarj. Bu yük metal bant üzerine akar. özel olarak şarj edilen iğneler. birden fazla jeneratör onlarca kV. Hareketli kayış, yükü içi boş metalin içinde bulunan voltajın yüksek voltaj kısmına aktarır. kap

Orada, aynı iğneler kullanılarak yük banttan çıkarılır ve onlardan kapağın dış yüzeyine akar. Başlığın potansiyeli (ve iyon kaynağı ve tüpün yüksek voltajlı elektrodu dahil olmak üzere içine yerleştirilmiş tüm ekipmanlar) yükler beslendikçe sürekli olarak artar ve yalnızca arıza ile sınırlanır..

Pirinç. 1. Hızlandırıcı tüpün şematik diyagramı

Kaskad jeneratörlerde büyük potansiyel farkları oluşturmak için voltaj çoğaltma devreleri kullanılır.

İleri yüklü dalgalarda önce negatif olanlar hızlanır. iyonlar (fazladan bir elektron içeren atomlar) ve daha sonra iki (veya daha fazla) elektron çıkarıldıktan sonra, sıyırma sırasında oluşanlar yerleştirilir. iyonlar. Bu tür gerilimlerin hem kaynağı hem de çıkış cihazları toprak potansiyelinde bulunur ve bir sıyırma cihazıyla donatılmış yüksek gerilim elektrodu ortada bulunur. U. Şarj Edilebilir U.'nun parçaları, arıza olmadan iki kat (ve daha derin sıyırma ile daha yüksek) enerji değerleri elde etmenizi sağlar.İndüksiyon hızlandırıcıları

. İndüksiyona ABD, betatronlara ve doğrusal indüktörlere sahiptir. U. 1 Pirinç. 2. Betatronun şematik bölümü: 2 - mıknatıs kutupları; 3 - halka şeklindeki vakum odasının kesiti; 4 -çekirdek; 5 - elektromıknatıs sargıları;.

- mıknatıs boyunduruğu 2 Betatron cihazının şeması Şekil 2'de gösterilmektedir. 2. Hızlandırılmış parçacıklar (elektronlar) halka şeklindeki bir vakum odasında hareket eder 1 , elektromıknatısın boşluğunda bulunur ( 3 - mıknatıs kutupları). 4 Girdap elektriği tarafından hızlandırılırlar. Manyetik alan değiştiğinde heyecanlanan alan. hızlandırılmış parçacıkların yörüngesine giren akış. Temel bu akışın bir kısmı çekirdekten geçer(aşağıya bakınız). Haznenin üstünde ve altında halka şeklinde eğimli mıknatıslar bulunur. kutuplar çevreye doğru azalarak bu tür bir stabilite için gerekli alanı yaratır (Şekil 8, B).

Betatron hızlandırma yöntemi fikri 1922 yılında J. Slepian tarafından dile getirilmiş, teorinin temelleri ise 1948 yılında R. Wideroe tarafından geliştirilmiştir. İlk betatron 1940 yılında inşa edildi. Betatronların basitliği ve güvenilirliği, teknoloji ve tıpta (20-50 MeV enerji aralığında) yaygın kullanımını sağladı.

Doğrusal indüksiyon hızlandırıcılarda, elektrik güç hatlarında. alanlar (yoğunluklu e) hızlandırıcı ekseni boyunca yönlendirilir. Elektrik alan zamanla değişen bir manyetik alan tarafından indüklenir. 1 birbiri ardına yerleştirilmiş halka ferrit indüktörlerden geçen akış 2 (Şekil 3). Magn. akış, tek dönüşlü sargılardan geçen kısa (onlarca veya yüzlerce ns) akım darbesi ile uyarılır 3 , indüktörleri kapsar. Odaklama uzunlamasına bir mıknatısla gerçekleştirilir. bobinler tarafından oluşturulan alan

indüktörlerin içinde bulunur. Doğrusal endüksiyon akımları, bir darbede rekor (kiloamper) akımların elde edilmesini mümkün kılar; maks. Çalışan U.'nun en güçlüsü - ATA (ABD) - elektronları 10 kA akımda 43 MeV enerjiye hızlandırır. Akım darbelerinin süresi 50 ns'dir. Pirinç. 3. Doğrusal endüksiyon cihazı şeması 1 hızlandırıcı: 2 - indüktör çekirdeği; -heyecan verici 3 sarma;.

odaklama bobini Rezonans hızlandırıcılar

Esas olarak ilerleyen dalgalı ultrason kullanılır. Hızı düşük enerjilerde bile çok az farklı olan hafif parçacıkları (elektronlar ve pozitronlar) hızlandırmak. Faz hızı el-magn. Vakum dalga kılavuzlarındaki dalgalar her zaman ışık hızını aşar; dalga kılavuzlarını delikli bir sistemle yükleme. diyaframlarla dalga hızını yavaşlatabilirsiniz ama çok fazla değil. Bu nedenle, yavaş parçacıkları hızlandırmak için ilerleyen dalgaya sahip dalgalar kullanılmaz.

.

Pirinç. 4. Wideroe hızlandırıcı cihazının şeması: 1 - uçuş f tüpleri; 2-HF salınım jeneratörü; 3 - hızlanan boşluklar;

Doğrusal rezonans hızlandırıcılar. En basit rezonans hızlandırıcı V i de ro e'dir (Şekil 4). Kiriş boyunca yerleştirilmiş metaller. uçuş tüpleri RF jeneratörünün kutuplarına (tek tek) bağlanır. Hızlanan boşluklarda (karşıt yüklü uçuş tüpleri arasındaki boşluklar) uzunlamasına bir elektrik akımı yaratılır. Yüzlerce kV düzeyinde gerilime sahip HF alanı. Hızlanan boşluğa yaklaşan parçacıklar doğru an

zamanla elektriksel ivme hızlanır. alanına girin ve ardından bir sonraki uçuş tüpünde "saklayın". Parçacığın uzunluğu ve hızı birbiriyle koordinelidir, böylece parçacıklar bir sonraki boşluğa elektriğin geldiği anda yaklaşır. alanın doğru yönü ve büyüklüğü vardır, yani önceki hızlanma boşluğundakiyle aynı fazdadır. Bunun için koşulun sağlanması gerekir burada / tüpün uzunluğu ve hızlanan boşluktur; - ışık c hızının kesirleri olarak ifade edilen parçacık hızı;- dalga boyu el-mag. titreşimler (boşlukta);

Parçacık hızı arttıkça Wideroe'nin hızlandırıcıları etkisiz hale geliyor ve yerini Alyaretz'in hızlandırıcılarına bırakıyor. Bunlarda uçuş tüpleri jeneratöre bağlı değildir, ancak uzun bir silindirin içinde birbiri ardına yerleştirilmiştir. Elektrik mıknatıslarının uyarıldığı rezonatör.

dalgalanmalar. Geleneksel bir rezonatörde olduğu gibi uçuş tüplerinden uzağa dağıtılan HF alanı, hızlanan boşluklarda ekseninin yakınında yoğunlaşır. "Hızlanan boşluk - uçuş tüpü - hızlanan boşluk" vb. elemanların düzeni Wideroe hızlandırıcılarındakiyle aynı kalır, ancak koşul (1) şu şekli alır:

Doğrusal rezonans amplifikatörleri, yeterince hızlı parçacıklar onlara enjekte edilirse, doğrudan etkili bir amplifikatör veya alternatif yüksek frekanslı odaklamalı bir amplifikatör kullanılarak önceden hızlandırılırsa etkili bir şekilde çalışır. -v Siklotronlar

- en basit ve tarihsel olarak ilk U. döngüsel. tipi (Şek. 5). Modern olarak Anlayışta siklotronlara rezonans döngüsel denir. U., zamanla değişmeyen öncü bir mıknatısla çalışıyor. alanında ve hızlanan RF alanının post frekansında. Geleneksel siklotronlarda manyetik.

alan azimuttadır ve neredeyse yarıçaptan bağımsızdır; Hızlandırılmış parçacıkların yörüngeleri çözülen spiraller biçimindedir. Geleneksel siklotronlar, göreceli olmayan ağır parçacıkları (protonlar ve iyonlar) hızlandırmak için kullanılır. Siklotronların vakum odası dışarıdan sınırlıdır. silindirik duvar kalıp ve iki düz yatay kapak. Geleneksel siklotronların elektromıknatıs kutupları, haznede neredeyse tekdüze (çevreye doğru hafifçe azalan) bir manyetik alan oluşturur. alan. Hızlanan boşluk, haznede bulunan ve birbirine bakan, içi boş yarım silindir şeklindeki iki elektrotun kesilmesiyle oluşturulur. Dee'ler yüksek gerilim jeneratörünün kutuplarına çeyrek dalga hatlarıyla bağlanır. Pirinç. 5. Siklotronun devre şeması Bir daire içinde hareket eden bir parçacığa merkezcil kuvvet etki eder. Lorentz kuvveti

r'nin yörüngenin eğrilik yarıçapı olduğu merkezkaç kuvvetine eşit, ze-partikül yükü. O., Daha uygun birimlere geçerek şunu elde ederiz: Nerede rs-parçacık momentumunun ürünü Rışık hızında

İle - MeV cinsinden ifade edilir, manyetik indüksiyon. alanlarİÇİNDE R merkezden çevreye ve göreceli etkilerden dolayı.

Geleneksel siklotronlar izotop üretmek için ve 20 MeV'ye (veya ~20 MeV/nükleon) kadar enerjiye sahip protonlara (veya iyonlara) ihtiyaç duyulduğu diğer tüm durumlarda yaygın olarak kullanılır. Daha yüksek enerjiye sahip protonlara (birkaç yüz MeV'ye kadar) ihtiyaç duyulursa, azimut manyetik değişimine sahip siklotronlar kullanılır. alanlar. Bu tür siklotronlarda enine hareketin stabilitesi, manyetik alanın azimut simetrisinin terk edilmesiyle sağlanır. alan ve konfigürasyon seçimi, kenarlar, çevreye doğru artan (ortalama) manyetik değerlerde bile hareket stabilitesini korumanıza izin verir. indüksiyon.

Siklotronlarda hızlanma süreci sürekli olarak gerçekleşir: Aynı zamanda bazı parçacıklar iyon kaynağından yeni ayrılır, diğerleri yolun ortasındadır ve diğerleri hızlanma sürecini tamamlar.

Tipik dahili akım siklotronlardaki ışın yakl. 1 mA, çıkış ışın akımı, çıkış folyolarının fırlatma verimliliğine ve termal stabilitesine bağlıdır; genellikle birkaç taneye tekabül eder. onlarca µA.

Fazotronlar. Fazotronlarda manyetik alan zamanla sabittir ve silindirik yapısı korunur. simetri. Magn. çevreye doğru alan azalır, enerjileri arttıkça parçacıkların dönme frekansı azalır ve buna bağlı olarak hızlanan alanın frekansı da azalır. Bu durumda, hızlandırılmış parçacıkların enerjisine ilişkin kısıtlamalar ortadan kalkar, ancak hızlandırılmış ışının yoğunluğu keskin bir şekilde azalır (birkaç büyüklük sırasına göre). Hızlanan alanın frekansının değiştirilmesi, hızlanma sürecinin döngülere bölünmesine yol açar: yeni bir parçacık grubu, ancak önceki grubun hızlanması tamamlandıktan ve frekans orijinal değerine döndürüldükten sonra fazotrona eklenebilir. . Fazotronların olağan çalışma alanı birkaç tanedir. yüzlerce ila binlerce MeV. Enerji daha da arttıkça mıknatısların boyutları çok büyür, ağırlıkları ve maliyetleri de aşırı derecede artar. Son zamanlarda (90'lar) yeni fazotron inşa edilmedi. Birden fazla enerjiye kadar.

Sinkrotronlarda parçacıkların döndüğü yörünge, hızlanma süreci boyunca sabit kalır. Lider mag.

alan yalnızca parçacıkların hareket ettiği halka şeklindeki vakum odasını çevreleyen dar bir yol boyunca yaratılır. (3)'ten açıkça görüldüğü gibi, postada. manyetik yarıçap indüksiyon orantılı olarak artmalıdır. hızlandırılmış parçacıkların momentumu. Yörünge frekansı (sabit bir yörünge uzunluğunda) momentum f-loy ile ilgilidir. ışık hızında hareket eden bir parçacığın senkrotron içinde dolaşacağı frekans nerededir? Hızlanan alanın frekansı, parçacıkların dönme frekansıyla çakışabilir veya onu tam sayı kadar aşabilir (buna çokluk denir). Böylece, elektron sinkrotronlarında (her zaman

p>>mc) manyetik indüksiyon sırasında hızlanan alanın frekansı sabittir. alanlar artar. Proton sinkrotronlarda, hızlanma döngüsü sırasında manyetik indüksiyon artar. alanlar ve hızlanan voltajın frekansı.

Mikrotronlar-döngüsel

U. postayla. mag. alanı ve devir başına enerji artışı elektronun dinlenme enerjisine (0,511 MeV) eşittir. Enerjideki artışın tamamı kısa bir bölümde meydana gelirse, o zaman oruç sırasında. mag. parçacıklar bir dairesel yörüngeden diğerine hareket eder. Tüm bu yörüngeler, hızlandırıcı cihazın bulunduğu noktada birbirine temas ediyor. Bu tür elektronlardaki elektronların enerjisi birkaç taneye ulaşır. onlarca MeV.

Hızlandırıcı boyutları. Hızlandırıcı kompleksleri . Doğrusal dalganın uzunluğu, hızlandırılan parçacıkların enerjisi ve hızlanma oranı ile belirlenir ve halka hızlandırıcıların yörüngesinin eğrilik yarıçapı, parçacıkların enerjisi ve maksimum ile belirlenir. öncü mıknatısın indüksiyonu. alanlar. (M). Buna göre 1 TeV'lik bir dalganın çevresi ~20 km olmalıdır. Radyasyondan korunmak için bu tür cihazlar yer altına inşa edilir. Yüksek enerjili sistemlerin muazzam boyutu, milyarlarca doları bulan sermaye maliyetlerine yol açmaktadır.

Verilen tahminler U., mag. için geçerlidir. bloklarda demir bir boyunduruk bulunur. Arttırmak B Demirin doygunluğu nedeniyle maksimum 1,8 T'nin üzerinde bir değerin imkansız olduğu ortaya çıkıyor, ancak bu, süper iletken magnezyuma geçilerek yapılabilir. sistemler. Bu türden ilk U. - Tevatron - zaten Laboratuvarda çalışıyor. ABD'de Fermi. Magn. bakır matris içinde NbTi çekirdekli bir kabloyla sarılmış bloklar halindeki alan, 4 K sıcaklıkta 5-5,5 T'ye yükseltilebilir ve sıcaklık 1,8 K'ye düştüğünde veya NbSn'ye geçerken 8 -10'a kadar yükseltilebilir T. (Kırılganlığı nedeniyle hızlandırıcıların üretiminde NbSn alaşımı kullanılmaz.) Sıcaklığın daha da azalması, kişinin daha da yüksek manyetik kuvvete geçmesine olanak tanır. tarlalar, ancak ekonomik olarak kârsız; Kriyojenik ekipmanların boyutu azalıyor ancak pahalı ve enerji yoğun kriyojenik ekipmanların miktarı artıyor.

Kabul edilebilir minimum değerler daha az kesin olarak tanımlanmıştır R. ABD'de demir boyundurukla B min (6-10)'dan az olmamalıdır. 10~ 3 T, çünkü daha düşük alanlarda toplam manyetik alana katkı çok büyüktür. indüksiyon artık manyetizmayı uygulamaya başlar. mekansal dağılımı genellikle elverişsiz olan alanlar. B Davranış B maksimum/ min ve dolayısıyla geleneksel mıknatıslara sahip bir mıknatısta püskürtülen ve enjekte edilen parçacıkların darbelerinin oranı bu nedenle 200-300'ü geçemez. Süper iletken mıknatıslarda sistemlerde bu aralığın daha da küçük olduğu ortaya çıkıyor çünkü uzaydaki küçük alanlar için. Manyetik dağıtım İndüksiyon, süperiletken iletkenlerdeki girdap akımlarından güçlü bir şekilde etkilenir. Bu sınırlamalar, tüm büyüklerin hızlanmasına yol açan nedenlerden biridir.

Bu kompleksin inşaatı ve işletmesi Avrupa Topluluğu tarafından yürütülmekte ve finanse edilmektedir. Naib.

Kompleksin bir parçası olan U., elektron ve pozitron ışınlarını 45 GeV'lik bir enerjiye hızlandıran bir depolama-çarpışma elektron-pozitron halkası LEP'tir. U. derin bir yer altı tünelinde yer almaktadır ve çevresi 27 km'dir. 90'lı yıllarda bu tünelde. Protonları ve antiprotonları 7 TeV enerjiye kadar hızlandırmak ve ardından iyonları hızlandırmak için tasarlanmış büyük bir süper iletken hadron çarpıştırıcısı LHC (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) inşa edilmesi planlanıyor. (Pirinç. 6. CERN hızlandırıcı kompleksinin şeması.

İsviçre)

LHC'ye enjeksiyon için, çıkışında protonların ~450 GeV enerjiye sahip olduğu SPS (Süper Proton Senkrotron) hızlandırıcı kullanılacaktır. Bu hızlandırıcının çevresi 6,9 km'dir, yeraltında 40 m derinlikte bulunur. SPS, PS proton sinkrotronundan ağır parçacıklar alır ve bu da Isolde güçlendiriciden protonları ve iyonları ve elektronları ve pozitronları alır. EPA güçlendirici.

Rusya'da en çok proton (ve iyon) U. (70 GeV), Protvino'da (Serpukhov yakınında, Moskova bölgesi) faaliyet göstermektedir. Onun altında çevresi 21 km olan bir hızlandırıcı ve depolama merkezinin (AC) inşaatına başlandı. Protonları ve antiprotonları 3 TeV enerjiye hızlandırmak için tasarlanmıştır. Uluslararası Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü (JINR, Dubna, Moskova bölgesi), protonları 9 GeV'ye hızlandıran bir proton sinkrotronu, bir fazotronu ve iyonları 6 GeV/nükleon enerjisine hızlandıran süper iletken bir iyon ultrasonik nükletronu çalıştırır.

Teorik Enstitü'de ve deney yapın. Fizik (ITEP, Moskova) proton sinkrotronu protonları 9 GeV enerjiye hızlandırır.

Doğrusal bir Y'deki faz hareketini ele alalım. Kolaylık olması açısından, hızlanan boşlukların çok kısa olduğunu ve parçacıkların bunlardan neredeyse anında geçtiğini varsayacağız. Belirli bir parçacığın boşluğa denge noktasından daha sonra yaklaşmasına izin verin. Ona yetişebilmesi için boşluktan geçerken daha fazla enerji alması gerekir. Tam tersine, boşluğa dengeden daha erken ulaşan bir parçacığın daha az enerji alması gerekir.

Şek. 7 sinüzoidal eğri, zaman içindeki voltaj değişimini gösterir e HF alanını hızlandırıyor. Kesikli çizgi gerilimi gösterir; denge parçacığının zaman içindeki bir sonraki boşluğa yaklaşması için kenarların geçiş anında mevcut olması gerekir. Her değişim döneminde e böyle iki nokta var: İLE Ve D. Ancak hareketin yalnızca C noktasında kararlı olduğunu görmek kolaydır. Ancak bu noktada daha sonraki zamanlarda alan gücü artar ve daha fazla erken anlar azalır.

Pirinç. 7. Otomatik fazlama ilkesini tartışmak.

Parçacıkların uzunlamasına hareketinin ayrıntılı bir analizi, yeterli miktarda HF salınımı ile her zaman sabit bir faz hareketi alanı bulunduğunu gösterir - bu durumda, C noktası çevresinde bulunan bir alan. Bu ifadeye denir. prensip otomatik fazlama.

Döngüsel bir ivmede, yalnızca parçacıkların hızı enerjiye değil, aynı zamanda önceki hızlanma aralığından bir sonrakine (birkaç tane varsa) kadar kat ettikleri yolun uzunluğuna ve yörüngenin çevresine de bağlıdır. .

r'nin yörüngenin eğrilik yarıçapı olduğu merkezkaç kuvvetine eşit, Katsayıyı tanıtalım. yörünge uzaması. L Daha uygun birimlere geçerek şunu elde ederiz:- yörünge çevresi,

-parçacık momentumu. Bir parçacığın evrende dolaşmak için harcadığı zamandaki değişim onun momentumuna bağlıdır ve f-loy ile tanımlanır. İLE burada parçacığın g-Lorentz faktörü, Doğrusal denklemlerde a = 0 ve nokta kararlıdır . Döngüsel bir U'da. C noktası kararlıdır ve D nokta

. Bu noktaların yer değiştirdiği enerji şu ilişkiye karşılık gelir:

ve aradım Kritik enerji (İngiliz edebiyatında - geçiş enerjisi). Bu noktada hızlanma gerilimi fazının bir “senkron noktadan” diğerine aktarılması gerekir. Kritik yaklaşırken Faz salınımlarının frekansının enerjileri (döngüsel dalgalarda genellikle radyal faz olarak adlandırılırlar) azalır ve kümelerin faz boyutları keskin bir şekilde azalır ve parçacıkların darbelerdeki (ve enerjideki) dağılımı artar.. Hızlanma süresi boyunca, büyük halka dolaşımlarındaki parçacıklar yüzbinlerce, hatta milyonlarca kilometrelik bir mesafe kat eder. Birikmiş olarak sistemlerde bu yol hala birkaç tanedir. büyüklük sıraları daha fazla ve küçük Ukrayna'da - birkaç tane. büyüklük sıraları daha azdır, ancak vakum odasının çapına kıyasla her zaman çok büyüktür, kesimin enine boyutları genellikle iki on cm'yi geçmez. Parçacıkların odanın duvarlarıyla çarpışması onların kaybına yol açar. Bu nedenle hızlanma ancak dikkatle hesaplanıp uygulanan bir odaklama sistemi ile mümkündür.

Hızlandırılmış parçacığın enerjisinin herhangi bir değerinde (faz salınımlarının kararlılık bölgesinde), halka salınımlarında kapalı (kararlı) bir yörünge vardır. Evrenin vakum odasında bulunan parçacıklar bu yörüngeye yakın hareket ederek betatron salınımları Bu salınımların frekansları, faz salınımlarının frekanslarını önemli ölçüde aşar, böylece betatron salınımlarını incelerken, hızlandırılmış parçacıkların enerjisi ve kapalı yörüngenin konumu sabit kabul edilebilir.

Teorik olarak Betatron salınımlarını değerlendirirken, genellikle hızlandırılmış parçacıkların "faz düzlemlerinde" kapladığı alanları incelerler ( r, r)ve (z, P z), nerede R Ve z- parçacığın yatay ve dikey koordinatları ( r = R - R 0 , nerede R-parçacık yarıçapı, R 0 - denge yörüngesinin yarıçapı), a pr Ve p z- dürtüsünün karşılık gelen bileşenleri. Kesintisiz hareketle bu alanlar elips şekline sahiptir. Buna göre Liouville teoremi, alan değerleri hareket sırasında değişmez. Hızlanma süreci sırasında parçacıklar çok sayıda çizgiyi geçer. R manyetik homojensizlik ve elektrik alanlar. Bu durumda ışının faz uzayında kapladığı bölge karmaşık bir şekil alabilir, böylece eff. alanın boyutu - tarif edilen elipsin alanı - artar. Dikkatlice ayarlanmış bir U.'da böyle bir artış meydana gelmez. Yatay ve düşey hareketler arasında bir bağlantı varsa, belirtilen alanların her biri korunmaz, ancak kirişin dört boyutlu uzayda kapladığı hacim korunur ( , z,.

p r , p z) R Pratik İlgi çekici olan genellikle ışının faz düzlemlerinde değil, düzlemlerde kapladığı bölgedir ( , Q), (z Pratik İlgi çekici olan genellikle ışının faz düzlemlerinde değil, düzlemlerde kapladığı bölgedir ( R z , Q) nerede q R ve q -Denge yörüngesine teğet olan parçacıkların hızlarının yaptığı açılar. Bu alanlara denir yatay (veya radyal) ve dikey (veya eksenel) m) emisyonlar , Qışın e R ve e

r'nin yörüngenin eğrilik yarıçapı olduğu merkezkaç kuvvetine eşit, Daha uygun birimlere geçerek şunu elde ederiz:. İmpulslardan açılara geçiş formüllerle verilir Daha uygun birimlere geçerek şunu elde ederiz: 0 -pratik olarak toplam dürtü ile çakışan dürtünün boyuna bileşeni;. Liouville teoreminden hareketin integrallerinin miktarlar olduğu sonucu çıkar. P e , Q Ve P e R veya sırasıyla bge , Q ve bge R, adı verilen NORMALİZE EMİTANLAR.

Yukarıdakilerden, hızlanma sırasında normalize edilmiş emisyonların değişmeden kaldığı ve olağan emisyonların e olduğu açıktır. , Q ve e R 1/bg kadar azalır. Buna göre kirişin enine boyutları azalır.

Herhangi bir U.'nun en önemli özelliği onun x e p tan'larıdır - çoğu. U.'nun kayıpsız ilettiği yayılım. Hızlandırılmış ışının yüksek yoğunluğu yalnızca yeterince büyük bir kabule sahip bir UV'de elde edilebilir.

Vakum odasının belirli boyutları için kabul V, maks. ile orantılıdır. denge yörüngesine sahip parçacıkların yörüngeleri olabilen açı ve dolayısıyla betatron salınımlarının dalga boyu ile ters orantılıdır. Hızlandırıcının dikey ve yatay kabulleri, yani devir başına betatron salınımlarının sayısıyla orantılıdır. Q r Ve Q z bu nedenle arttırılması arzu edilir. Mevcut tüm U. Q r Ve Q z birbirine yakındır. Her ikisi de 1'den küçükse odak çağrılır. zayıf (yumuşak), 1'den büyükse güçlü (sert).

Tüm tam sayı ve yarım tam sayı değerleri Q r Ve Q z yasaktır. Bütünüyle Q parçacıklar mıknatısa geri döner. Betatron salınımlarının aynı fazındaki elementler, alan hatalarının etkisi toplanır ve salınımların rezonans oluşumu meydana gelir (dış rezonans). Tamsayı değerlerinin çevresinde, salınımlardaki artışın, büyüklük olarak sınırlı olmasına rağmen, örneğin kabul edilemeyecek kadar büyük olduğu ortaya çıkan yasak frekans bölgeleri vardır. vakum odasının boyutlarını aşıyor.

Yarım tam sayı değerleri Q r Ve Q z, parametrik rezonansın (manyetik gradyandaki düzensizlikler nedeniyle meydana gelen salınımların rezonans birikmesi) ortaya çıkması nedeniyle yasaktır. alanlar. Bazı ortamlarda, özellikle akümülatörlerde, daha yüksek düzeyler de belirgindir.

döngüsel olarak Enine mıknatıslar parçacıkları odaklamak için kullanılır. alanlar. Düzgün bir öncü alanda yalnızca yatay odaklanma vardır ve dikey odaklanma yoktur ( Q z = 0) Parçacıkların homojen (dikey) bir manyetik alanda hareket ettiğine dikkat edilerek bu sonucun anlaşılması kolaydır. alan ( B r = 0, B z = const) Lorentz kuvvetlerinin z bileşeni yoktur ve parçacıklar başlangıç ​​değerlerini korurlar. eksenel hız. Eksenel odaklanma için gerekli kuvvetler yalnızca radyal manyetik bileşenin varlığında ortaya çıkar. alanlar.

Manyetik konfigürasyon alan direk parçalarının şekline bağlıdır. Şek. 8 ( A) ve 8( B) bir dönüş şekline benzeyen kutup parçalarını (eksen etrafında) gösterir z). Şek. 8 ( A) düzgün bir dikey alan oluşturan düz direkler tasvir edilmiştir; bu tür alanlar eksenel odaklanma yaratmaz. Şek. 8 ( B) kutuplar arasında ortaya çıkan, çevreye doğru genişleyen bir boşluk yaratan alan desenini tasvir ediyor. Bu durumda, Lorentz kuvveti odaklanan (merkezi düzleme geri dönen) bir eksenel bileşen elde eder. Bununla birlikte, eksenel odaklanmanın görünümüne radyal odaklanmanın zayıflaması eşlik eder: çevreye sapan parçacıklar, daha zayıf bir alana düştükleri için denge yörüngesine daha yavaş dönerler.

Pirinç. 8. A- düzgün bir alandaki manyetik kuvvetler; B-Çevreye doğru azalan bir alandaki manyetik kuvvetler.

Doğrusal osilatörlerde, dairesel osilatörlerdeki kadar kritik olmasa da odaklanma sorunu da önemlidir: Doğrusal osilatörlerde parçacıkların yol uzunluğu küçüktür ve hızlanan parçacıklar, halihazırda geçmiş olan alan bozukluklarına geri dönmezler.

Döngüsel U.'da, mag.

Azimut simetrisine sahip sistem için aşağıdaki formül geçerlidir: Radyal eş zamanlı kararlılık ve eksenel bu durumda betatron salınımları yalnızca zayıf odaklanmayla mümkündür (bkz. Parçacıkları hızlandırıcıda odaklamak R).Güçlü odaklamayla, z'ye odaklanan ve odak dışı kalan alanlar

, yatay boyunca odaklanan ve dikey koordinatlar boyunca odak dışı kalan alanlarla değiştirilir. Sıralı olduğunda bu tür alanların konumu ve manyetik gradyanların doğru seçimi. alan ve mıknatıs geometrisi, sistemin bir bütün olarak odaklandığı ortaya çıkıyor ve betatron frekanslarının her iki sonucu da birliği önemli ölçüde aşabilir. A Güçlü odaklama özelliğine sahip ultrasonik sistemlerde dört kutuplu mıknatıslar kullanılır. veya elektrikli (hızlandırılmış parçacıkların düşük enerjilerinde) alanlar. Şek. 9 ( R) dört kutuplu manyetik alan gösterilmektedir. dikey yönde (z ekseni boyunca) odaklanma ve yarıçap boyunca odaklanmayı yaratan bir lens z mag. alan. Vakum odası merceğin ekseni boyunca kutupları arasında yer alır (şekilde gösterilmemiştir). Pozitif yüklü parçacıklar okuyucuya doğru "uçar". Bu tür dört parçacık ve onlara etki eden Lorentz kuvvetleri, noktalar ve oklarla gösterilmektedir. Yarıçap boyunca odaklananlarda (ve ) Manyetik mercekler direkler Ve N yerleri değiştirin. Halka mıknatıslarda öncü mıknatısı oluşturan mıknatıslardır. alan, merceklerin arasında bulunur. Z ekseni boyunca yönlendirilmiş homojen bir manyetik alan oluştururlar. alan. Bazı mıknatıslarda birleşik fonksiyonlu mıknatıslar kullanılmaktadır. Onların büyüsü. alan hem bir dipol (öncü alan) hem de bir dört kutuplu bileşen içerir (Şekil 9, B).

Rx. 9. A-dört kutuplu manyetik lens; B-Birleşik işlevlere sahip manyetik blok.

Doğrusal merceklerde enine odaklama için bir elektrik mıknatısı kullanmayı deneyebiliriz. parçacıkları hızlandıran bir dalga. Ancak normal dalgalarda e Kararlı faz hareketine karşılık gelen tipteki noktalar, enine titreşimler için kararsız hale gelir ve bunun tersi de geçerlidir. İLE Ve D Bu zorluğun üstesinden gelmek için alternatif fazlı odaklanmayı (noktalar) kullanabilirsiniz.

Şek. 7 art arda birbirinin yerine geçer) veya elektriğin azimut simetrisinden vazgeçilir. rezonatördeki alanlar (dört kutuplu HF odaklanma). Ancak çoğu zaman özel cihazlar tarafından oluşturulan dört kutuplu alanlar çapraz odaklama için kullanılır. mag. lensler. 80'lerden bu yana Bu tür lenslerin yapımında posting kullanılmaya başlandı. mıknatıslar (SmCo alaşımı). Yoğunluğa bağlı etkiler Q. Işın dış ortamla etkileşime girdiğinde ortaya çıkan rezonanslara ek olarak alanlarda, yüksek ışın yoğunluklarında ayrışma bir rol oynamaya başlar.

Hızlandırılmış parçacıklardan oluşan bir ışın, elektrostatik kuvvetiyle etkileşime girer. bir vakum odasındaki ve içinde bulunan nesnelerle ilgili görüntü (hızlanan istasyonların rezonatörleri, ölçüm cihazlarının sensörleri, vakum sisteminin parçaları ve girişleri vb.). Bu durumda her parçacığa etki eden kuvvet orantılıdır. denge yörüngesine ve doğrusal yoğunluğuna göre bölmedeki ışın kayması. Bu etkileşim sonucunda elektrik mıknatısları ortaya çıkar. Daha sonra geçen parçacıklara ("baş - kafa" etkisi) ve parçacıkların kendilerine etki eden alanlar, bu parçacıklar uyarılmış alana geri döndüğünde alanların ortaya çıkmasına neden olur. Bu etkileşim, ışın stabilitesinin kaybına yol açan bir dizi etkiye neden olur.

Daha önce bahsedilen "baş-kuyruk" etkisine ek olarak, dirençli kararsızlık (oda duvarlarının sonlu iletkenliği nedeniyle fazda geciken kamera boyunca uzanan ışının elektriksel görüntüsü ile etkileşim), mikrodalga kararsızlığı ( yüksek frekanslarda uyarılabilen nesnelerle etkileşim), vb.Çarpışan ışın hızlandırıcıları (çarpıştırıcılar) . Çarpışma sırasında yeni parçacıklar oluştuğunda, üretilen parçacıkların geri kalan enerjisine eşit veya bu enerjiden daha fazla enerji açığa çıkmalıdır. yüzlerce MeV ve bazen onlarca GeV. Bu kadar büyük enerji salınımlarıyla sadece kimyasallar önemini kaybetmez. hedefi oluşturan parçacıkların bağlantısı, aynı zamanda çekirdekteki nükleonların bağlantısı, böylece tek nükleonlarla, hatta nükleonu oluşturan tek nükleonlarla çarpışma meydana gelir. T.n. kümülatif süreçler

eş zamanlı olarak kabul edilebilir. hızlandırılmış bir parçacığın iki veya daha fazla parçacıkla çarpışması. Nükleonlar bilimsel açıdan ilgi çekicidir, ancak yüksek enerjilerde son derece nadiren gözlemlenirler. Yukarıda belirtildiği gibi parçacıklar çarpıştırıcılarda çarpıştığında, hızlanma sırasında kazanılan enerjinin tamamı gerçekleştirilebilirken, hızlı bir proton, sabit bir hedefin bir nükleonuyla çarpıştığında bu enerjinin yalnızca bir kısmı kullanılır. Yani üretmek J Yukarıda belirtildiği gibi parçacıklar çarpıştırıcılarda çarpıştığında, hızlanma sırasında kazanılan enerjinin tamamı gerçekleştirilebilirken, hızlı bir proton, sabit bir hedefin bir nükleonuyla çarpıştığında bu enerjinin yalnızca bir kısmı kullanılır. Yani üretmek/y-meson, protonun enerjisi dinlenme enerjisinden 3,7 kat daha yüksek olmalıdır

Birikmiş verilerle çalışma teknikleri Karşı kirişlerin hareket ettiği halkalar çok karmaşıktır. Işınların aşırı seyrekleşmesi nedeniyle birim zamanda meydana gelen nükleer reaksiyonların sayısı, sabit hedeflere göre binlerce kat daha azdır. Çarpıştırıcıların verimliliği genellikle parlaklık ,T. yani eff'i çarpmanız gereken bir sayı. Birim zaman başına bu tür reaksiyonların sayısını elde etmek için incelenen reaksiyonun kesiti. Parlaklık orantılı çarpışan ışınların yoğunlukları ile ters oranın çarpımı. kirişlerin kesit alanları (eğer eşitlerse). Bu nedenle çarpışan ışınlar çok sayıda parçacık içermeli ve faz uzayında küçük hacimler işgal etmelidir. Senkrotron radyasyonuna bağlı olarak elektron ve pozitron ışınlarının faz hacminin soğuması yukarıda tartışılmıştır. Aynı zamanda proton ışınlarının faz hacmi sadece 1 oranında hızlandıkça azalır./R

yani tamamen yetersiz. Ve antiproton ışınlarının kapladığı hacim, oluşumları sırasında zaten çok büyük çıkıyor ve antiprotonlar yüksek enerjide (birkaç GeV) oluştuğundan biraz sonra azalıyor. Bu nedenle çarpışmadan önce antiproton ışınlarının birikip soğuması, yani faz uzayında sıkışması gerekir.

Ağır parçacık ışınlarını (protonlar, antiprotonlar, iyonlar) soğutmanın iki yolu vardır: elektronik ve stokastik. ELEKTRONİK SOĞUTMA, soğutulmuş ışınların, soğutulmuş parçacıklarla birlikte belirli bir ortak alanda uçan ve aynı ortalamaya sahip "soğuk" elektronlardan oluşan bir ışınla etkileşimi sırasında meydana gelir. hız. (Bir ışının sıcaklığı, ışınla birlikte hareket eden bir koordinat sisteminde ölçülen parçacıklarının ortalama enerjisidir.) ) Manyetik mercekler direkler Stokastik soğutma, aynı anda soğutulan parçacıkların sayısının çok fazla olmaması gerçeğine dayanmaktadır. Cihazın içinde ışının koordinatlarını ölçen tek bir parçacık varsa, bu durumda sapması sensör tarafından ölçülebilir ve daha sonra düzeltici tarafından düzeltilebilir. Eğer içeride ölçerse. Cihazlar birkaç tane olacak. Parçacıklar, daha sonra sensör onların elektriksel konumlarına tepki verir. ağırlık merkezi ve meydana gelen şey düzeltme değil, titreşim sönümlemedir ( ) Manyetik mercekler direkler cihazdaki parçacıklar bir olarak ayarlanır ve

parametreler). Stokastik Soğutma kademeli olarak gerçekleşir ve çok sayıda devir gerektirir.

Elektron soğutmanın düşük ışın enerjilerinde daha etkili olduğunu, stokastik soğutmanın ise çok büyük olmayan parçacık sayısında daha etkili olduğunu unutmayın.. Büyük hızlandırıcıların geliştirme, inşa etme veya işletmeye alma aşamasındaki projeleri arasında aşağıdakileri sıralayabiliriz.

Rusya'da (Troitsk, Moskova bölgesi) 600 MeV enerjiye sahip bir “mezon fabrikası”nın inşaatı ortalama 200 milyon avg ile tamamlanıyor. akım 70 µA. 1993 yılında ise 430 MeV enerjili bir ışın üretmişti. İzotopların üretimi için ortalama 160 MeV enerjiye sahip bir proton ışını kullanılır. akım 100 µA. Pro-tvino'da, protonları 3 TeV'ye kadar hızlandırmak için tasarlanmış bir hızlandırıcı-depolama kompleksinin (UNC) inşası sürüyor. UNK, çevresi 21 km olan bir yer altı tünelinde yer almaktadır. Darbedeki parçacık yoğunluğunun 5 olması bekleniyor. 10 12.

Federal Almanya Cumhuriyeti'nde (Hamburg), protonların (820 GeV) elektronlar ve pozitronlarla (30 GeV) etkileşimini incelemek için tasarlanan Çarpışan Işın Ultrasonu (HERA) faaliyete geçti. Tasarım parlaklığı ~2 . 10 31 cm-2. s -1 . Proton senkrotronu süper iletken mıknatıslar içerir ve elektron senkrotronu sıradan mıknatıslar içerir (sinkrotron radyasyonundan kaynaklanan kayıpları artırmamak için). Bu tesisin donatılmasında ve üzerinde çalışılmasında farklı ülkelerden 37 enstitü görev alıyor.

Almanya'da 250x250 GeV (1. seçenek) veya 500 x 500 GeV (2. seçenek) parçacık enerjisine sahip bir DESY doğrusal çarpıştırıcı projesi de geliştirilmektedir. CERN'de (İsviçre), halka elektron-pozitron enerji kaynağının (LEP) tünelinde, ağır parçacıklar için LHC (Büyük Hadron Çarpıştırıcısı) çarpıştırıcısının inşası başlıyor. Protonların (2x7 TeV), protonların ve elektronların, protonların ve iyonların (kurşun dahil, 1148 TeV) çarpışmalarını incelemek mümkün olacak.

Ağır iyonların hızlandırılması Nuclotron'da (Dubna, Rusya) gerçekleştirilebilir. 1977'den bu yana Dubna'daki proton sinkrotronunda ayrışma hızlandı. karbona kadar iyonlar (4,2 GeV/nükleon ve 1992'den 6 GeV/nükleon'a kadar).

Saclay'deki (Fransa) ABD "Satürn"de iyonlar argona (1,15 GeV/nükleon'a kadar) kadar hızlandırılır. SPS hızlandırıcı (CERN), oksijen ve kükürt iyonlarının 200 GeV/nükleon'a kadar hızlandırılmasına olanak tanır.

ABD'de bir proje geliştirildi. 2 x 20 TeV enerjiye sahip büyük süper iletken süper çarpıştırıcı (SSC).

Bu hızlandırıcının inşası ertelendi.

Int. Hızlandırıcı Komite, uygulanması gelişmiş ülkelerin ortak çabasını gerektirecek daha büyük projeler üzerinde düşünüyor. Böyle bir U.'nun spesifik projesi henüz belirlenmedi.. Bilimsel eğitimin yanı sıra uygulamalı eğitim de alıyorlar. başvuru. Böylece doğrusal kontroller oluşturmak için kullanılır. nötron jeneratörleri radyasyon için malzeme testleri, nükleer yakıt üretmek için elektronnükleer yöntemler ve kontrollü eylemsiz termonükleer füzyon için ağır düşük yüklü iyonların hızlandırılması aktif olarak tartışılmaktadır.

Loma Linda'da (ABD) özel bir tesisin inşaatı tamamlanıyor. Radyasyon tedavisi için proton sinkrotronlu kompleks. Rusya'da da benzer bir proje düşünülüyor. Yandı: Kolomensky A.A., Lebedev A.N., Döngüsel hızlandırıcıların teorisi, M., 1962; Waldner O.A., Vlasov A.D., Shalnov A.V., Doğrusal hızlandırıcılar, M., 1969; Brook G., Yüklü parçacıkların döngüsel hızlandırıcıları, çev. French'ten, M., 1970; Komar E.G., Hızlandırıcı teknolojisinin temelleri, M., 1975; Doğrusal iyon hızlandırıcılar, ed. B.P. Murina, cilt 1-2, M., 1978; Bakhrushin Yu.P., Anatsky A.I., Doğrusal indüksiyon hızlandırıcıları, M., 1978; Lebedev A.N., Shalnov A.V., Hızlandırıcıların fiziği ve teknolojisinin temelleri, cilt 3, M., 1981; Moskalev V.A., Betatrons, M., 1981; Kapchinsky I.M., Doğrusal rezonans hızlandırıcıların teorisi, M., 1982..

LL Goldin

Modern fizik, atom çekirdeğinin sırlarına nüfuz etmek için kanıtlanmış bir araca sahiptir - onu parçacıklarla bombardıman etmek veya ışınlamak ve ona ne olduğunu görmek. Atomun ve çekirdeğinin ilk çalışmaları için, radyoaktif elementlerin doğal bozunması sırasında üretilen radyasyon enerjisi yeterliydi. Ancak çok geçmeden bu enerjinin yetersiz olduğu ortaya çıktı ve çekirdeğin daha da derinlerine "bakmak" için fizikçiler, yüksek enerjili parçacıkların akışını yapay olarak nasıl yaratacaklarını düşünmek zorunda kaldılar.

Farklı yüklere sahip elektrotlar arasına giren yüklü bir parçacığın, örneğin bir elektron veya protonun, elektrik kuvvetlerinin etkisi altında hareketini hızlandırdığı bilinmektedir. Bu fenomen, 1930'larda sözde doğrusal hızlandırıcı oluşturma fikrinin ortaya çıkmasına neden oldu.

Bir elektron “tabancasından” odaya bir elektron ışını ateşlenir ve ilk pozitif elektrotun potansiyelinin etkisi altında, daha da ileri atlayarak hızlanmaya başlar. Aynı anda besleme voltajının fazı değişir ve pozitif olarak yüklenen elektrot negatif olur. Artık elektronları sanki arkadan itiyormuş gibi kendinden uzaklaştırıyor. Ve bu süre zarfında pozitif hale gelen ikinci elektrot, elektronları kendine çekerek onları daha da hızlandırır. Daha sonra elektronlar içinden uçtuğunda tekrar negatife dönecek ve onları üçüncü elektroda doğru itecektir.

Böylece elektronlar ilerledikçe yavaş yavaş hızlanır, odanın sonuna doğru ışık hızına yakın hızlara ulaşır ve yüz milyonlarca elektron voltluk enerji elde ederler. Hızlandırılmış elektronların bir kısmı, tüpün ucuna yerleştirilen, havaya nüfuz etmeyen bir pencere aracılığıyla, incelenen mikro dünyanın nesnelerine - atomlara ve bunların çekirdeklerine - düşer.

Parçacıklara vermek istediğimiz enerji ne kadar büyük olursa, doğrusal hızlandırıcı tüpünün de o kadar uzun olması gerektiğini - onlarca, hatta yüzlerce metre - anlamak zor değil. Ancak bu her zaman mümkün değildir. Şimdi boruyu kompakt bir spiral şeklinde yuvarlayabilirseniz. O zaman böyle bir hızlandırıcı kolaylıkla bir laboratuvara yerleştirilebilir.

Başka bir fiziksel olay bu fikrin hayata geçirilmesine yardımcı oldu. Yüklü bir parçacık, manyetik alana girdiğinde düz bir çizgide hareket etmeye başlar, ancak manyetik alan çizgileri etrafında "kıvrılır". Başka bir hızlandırıcı türü bu şekilde ortaya çıktı - siklotron. İlk siklotron 1930'da ABD'de E. Lawrence tarafından inşa edildi.

Siklotronun ana kısmı, kutupları arasına düz silindirik bir haznenin yerleştirildiği güçlü bir elektromıknatıstır. Küçük bir boşlukla ayrılmış iki yarım daire biçimli metal kutudan oluşur. Bu kutular - deeler - elektrot görevi görür ve alternatif voltaj jeneratörünün kutuplarına bağlanır. Odanın merkezinde yüklü parçacıkların kaynağı var - elektron "tabancası" gibi bir şey.

Kaynağı terk eden parçacık (artık pozitif yüklü bir proton olduğunu varsayarsak) hemen o anda negatif yüklü olan elektrot tarafından çekilir. Elektrotun içinde elektrik alanı olmadığından parçacık ataletle elektrotun içinde uçar. Kuvvet çizgileri yörünge düzlemine dik olan manyetik alanın etkisi altında, parçacık bir yarım daire çizer ve elektrotlar arasındaki boşluğa doğru uçar. Bu süre zarfında, ilk elektrot pozitif hale gelir ve parçacığı dışarı iterken diğeri içeri çeker. Böylece parçacık bir dee'den diğerine hareket ederek hız kazanır ve çözülen bir sarmal çizer. Parçacıklar, deneycilerin hedefi üzerine özel mıknatıslar kullanılarak odadan çıkarılır.

Bir siklotrondaki parçacıkların hızı ışık hızına ne kadar yaklaşırsa, o kadar ağırlaşırlar ve işaretini değiştiren deelerin üzerindeki elektrik voltajının yavaş yavaş gerisinde kalmaya başlarlar. Artık elektriksel kuvvetlere ayak uyduramazlar ve hızlanmayı bırakırlar. Bir siklotrondaki parçacıklara verilebilecek maksimum enerji 25-30 MeV'dir.

Bu engelin üstesinden gelmek için, dee'lere dönüşümlü olarak sağlanan elektrik voltajının frekansı, "daha ağır" parçacıklara göre zamanla ayarlanarak kademeli olarak azaltılır. Bu tür hızlandırıcılara senkrosiklotron denir.

Dubna'daki (Moskova yakınında) Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü'ndeki en büyük senkrosiklotronlardan biri, 680 MeV enerjiye sahip protonlar ve 380 MeV enerjiye sahip döteronlar (ağır hidrojen çekirdekleri - döteryum) üretir. Bunu yapmak için 3 metre çapında bir vakum odası ve 7000 ton ağırlığında bir elektromıknatıs yapmak gerekiyordu!

Fizikçiler çekirdeğin yapısını daha derinlemesine araştırdıkça, giderek daha yüksek enerjiye sahip parçacıklara ihtiyaç duyuldu. Parçacıkların spiral şeklinde değil, halka şeklindeki bir odadaki kapalı bir daire içinde hareket ettiği senkrotronlar ve senkrofazotronlar gibi daha güçlü hızlandırıcılar inşa etmeye ihtiyaç vardı. 1944'te birbirinden bağımsız olarak Sovyet fizikçisi V.I. Wexler ve Amerikalı fizikçi E.M. Macmillan otomatik fazlamanın ilkesini keşfetti. Yöntemin özü şu şekildedir: Alanları belirli bir şekilde seçerseniz parçacıklar her zaman otomatik olarak hızlanma voltajıyla aynı faza düşecektir. 1952'de Amerikalı bilim adamları E. Courant, M. Livingston ve H. Snyder, parçacıkları hareket eksenine bastıran sert odaklanmayı önerdiler. Bu keşiflerin yardımıyla, keyfi olarak yüksek enerjilere sahip senkrofazotronlar yaratmak mümkün oldu.

Hızlandırıcıları, hızlanan elektrik alanının türüne göre sınıflandırmak için başka bir sistem daha vardır. Yüksek voltajlı hızlandırıcılar, parçacıklar elektrotlar arasında uçtuğu sürece çalışan, hızlandırıcı alanın elektrotları arasındaki yüksek potansiyel farkı nedeniyle çalışır. İndüksiyon hızlandırıcılarında, parçacıkların halihazırda bulunduğu yerde indüklenen (uyarılan) bir girdap elektrik alanı "çalışır". Ve son olarak, rezonans hızlandırıcılarda, zaman ve büyüklük açısından değişen, eşzamanlı olarak "rezonans içinde" tüm parçacık "kümesinin" hızlandırıldığı bir elektriksel hızlandırıcı alan kullanırlar. İnsanlar modern yüksek enerjili parçacık hızlandırıcılardan bahsettiklerinde esas olarak halka rezonanslı hızlandırıcıları kastediyorlar.

Diğer bir hızlandırıcı türü olan protonda ise çok yüksek enerjilerde, hızlanma periyodunun sonunda parçacıkların hızı ışık hızına yaklaşır. Sabit frekansta dairesel bir yörüngede dönerler. Yüksek enerjili protonlar için hızlandırıcılara proton senkrotronları denir. En büyük üçü ABD, İsviçre ve Rusya'da bulunuyor.

Şu anda çalışan hızlandırıcıların enerjisi onlarca ve yüzlerce gigaelektronvolta (1 GeV = 1000 MeV) ulaşıyor. Dünyanın en büyüklerinden biri, 1967'de faaliyete geçen, Moskova yakınlarındaki Protvino şehrinde Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü'ndeki U-70 proton senkrofazotronudur. Hızlandırıcı halkasının çapı bir buçuk kilometre, 120 manyetik bölümün toplam kütlesi 20.000 tona ulaşıyor. Hızlandırıcı, her iki saniyede bir, 76 GeV enerjiye sahip (dünyanın dördüncü en yüksek protonu) 10 üzeri on ikinci proton salvosu ile hedeflere ateş eder. Bu enerjiye ulaşmak için parçacıkların 400.000 devir yaparak 60.000 kilometre yol kat etmesi gerekiyor! Yeni hızlandırıcı için yirmi bir kilometre uzunluğunda yer altı dairesel tüneli de burada inşa edildi.

Hızlandırıcıların Dubna veya Protvino'da piyasaya sürülmesi ilginçtir Sovyet zamanları sadece Moskova'da değil, komşu bölgelerde de elektriğin neredeyse tamamını sağladıklarından sadece geceleri gerçekleştirildi!

1973 yılında Amerikalı fizikçiler Batavia şehrinde parçacıkların 400 GeV'lik bir enerji verebildiği bir hızlandırıcıyı etkinleştirdiler ve ardından bunu 500 GeV'ye çıkardılar. Bugün en güçlü hızlandırıcı ABD'de bulunuyor. Altı kilometreden daha uzun olan halkasında, süperiletken mıknatısların yardımıyla protonların yaklaşık 1 teraelektronvolt (1 TeV, 1000 GeV'ye eşittir) enerji elde etmesi nedeniyle "Tevatron" adı verilmiştir.

Hızlandırılmış parçacıklardan oluşan bir ışın ile incelenen fiziksel nesnenin malzemesi arasında daha da yüksek bir etkileşim enerjisi elde etmek için, "hedefi" "mermiye" doğru hızlandırmak gerekir. Bunu yapmak için, özel hızlandırıcılar - çarpıştırıcılarda birbirlerine doğru uçan parçacık ışınlarının çarpışmasını düzenlerler. Tabii ki, çarpışan ışınlardaki parçacıkların yoğunluğu, sabit bir "hedef" malzemesindeki kadar yüksek değildir, sözde akümülatörler bunu arttırmak için kullanılır. Bunlar, hızlandırıcıdan gelen parçacıkların "bölümler halinde" atıldığı halka şeklindeki vakum odalarıdır. Depolama cihazları, parçacıkların enerji kaybını telafi eden hızlandırıcı sistemlerle donatılmıştır. Bilim adamları hızlandırıcıların daha da geliştirilmesini çarpıştırıcılarla ilişkilendiriyor. Şimdiye kadar sadece birkaçı inşa edildi ve bunlar dünyanın en gelişmiş ülkelerinde - ABD, Japonya, Almanya'da ve ayrıca İsviçre merkezli Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi'nde bulunuyor.

Modern bir hızlandırıcı, yoğun parçacık ışınlarının (elektronlar veya 2000 kat daha ağır protonlar) üretimi için bir "fabrikadır". Hızlandırıcıdan gelen bir parçacık ışını, deneyin amaçlarına göre seçilen bir "hedefe" yönlendirilir. Onunla çarpışmanın ardından çeşitli ikincil parçacıklar ortaya çıkar. Yeni parçacıkların doğuşu deneylerin amacıdır.

Özel cihazlar - dedektörler - yardımıyla bu parçacıklar veya izleri kaydedilir, hareket yörüngesi eski haline getirilir, parçacıkların kütlesi, elektrik yükü, hızı ve diğer özellikleri belirlenir. Daha sonra, dedektörlerden alınan bilgilerin karmaşık matematiksel işlenmesi yoluyla, etkileşimin tüm "geçmişi" bilgisayarlarda yeniden oluşturulur ve ölçüm sonuçları teorik modelle karşılaştırılarak sonuçlar çıkarılır: gerçek süreçlerin oluşturulan modelle örtüşüp örtüşmediği. ya da değil. Çekirdek içi parçacıkların özellikleri hakkında yeni bilgiler bu şekilde elde edilir.

Bir parçacığın hızlandırıcıda kazandığı enerji ne kadar yüksek olursa, "hedef" atom veya çarpıştırıcıdaki karşı parçacık üzerindeki etkisi o kadar güçlü olur, "parçalar" da o kadar küçük olur.

Örneğin Amerika Birleşik Devletleri'ndeki bir çarpıştırıcının yardımıyla, Evrenimizin başladığı varsayılan Büyük Patlama'yı laboratuvar koşullarında yeniden yaratmak için deneyler yapılıyor. Bu cesur deneyde aralarında Rusya'nın temsilcilerinin de bulunduğu yirmi ülkeden fizikçiler yer aldı. 2000 yazında bir Rus grup deneye doğrudan katıldı, hızlandırıcıda görev yaptı ve verileri aldı.

Bu deneye katılan Rus bilim adamlarından biri olan Fiziksel ve Matematik Bilimleri Adayı, MEPhI Doçenti Valery Mihayloviç Emelyanov şunları söylüyor: “New York'tan 60 mil uzakta, Long Island'da RHIC hızlandırıcısı inşa edildi - Relativistic Heavy İyon Çarpıştırıcısı - ağır göreli iyonlarda çarpıştırıcı. "Ağır" - çünkü bu yıl zaten altın atom çekirdeği ışınlarıyla çalışmaya başladı. “Görecelilik” de anlaşılabilir, özel görelilik teorisinin etkilerinin tüm ihtişamıyla ortaya çıktığı hızlardan bahsediyoruz. Ve buna "çarpıştırıcı" (çarpışmadan - çarpışmaya) denir çünkü halkasında yaklaşan çekirdek ışınlarının çarpışması meydana gelir. Bu arada ülkemizde bu tip hızlandırıcılar yok. Nükleon başına enerji 100 GeV'dir. Bu çok fazla; daha önce elde edilenin neredeyse iki katı. İlk fiziksel çatışma 25 Haziran 2000'de kaydedildi. Bilim adamlarının görevi, nükleer maddenin yeni bir durumunu, kuark-gluon plazmasını kaydetmeye çalışmaktı.

Emelyanov şöyle devam ediyor: "Sorun çok karmaşık ve matematiksel olarak genellikle yanlış: ikincil parçacıkların momentum ve hızlardaki aynı sabit dağılımının tamamen farklı nedenleri olabilir. Ve yalnızca bir sürü detektör, kalorimetre, yüklü parçacıkların çoklu sensörleri, geçiş radyasyonunu kaydeden sayaçlar vb. içeren ayrıntılı bir deneyle, özellikle kuark-gluon plazmasının doğasında bulunan en ince farkları kaydetme umudu var olabilir. Çekirdeklerin bu kadar yüksek enerjilerdeki etkileşim mekanizması başlı başına ilginç, ancak Evrenimizin kökenini ilk kez laboratuvar koşullarında inceleyebiliyor olmamız çok daha önemli.”

Disiplin yoluyla

"Modern doğa biliminin kavramları"

"konusuyla ilgili Parçacık hızlandırıcıları"

1. Giriş……………………………………………………………………………….3

2. Modern yüklü parçacık hızlandırıcıları………………………………...4

3. Temel parçacıkların incelenmesine yönelik bilimsel merkezler……………………7

4. Döngüsel hızlandırıcı…………………………………………………………15

5. Vuruşlarda lazer hızlandırıcı………………………………………………………..16

6. Sonuç………………………………………………………………………………..20

7. Referans listesi……………………………………………21

giriiş

Şu anda, yüklü parçacık hızlandırıcıları bilim ve teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır - onlarca keV'den (10 3 eV) birkaç TeV'ye (10) kadar yüksek enerjili yüklü parçacık ışınlarını (protonlar, elektronlar, antipartiküller, diğer atomların çekirdekleri) üretmek için tesisler 12 eV). Teknolojide, bu tür hızlandırıcılar izotop üretmek, malzemelerin yüzeylerini sertleştirmek ve yeni malzemeler üretmek, elektromanyetik radyasyon kaynakları (mikrodalgadan X-ışını radyasyonuna kadar) oluşturmak için kullanılır, tıpta vb. yaygın olarak kullanılır. Ancak daha önce olduğu gibi hızlandırıcıların ana uygulama alanları arasında nükleer fizik ve yüksek enerji fiziği yer alıyor. Modern yüklü parçacık hızlandırıcıları madde, enerji, uzay ve zaman üzerinde çalışan fizikçiler için ana bilgi kaynaklarıdır. Bugün bilinen temel parçacıkların büyük çoğunluğu Dünya'da doğal olarak bulunmuyor ve hızlandırıcılarda üretiliyor. Hızlandırıcı teknolojisinin geliştirilmesinde ve öncelikle yüklü parçacıkların hızlandırılabileceği enerjinin arttırılmasında ana teşvik, temel parçacık fiziğinin ihtiyaçlarıdır.

Modern yüklü parçacık hızlandırıcıları.

Modern yüksek enerji fiziğinde iki tür hızlandırıcı kurulumu kullanılmaktadır. Bir hızlandırıcı deneyinin geleneksel şeması şu şekildedir: yüklü parçacıklardan oluşan bir ışın, mümkün olan maksimum enerjiye kadar hızlandırılır ve ardından birçok temel parçacığın doğduğu parçacıklarla çarpışması üzerine sabit bir hedefe yönlendirilir. Ortaya çıkan parçacıkların parametrelerinin ölçümleri, modern temel parçacıklar teorisini test etmek (veya oluşturmak) için gerekli olan deneysel bilgi zenginliğini sağlar. Reaksiyonun etkinliği, kütle merkezi sisteminde hedefle çarpışan parçacığın enerjisi ile belirlenir. Görelilik teorisine göre, sabit bir hedef ve çarpışan parçacıkların aynı kalan kütleleri ile reaksiyon enerjisi

Burada E hedefe gelen parçacığın enerjisi, m 0 kütlesi, c ışık hızıdır. Böylece, 1000 GeV enerjiye kadar hızlandırılan bir proton, sabit bir hedefle çarpıştığında, yeni parçacıkların doğuşuna yalnızca 42 GeV enerji gider ve enerjinin büyük kısmı parçacıklara harcanır. kinetik enerji reaksiyonun bir sonucu olarak doğan parçacıklar.

20. yüzyılın 60'lı yıllarının sonlarında önerilen, reaksiyonun karşı hızlandırılmış yüklü parçacık ışınlarının (elektronlar ve pozitronlar, protonlar ve antiprotonlar, vb.) Çarpıştırılmasıyla gerçekleştirildiği çarpışan ışınlara (çarpıştırıcılara) dayanan hızlandırıcılar, önemli bir Reaksiyon enerjisinde kazanç. Çarpıştırıcılarda reaksiyonların enerjisi çarpışan parçacıkların enerjilerinin toplamına eşittir.

E 1 + E 2 , yani eşit parçacık enerjilerinde kazanç 2E/m 0 c 2'dir. Elbette, bir çarpıştırıcının verimliliği, sabit hedefi olan bir hızlandırıcınınkinden daha düşük çıkıyor, çünkü iki nadir ışının parçacıkları, bir ışının ve yoğun bir hedefin parçacıklarından çok daha az sıklıkla birbirleriyle çarpışıyor. Bununla birlikte, yüksek enerji fiziğindeki ana eğilim, giderek daha yüksek enerjilere doğru ilerlemektir ve günümüzün en büyük hızlandırıcılarının çoğu, rekor enerjilere ulaşmak için çarpışma sayısından fedakarlık eden çarpıştırıcılardır.

Modern yüklü parçacık hızlandırıcıları dünyadaki en büyük deneysel tesislerdir ve hızlandırıcıdaki parçacıkların enerjisi, boyutuyla doğrusal olarak ilişkilidir. Böylece Stanford Üniversitesi'nde (ABD) 50 GeV enerjiye sahip SLC doğrusal elektron hızlandırıcının uzunluğu 3 km, çevresi ise kendi adını taşıyan laboratuvarda 900 GeV enerjiye sahip Tevatron proton senkrotronudur. E. Fermi (Batavia, ABD) 6,3 km olup, Serpukhov'da inşa edilen 3 TeV enerji için tasarlanan UNK hızlandırıcı-depolama kompleksinin uzunluğu, Avrupa Teşkilatı'nın 27 kilometrelik hızlandırıcı tünelinde inşa edilmektedir. Cenevre'deki Nükleer Araştırma (CERN).

Hızlandırıcıların boyutlarının sürekli artması, fiziksel özellikler ile mali maliyetler arasında makul bir dengenin sınırına ulaşmış durumda ve hızlandırıcıların yapımını ulusal ölçekte bir soruna dönüştürüyor. Tamamen mühendislik çözümlerinin de sınırlarına yaklaştığını söyleyebiliriz. Hızlandırıcı teknolojisindeki daha fazla ilerlemenin, hızlandırıcıları daha kompakt ve inşası ve işletmesini daha ucuz hale getiren yeni yaklaşımlar ve fiziksel çözümlerin araştırılmasıyla ilişkilendirilmesi gerektiği açıktır. İkincisi de önemlidir, çünkü modern hızlandırıcıların enerji tüketimi küçük bir şehrin enerji tüketimine yakındır. Uygulamalı hızlandırıcı bilimi, modern fizik için ilginç ve son derece önemli bir sorun teşkil etmektedir. Değerli çözümler bulmak için radyofizik, plazma fiziği, kuantum elektroniği ve katı hal fiziğindeki yeni ilerlemelere yönelmek gerekiyor.

En umut verici olanı, parçacık hızlanma oranını artırmanın yollarını bulmaktır. Modern hızlandırıcılarda parçacık hızlandırma hızı, vakum sistemlerinde oluşturulabilecek hızlanan elektrik alanının maksimum yoğunluğu ile sınırlıdır. Bu değer bugün 50 MV/m'yi geçmiyor. Daha güçlü alanlarda, rezonatörün duvarlarında elektriksel bozulma olgusu meydana gelir ve alan enerjisini emen ve parçacıkların hızlanmasını önleyen plazma oluşumu meydana gelir. Gerçekte izin verilen maksimum yüksek frekans alanının büyüklüğü dalga boyuna bağlıdır. Modern hızlandırıcılar, dalga boyu 10 cm'den büyük olan elektrik alanlarını kullanır. Örneğin, 1 cm'lik bir dalga boyuna geçiş, izin verilen maksimum elektrik alanlarını birkaç kez artıracak ve dolayısıyla hızlandırıcının boyutunu azaltacaktır. Elbette bu avantajı gerçekleştirmek için, bu aralıkta, yüzlerce MW gücünde ve 100 ns'den daha kısa darbe süresine sahip elektromanyetik dalga darbeleri üretebilen ultra güçlü radyasyon kaynaklarının geliştirilmesi gerekmektedir. Bu, dünya çapında birçok araştırma merkezinin üzerinde çalıştığı büyük bir bilimsel ve teknik sorunu temsil etmektedir.

Bir başka olası yol ise geleneksel vakumlu mikrodalga rezonans sistemlerini terk etmek ve yüklü parçacıkları hızlandırmak için lazer radyasyonunu kullanmaktır. Modern lazerlerin yardımıyla, mikrodalga aralığındaki sınırlayıcı alanlardan çok daha yüksek yoğunlukta elektrik alanları oluşturmak mümkündür. Bununla birlikte, lazer radyasyonunun bir vakumda doğrudan kullanımı, bir dalganın bir parçacık ile rezonans Cherenkov etkileşiminin imkansızlığı nedeniyle yüklü parçacıkların gözle görülür bir şekilde hızlanması etkisinin elde edilmesine izin vermez, çünkü ışığın bir boşluktaki hızı her zaman daha büyüktür. parçacığın hızı. İÇİNDE son yıllar Gazlarda ve plazmada yüklü parçacıkları lazer radyasyonu ile hızlandırma yöntemleri aktif olarak araştırılmaktadır ve güçlü elektrik alanlarında maddenin iyonlaşması ve plazma oluşumu meydana geldiğinden, sonuçta yüklü parçacıkların yoğun lazer radyasyonu ile hızlandırılmasından bahsediyoruz. plazma.

Temel parçacıkların incelenmesi için bilimsel merkezler

Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü (IHEP)

Enstitünün kurulmasının temeli, dünyanın en büyük halka proton sinkrotronu olan (1972'ye kadar) Moskova yakınlarındaki Serpukhov kasabası yakınında bulunan Protvino'daki inşaattı. Bunda toplanan bilim merkezi Eşsiz bir deneysel teknik, bilim adamlarının maddenin yapısının derinliklerine nüfuz etmesine, insanın bilmediği temel parçacıkların sonsuz çeşitli ve gizemli dünyasının yasalarını anlamasına ve ortaya çıkarmasına olanak tanır.

Hızlandırıcı Ekim 1967'de piyasaya sürüldü. Bu hızlandırıcıda, protonlar başlangıçta bir gaz deşarjının sonucu olarak oluşur, daha sonra bir transformatörün yüksek voltajlı darbesinin elektrik alanı tarafından 760 KeV enerjiye kadar hızlandırılır ve doğrusal bir hızlandırıcıya girer. - ilk olarak 100 MeV enerjiye hızlandırıldıkları ve ardından ana halka hızlandırıcıya girdikleri enjektör İçinde protonlar halihazırda 76 GeV'lik bir enerjiye hızlandırılmıştır. Bir hızlandırıcı darbesindeki proton sayısı 3·10 12'dir. Darbeler her 7 saniyede bir tekrarlanır. Hızlandırıcının çapı 472 m'dir. Elektromıknatısların ağırlığı 20 bin tondur. Hızlandırıcının tükettiği güç ise 100 MW'tır. Hızlandırıcı, fiziksel araştırmalar için yılda 3000 - 4000 saat çalışmaktadır.

Bilim merkezinde, altında hızlandırıcı halkasının bulunduğu bir tümsek ve bir deney salonu bulunmaktadır. IHEP'te deneyler hem hızlandırıcının iç hedefi hem de çıkarılan parçacık ışınları üzerinde gerçekleştiriliyor.

PARÇACIK HIZLANDIRICI
elektrik ve manyetik alanların yardımıyla, termal enerjiyi önemli ölçüde aşan enerjiye sahip yönlendirilmiş elektron, proton, iyon ve diğer yüklü parçacık ışınlarının elde edildiği bir kurulum. Hızlanma süreci sırasında parçacık hızları genellikle ışık hızına yakın değerlere kadar artar. Şu anda, tıpta (radyasyon terapisi) ve endüstride (örneğin, yarı iletkenlere iyon implantasyonu için) çok sayıda küçük hızlandırıcı kullanılmaktadır. Büyük hızlandırıcılar esas olarak bilimsel amaçlar için kullanılır - nükleer altı süreçleri ve temel parçacıkların özelliklerini incelemek için
(ayrıca bkz. TEMEL PARÇACIKLAR). Kuantum mekaniğine göre, parçacıklardan oluşan bir ışın, ışık huzmesi gibi belirli bir dalga boyuyla karakterize edilir. Parçacıkların enerjisi ne kadar yüksek olursa, bu dalga boyu da o kadar kısa olur. Dalga boyu ne kadar kısa olursa incelenebilecek nesneler de o kadar küçük olur. daha büyük boyutlar hızlandırıcılar ve daha karmaşıktırlar. Mikro dünyaya ilişkin araştırmaların gelişmesi, sondalama ışınının enerjisinin arttırılmasını gerektirdi. Yüksek enerjili radyasyonun ilk kaynakları doğal radyoaktif maddelerdi. Ancak araştırmacılara yalnızca sınırlı sayıda parçacık, yoğunluk ve enerji verdiler. 1930'larda bilim insanları daha çeşitli ışınlar üretebilecek tesisler yaratmak için çalışmaya başladı. Şu anda, her türlü yüksek enerjili radyasyonun elde edilmesini mümkün kılan hızlandırıcılar bulunmaktadır. Örneğin X-ışınları veya gama ışınları gerekiyorsa, elektronlar hızlandırılır ve bunlar daha sonra bremsstrahlung veya sinkrotron radyasyon süreçlerinde fotonlar yayar. Nötronlar, uygun bir hedefin yoğun bir proton veya döteron ışınıyla bombardıman edilmesiyle üretilir. Nükleer parçacıkların enerjisi elektronvolt (eV) cinsinden ölçülür. Elektronvolt, bir temel yük (elektron yükü) taşıyan yüklü bir parçacığın, potansiyel farkı 1 V olan iki nokta arasındaki elektrik alanında hareket ederken elde ettiği enerjidir. (1 eV PARÇACIK HIZLANDIRICI 1.60219*10-19 J.) Hızlandırıcılar, Dünyanın en büyük hızlandırıcısında binlerce ila birkaç trilyon (10 12) elektron volt aralığında enerji elde etmek mümkündür.
Bir deneyde nadir görülen süreçleri tespit etmek için sinyal-gürültü oranının arttırılması gerekir. Bu da giderek daha yoğun radyasyon kaynakları gerektirir. Modern hızlandırıcı teknolojisinin son noktası iki ana parametre tarafından belirlenir: parçacık ışınının enerjisi ve yoğunluğu. Modern hızlandırıcılar çok sayıda ve çeşitli türde ekipman kullanır: yüksek frekanslı jeneratörler, yüksek hızlı elektronikler ve otomatik kontrol sistemleri, karmaşık teşhis ve kontrol cihazları, ultra yüksek vakum ekipmanı, güçlü hassas mıknatıslar (hem "geleneksel" hem de kriyojenik) ve karmaşık hizalama ve sabitleme sistemleri.
TEMEL İLKELER
Temel parçacık hızlandırma şeması üç aşamayı içerir:
1) ışın oluşumu ve enjeksiyonu, 2) ışının hızlanması ve 3) hedefe ışın çıkışı veya hızlandırıcının kendisinde çarpışan ışınların çarpışması. Herhangi bir hızlandırıcının başlangıç ​​elemanı, düşük enerjili parçacıkların (elektronlar, protonlar veya diğer iyonlar) yönlendirilmiş akışının kaynağını ve ışını kaynaktan çekip onu oluşturan yüksek voltajlı elektrotları ve mıknatısları içeren bir enjektördür. İlk hızlandırıcıların proton kaynaklarında, hidrojen gazı bir elektrik deşarjı bölgesinden veya sıcak bir filamentin yakınından geçiriliyordu. Bu koşullar altında hidrojen atomları elektronlarını kaybeder ve geriye yalnızca protonlar kalır. Bu yöntem (ve diğer gazlarla benzerleri), geliştirilmiş haliyle, proton ışınlarını (ve ağır iyonları) elde etmek için hala kullanılmaktadır. Kaynak, ortalama başlangıç ​​enerjisi, ışın akımı, enine boyutları ve ortalama açısal sapma ile karakterize edilen bir parçacık ışınını oluşturur. Enjekte edilen ışının kalitesinin bir göstergesi onun yayılımıdır, yani. ışın yarıçapının ürünü ve açısal sapması. Yayılım ne kadar düşük olursa, son yüksek enerjili parçacık ışınının kalitesi de o kadar yüksek olur. Optik ile benzer şekilde, parçacık akımının yayılıma bölünmesi (parçacık yoğunluğunun açısal sapmaya bölünmesine karşılık gelir), ışın parlaklığı olarak adlandırılır. Modern hızlandırıcıların birçok uygulaması mümkün olan en yüksek ışın parlaklığını gerektirir.
Işın ivmesi. Işın, bölmelerde oluşturulur veya bir elektrik alanının parçacıkların hızını ve dolayısıyla enerjisini arttırdığı bir veya daha fazla hızlandırıcı bölmeye enjekte edilir. İlk ve en basit hızlandırıcılarda, yüksek vakumlu bir odanın içinde oluşturulan güçlü bir elektrostatik alanda parçacıkların enerjisi artırılıyordu. Ulaşılabilecek maksimum enerji, hızlandırıcı izolatörlerinin elektriksel gücü ile belirlendi. Pek çok modern hızlandırıcıda, enerjileri 30 keV ila 1 MeV arasında olan elektron ve iyonların (uranyum iyonlarına kadar) elektrostatik hızlandırıcıları da enjektör olarak kullanılır. Yüksek gerilim üretmek günümüzde zor bir teknik sorun olmaya devam etmektedir. Paralel bağlı bir grup kondansatörün şarj edilmesi ve daha sonra bunların seri olarak bir dizi hızlandırıcı tüpe bağlanmasıyla elde edilebilir. Bu sayede 1932 yılında J. Cockcroft ve E. Walton 1 MV'a kadar gerilimler elde ettiler. Bu yöntemin önemli bir pratik dezavantajı, sistemin dış elemanlarına deneyciler için tehlikeli olan yüksek voltajın uygulanmasıdır. Yüksek voltaj üretmenin başka bir yöntemi 1931'de R. Van de Graaff tarafından icat edildi. Bir Van de Graaff jeneratöründe (Şekil 1), bir dielektrik bant şunları taşır: elektrik ücretleri Toprak potansiyelindeki bir voltaj kaynağından yüksek voltajlı bir elektrota, böylece toprağa göre potansiyeli artar. Tek kademeli Van de Graaff jeneratörü, 10 MV'a kadar voltaj elde etmenizi sağlar. Çok aşamalı yüksek voltajlı hızlandırıcılar kullanılarak 30 MeV'ye kadar enerjiye sahip protonlar elde edildi.

Gerekli olan sürekli bir ışın değil, yüksek enerjili parçacıkların kısa bir darbesi ise, o zaman yalıtkanların kısa bir süre için (bir mikrosaniyeden daha az) çok daha yüksek voltajlara dayanabilmesi gerçeğinin avantajından yararlanabilirsiniz. Anahtarlama diyotları, çok düşük empedanslı devrelerde kademe başına 15 MV'ye kadar gerilimlere izin verir. Bu, elektrostatik hızlandırıcılarda olduğu gibi onlarca miliamper değil, onlarca kiloamperlik ışın akımları elde etmeyi mümkün kılar. Normal yol yüksek voltajın elde edilmesi, bir kapasitör kümesinin önce paralel olarak şarj edildiği ve daha sonra seri olarak bağlandığı ve bir deşarj aralığından boşaltıldığı bir Marx puls üreteci devresine dayanmaktadır. Jeneratörden gelen yüksek voltaj darbesi, darbeyi üreten ve yükselme süresini ayarlayan uzun bir hatta girer. Hat, ışını hızlandıran elektrotlarla yüklüdür. Yüksek frekanslı hızlanma voltajında, hızlandırıcı tasarımı, sabit voltaja göre çok daha güçlü elektrik alanlarına arıza olmadan dayanabilir. Bununla birlikte, parçacıkları hızlandırmak için yüksek frekanslı alanların kullanımı, alanın işaretinin hızla değişmesi ve alanın ya hızlandığı ya da yavaşladığı ortaya çıkması nedeniyle karmaşık hale gelir. 1920'lerin sonlarında bu zorluğun üstesinden gelmek için şu anda çoğu hızlandırıcıda kullanılan iki yöntem önerildi.
DOĞRUSAL HIZLANDIRICILAR
Uzun, çok kademeli hızlandırıcılarda yüksek frekanslı elektrik alanlarının kullanılma ihtimali, böyle bir alanın sadece zamana göre değil uzaya göre de değişmesi gerçeğine dayanmaktadır. Herhangi bir anda alan kuvveti, uzaydaki konuma bağlı olarak sinüzoidal olarak değişir; Alanın uzaydaki dağılımı dalga şeklindedir. Ve uzayın herhangi bir noktasında zaman içinde sinüzoidal olarak değişir. Bu nedenle alan maksimumları uzayda faz hızı adı verilen hızla hareket eder. Sonuç olarak parçacıklar, yerel alanın onları her zaman hızlandıracağı şekilde hareket edebilir. Yüksek frekanslı alanlar ilk kez 1929'da Norveçli mühendis R. Videroe'nin birleştirilmiş yüksek frekanslı rezonatörlerden oluşan kısa bir sistemde iyonları hızlandırmasıyla doğrusal hızlandırıcı sistemlerinde kullanıldı. Rezonatörler, alanın faz hızı her zaman parçacıkların hızına eşit olacak şekilde tasarlanmışsa, hızlandırıcıdaki hareketi sırasında ışın sürekli olarak hızlanır. Bu durumda parçacıkların hareketi, bir sörfçünün dalganın tepesinde kaymasına benzer. Bu durumda ivmelenme sırasında proton veya iyonların hızı büyük ölçüde artabilir. Buna göre dalga fazlarının faz hızının artması gerekmektedir. Eğer elektronlar hızlandırıcıya ışık c hızına yakın bir hızla enjekte edilebiliyorsa, bu durumda faz hızı neredeyse sabittir: vfazı = c. Yüksek frekanslı elektrik alanının yavaşlama fazının etkisini ortadan kaldırmaya yönelik bir başka yaklaşım, bu yarım döngü sırasında ışını alandan koruyan metal bir yapının kullanılmasına dayanmaktadır. Bu yöntem ilk olarak E. Lawrence tarafından bir siklotronda kullanıldı (aşağıya bakınız); aynı zamanda Alvarez doğrusal hızlandırıcısında da kullanılır. İkincisi, bir dizi metal sürüklenme tüpü içeren uzun bir vakum tüpüdür. Her tüp, ışık hızına yakın bir hızda hızlanan bir voltaj dalgasının ilerlediği uzun bir hat aracılığıyla yüksek frekanslı bir jeneratöre seri olarak bağlanır (Şekil 2). Böylece tüm tüpler sırayla yüksek voltaj altındadır. Enjektörden uygun zamanda yayılan yüklü parçacık, birinci tüp yönünde hızlandırılarak belirli bir enerji elde edilir. Bu tüpün içinde parçacık sürüklenir, sabit bir hızla hareket eder. Tüpün uzunluğu doğru seçilirse, hızlanma voltajının bir dalga boyu ilerlediği anda tüp içinden çıkacaktır. Bu durumda ikinci tüpteki voltaj da hızlanacak ve yüzbinlerce volta ulaşacaktır. Bu işlem birçok kez tekrarlanır ve her aşamada parçacık ek enerji alır. Parçacıkların hareketinin alan değişimiyle senkronize olabilmesi için hız artışına göre tüplerin uzunluğunun da artması gerekir. Sonunda parçacık ışık hızına çok yakın bir hıza ulaşacak ve tüplerin maksimum uzunluğu sabit kalacaktır.

Alandaki uzaysal değişiklikler ışının zamansal yapısına kısıtlamalar getirir. Hızlanma alanı, herhangi bir sonlu ölçüdeki parçacıklar kümesi içinde değişiklik gösterir. Sonuç olarak, parçacık demetinin boyutu, hızlanan yüksek frekanslı alanın dalga boyuna kıyasla küçük olmalıdır. Aksi takdirde parçacıklar küme içinde farklı şekilde hızlanacaktır. Işın içinde çok fazla enerji yayılması, yalnızca manyetik merceklerdeki renk sapması nedeniyle ışının odaklanma zorluğunu arttırmakla kalmaz, aynı zamanda ışının belirli görevlerde kullanılma olasılığını da sınırlar. Enerji saçılımı ayrıca ışın parçacıkları demetinin eksenel yönde bulanıklaşmasına da yol açabilir. Başlangıç ​​hızı v0 ile hareket eden bir grup göreli olmayan iyonu ele alalım. Uzay yükünün neden olduğu boyuna elektrik kuvvetleri ışının baş kısmını hızlandırır, kuyruk kısmını ise yavaşlatır. Demetin hareketinin yüksek frekanslı bir alanla uygun şekilde senkronize edilmesiyle, demetin kuyruğunun başından daha fazla hızlanmasının elde edilmesi mümkündür. Hızlanma geriliminin ve ışının fazlarının bu şekilde eşleştirilmesiyle, uzay yükünün ve enerji yayılımının zayıflatma etkisini telafi etmek için ışının aşamalandırılması mümkündür. Sonuç olarak, demetin merkezi fazının belirli bir değer aralığında, parçacıkların belirli bir kararlı hareket fazına göre merkezlenmesi ve salınımları gözlenir. Otomatik fazlama adı verilen bu olay, doğrusal iyon hızlandırıcıları ve modern döngüsel elektron ve iyon hızlandırıcıları için son derece önemlidir. Ne yazık ki, otomatik fazlama, hızlandırıcı görev döngüsünü birden çok daha düşük değerlere düşürme pahasına elde edilir. Hızlanma süreci sırasında neredeyse tüm ışınlar iki nedenden dolayı yarıçapta bir artış eğilimi gösterir: parçacıkların karşılıklı elektrostatik itmesi nedeniyle ve enine (termal) hızların yayılması nedeniyle. Birinci eğilim, ışın hızının artmasıyla zayıflar, çünkü ışın akımının yarattığı manyetik alan, ışını sıkıştırır ve göreceli ışınlar durumunda, uzay yükünün radyal yönde odaklanma etkisini neredeyse telafi eder. Bu nedenle, bu etki iyon hızlandırıcıları durumunda çok önemlidir, ancak ışının göreceli hızlarda enjekte edildiği elektron hızlandırıcıları için neredeyse önemsizdir. Işın yayılımıyla ilişkili ikinci etki tüm hızlandırıcılar için önemlidir. Parçacıklar dört kutuplu mıknatıslar kullanılarak eksene yakın tutulabilir. Doğru, parçacıkları düzlemlerden birinde odaklayan tek bir dört kutuplu mıknatıs, onları diğerinde odak dışı bırakır. Ancak E. Courant, S. Livingston ve H. Snyder tarafından keşfedilen "güçlü odaklanma" ilkesi burada yardımcı oluyor: Bir uçuş boşluğuyla ayrılmış, alternatif odaklama ve odak dışılaştırma düzlemlerine sahip iki dört kutuplu mıknatıstan oluşan bir sistem, sonuçta tüm düzlemlerde odaklanmayı sağlar . Sürüklenme tüpleri, ışın enerjisinin birkaç megaelektronvolttan yaklaşık 100 MeV'ye yükseltildiği proton doğrusal hızlandırıcılarda hala kullanılmaktadır. Stanford Üniversitesi'nde (ABD) inşa edilen 1 GeV hızlandırıcı gibi ilk elektron doğrusal hızlandırıcıları da ışın 1 MeV düzeyinde bir enerjiyle enjekte edildiğinden sabit uzunlukta sürüklenme tüpleri kullandı. En büyüğü Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi'nde inşa edilen 3,2 km uzunluğunda 50 GeV hızlandırıcı olan daha modern elektron doğrusal hızlandırıcıları, ışının bir enerji artışıyla hızlandırılmasına olanak tanıyan bir elektromanyetik dalga üzerinde "elektron sörfü" ilkesini kullanır. Hızlandırıcı sistemin bir metresinde neredeyse 20 MeV. Bu hızlandırıcıda, klistron adı verilen büyük vakum cihazları tarafından yaklaşık 3 GHz frekansta yüksek frekanslı güç üretiliyor. En yüksek enerjiye sahip proton doğrusal hızlandırıcı eyaletteki Losalamos Ulusal Laboratuvarı'nda inşa edildi. New Mexico (ABD), yoğun pion ve müon ışınları üreten bir “mezon fabrikası” olarak. Bakır rezonatörleri, darbeli bir ışında 800 MeV enerjiye sahip 1 mA'ya kadar proton ürettiği için 2 MeV/m düzeyinde hızlanan bir alan oluşturur. Süper iletken yüksek frekanslı sistemler sadece protonları değil aynı zamanda ağır iyonları da hızlandırmak için geliştirildi. En büyük süper iletken proton doğrusal hızlandırıcı, Hamburg'daki (Almanya) Alman Elektron Sinkrotron (DESY) laboratuvarında HERA çarpışan ışın hızlandırıcı enjektörü olarak hizmet vermektedir.
DÖNGÜSEL HIZLANDIRICILAR
Proton siklotron.Çok zarif ve ekonomik yol sürekli olarak küçük enerji bölümleri vererek ışının hızlandırılması. Bunu yapmak için güçlü bir manyetik alan kullanılarak ışın dairesel bir yörüngede hareket etmeye ve aynı hızlanma aralığından birçok kez geçmeye zorlanır. Bu yöntem ilk kez 1930 yılında E. Lawrence ve S. Livingston tarafından icat ettikleri siklotronda uygulanmıştır. Sürüklenme tüplü doğrusal hızlandırıcılarda olduğu gibi, ışın, yavaşlatıcı olarak görev yaptığında yarım döngü sırasında elektrik alanın etkisinden korunur. Kütlesi m ve yükü q olan, hızına dik H manyetik alanında v hızıyla hareket eden yüklü bir parçacık, bu alanda yarıçapı R = mv/qH olan bir daireyi tanımlar. İvme v hızında bir artışa yol açtığından, R yarıçapı da artar. Böylece protonlar ve ağır iyonlar, yarıçapı giderek artan bir sarmalda hareket ederler. Yörünge boyunca her dönüşte ışın, yüksek frekanslı bir elektrik alanı tarafından etkilendiği yüksek voltajlı içi boş D şekilli elektrotlar olan dee'ler arasındaki boşluktan geçer (Şekil 3). Lawrence, göreli olmayan parçacıklar durumunda ışının boşluktan geçişleri arasındaki sürenin sabit kaldığını, çünkü hızlarındaki artışın yarıçaptaki artışla telafi edildiğini fark etti. Yüksek frekanslı alanın faz dışı olduğu devir periyodu sırasında ışın aralığın dışındadır. Dolaşım frekansı şu şekilde verilir:

f, MHz cinsinden alternatif voltajın frekansı, H, T cinsinden manyetik alan kuvveti ve mc2, MeV cinsinden parçacığın kütlesidir. Eğer H değeri ivmenin oluştuğu bölgede sabitse, o zaman f frekansının yarıçapa bağlı olmadığı açıktır.
(ayrıca bkz. LAWRENCE Ernest Orlando).

İyonları yüksek enerjilere hızlandırmak için yalnızca manyetik alanın ve yüksek voltaj voltajının frekansının rezonans koşulunu karşılaması gerekir; daha sonra parçacıklar doğru zamanda devir başına iki kez deeler arasındaki boşluktan geçecektir. Işını 10 keV'lik bir hızlanma voltajında ​​​​50 MeV'lik bir enerjiye hızlandırmak için 2500 devir gerekli olacaktır. Bir proton siklotronunun çalışma frekansı 20 MHz olabilir, dolayısıyla hızlanma süresi 1 ms düzeyindedir. Doğrusal hızlandırıcılarda olduğu gibi, siklotronda da hızlanma sırasında parçacıklar odaklanmalıdır. enine yön aksi takdirde mıknatısın kutup parçalarına paralel hızlarda enjekte edilenler hariç hepsi ivme döngüsünün dışına düşecektir. Bir siklotronda, parçacıkların açısal olarak sonlu bir yayılımla hızlandırılması olasılığı, manyetik alana, yörünge düzleminden ayrılan parçacıklara kuvvetlerin uygulandığı ve onları bu düzleme geri döndürdüğü özel bir konfigürasyon verilerek sağlanır. Ne yazık ki, bir grup hızlandırılmış parçacığın kararlılığına ilişkin gereksinimlere göre, manyetik alanın odaklama bileşeninin yarıçapın artmasıyla birlikte azalması gerekir. Bu da rezonans koşuluyla çelişmekte ve ışın yoğunluğunu sınırlayan etkilere yol açmaktadır. Basit bir siklotronun yeteneklerini azaltan bir diğer önemli faktör, parçacık enerjisindeki artışın gerekli bir sonucu olarak kütlenin göreceli büyümesidir:

Proton ivmelenmesi durumunda yaklaşık 10 MeV'lik rölativistik kütle artışı nedeniyle senkronizasyon bozulacaktır. Senkronizasyonu korumanın bir yolu, hızlanan voltajın frekansını, yörünge yarıçapı arttıkça ve parçacık hızı arttıkça azalacak şekilde modüle etmektir. Frekans yasaya göre değişmeli

Böyle bir senkrosiklotron, protonları birkaç yüz megaelektrovolt enerjiye kadar hızlandırabilir. Örneğin, manyetik alan kuvveti 2 T ise, parçacıklar 400 MeV enerjiye ulaştığında frekansın enjeksiyon anında yaklaşık 32 MHz'den 19 MHz veya daha azına düşmesi gerekir. Hızlanma voltajının frekansındaki bu tür bir değişiklik, birkaç milisaniyelik bir süre boyunca meydana gelmelidir. Parçacıklar en yüksek enerjiye ulaşıp hızlandırıcıdan uzaklaştırıldıktan sonra frekans orijinal değerine döner ve hızlandırıcıya yeni bir parçacık demeti eklenir. Ancak optimum mıknatıs tasarımıyla bile en iyi performans Yüksek frekanslı güç kaynağı sistemleri Siklotronların yetenekleri pratik nedenlerden dolayı sınırlıdır: yüksek enerjiye sahip hızlandırılmış parçacıkları yörüngede tutmak için son derece büyük mıknatıslara ihtiyaç vardır. Böylece Kanada'daki TRIUMPH laboratuvarında inşa edilen 600 MeV'lik siklotron mıknatısın kütlesi 2000 tonu aşıyor ve birkaç megavat mertebesinde elektrik tüketiyor. Bir sikrosiklotron inşa etmenin maliyeti yaklaşık olarak mıknatısın yarıçapının küpüyle orantılıdır. Bu nedenle pratikte kabul edilebilir maliyetlerle daha yüksek enerjilere ulaşmak için yeni hızlandırma ilkelerine ihtiyaç vardır.
Proton senkrotronu. Döngüsel hızlandırıcıların yüksek maliyeti, mıknatısın geniş yarıçapıyla ilişkilidir. Ancak parçacıkların enerjisi arttıkça manyetik alan şiddetini de artırarak parçacıkları sabit bir yarıçapta yörüngede tutmak mümkündür. Doğrusal bir hızlandırıcı, bu yörüngeye nispeten düşük enerjili bir parçacık ışınını enjekte eder. Sınırlandırma alanına yalnızca ışın yörüngesine yakın dar bir bölgede ihtiyaç duyulduğundan, yörünge alanının tamamını kaplayan mıknatıslara gerek yoktur. Mıknatıslar yalnızca halka şeklindeki vakum odası boyunca yerleştirilmiştir ve bu da büyük maliyet tasarrufu sağlar. Bu yaklaşım proton sinkrotronunda uygulandı. Bu tipteki ilk hızlandırıcı, 1952 yılında ABD'de Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda çalışmaya başlayan 3 GeV enerjili Cosmotron'du (Şekil 4); onu kısa süre sonra Laboratuvarda inşa edilen 6 GeV enerjili Bevatron izledi. Berkeley'deki California Lawrence Üniversitesi (ABD). Antiprotonu tespit etmek için özel olarak inşa edilmiş ve 39 yıl boyunca çalışarak parçacık hızlandırıcıların dayanıklılığını ve güvenilirliğini kanıtlamıştır.

ABD, İngiltere, Fransa ve SSCB'de üretilen ilk nesil senkrotronlarda odaklanma zayıftı. Bu nedenle, parçacıkların hızlanmaları sırasındaki radyal salınımlarının genliği büyüktü. Vakum odalarının genişliği yaklaşık 30 cm idi ve hala büyük olan bu hacimde manyetik alanın konfigürasyonunun dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi gerekiyordu. 1952'de ışın salınımlarını ve dolayısıyla vakum odasının boyutunu keskin bir şekilde azaltmayı mümkün kılan bir keşif yapıldı. Bu, güçlü veya sıkı odaklanma ilkesiydi. Güçlü bir odaklama düzeninde düzenlenmiş süper iletken dört kutuplu mıknatıslara sahip modern proton senkrotronlarda, vakum odasının çapı 10 cm'den daha az olabilir, bu da odaklama ve saptırma mıknatıslarının boyutunda, maliyetinde ve güç tüketiminde önemli bir azalmaya neden olur. Bu prensibe dayanan ilk senkrotron, Brookhaven'daki 30 GeV Alternatif Gradyan Senkrotron'du. Benzer bir tesis, Cenevre'deki Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü'nün (CERN) laboratuvarında da inşa edildi. 1990'ların ortalarında her iki hızlandırıcı da hâlâ çalışıyordu. Değişken Gradyan Sinkrotron'un açıklığı, Cosmotron'unkinden yaklaşık 25 kat daha küçüktü. Mıknatısın 30 GeV enerjide tükettiği güç, yaklaşık olarak Cosmotron mıknatısının 3 GeV'de tükettiği güce karşılık geliyordu. Değişken Gradyan Sinkrotron, darbe başına 6×1013 protonu hızlandırdı; bu, bu sınıftaki tesisler arasında en yüksek yoğunluğa karşılık geliyordu. Bu hızlandırıcıda odaklanma, ışını saptıran aynı mıknatıslar tarafından gerçekleştirildi; bu, mıknatısın kutuplarına Şekil 2'de gösterilen şeklin verilmesiyle sağlandı. 5. Modern hızlandırıcılar genellikle ışını saptırmak ve odaklamak için ayrı mıknatıslar kullanır.

LABORATUVAR IM. E. FERMI, Batavia (ABD) yakınında. Hızlandırıcının “Ana Halkasının” çevresi 6,3 km'dir. Halka, görüntünün ortasındaki dairenin 9 m altında yer almaktadır.

1990'ların ortasında, en büyük proton sinkrotronu Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'ndaki Tevatron'du. E. Fermi, Batavia'da (ABD). Adından da anlaşılacağı gibi Tevatron, çapı 2 km olan bir halkadaki proton demetlerini 1 TeV düzeyinde bir enerjiye hızlandırır. Proton hızlandırma, enjektör olarak Cockroft-Walton jeneratöründen başlayarak, 750 keV enerjiye sahip negatif hidrojen iyonlarının 400 MeV enerjiye sahip doğrusal bir hızlandırıcıya verildiği bütün bir hızlandırıcı sistemi tarafından gerçekleştirilir. Doğrusal hızlandırıcı ışın daha sonra elektronları soymak için bir karbon filmden geçirilir ve 150 m çapındaki bir ara sinkrotrona - bir güçlendiriciye - enjekte edilir. Güçlendiricide protonlar yaklaşık 20.000 devir yapar ve 8 GeV'lik bir enerji elde eder. Tipik olarak güçlendirici, 6,3 km halka uzunluğuna sahip başka bir proton senkrotronu olan Ana Halkaya 12 proton demetinin enjekte edilmesinin bir sonucu olarak hızlı bir şekilde birbirini izleyen 12 çalışma döngüsü gerçekleştirir. Protonların 150 GeV enerjiye hızlandırıldığı "ana halka", protonları saptıran ve odaklayan bakır sargılı 1000 sıradan mıknatıstan oluşur. “Ana Halka”nın hemen altında 1000 süper iletken mıknatıstan oluşan terminal sinkrotron “Tevatron” bulunmaktadır. Işın, harici deney salonlarındaki araştırmalar için 1,5-3 km'lik bir mesafe boyunca birçok kanaldan gönderilebilir. Daha yüksek enerjili ışınları yörüngede tutmak için daha güçlü saptırıcı ve odaklanan mıknatıslara ihtiyaç vardır. Nükleer altı "mikroskopi" için tasarlanan, 1 TeV'den daha yüksek enerjilerdeki proton sinkrotronları, birkaç santimetre genişliğinde bir açıklığa sahip, 5-15 m uzunluğunda binlerce süper iletken ve odaklama mıknatısı gerektirir ve zaman içinde son derece yüksek alan doğruluğu ve stabilite sağlar. Daha yüksek enerjilerde proton senkrotronların oluşumunu sınırlayan ana faktörler, büyük boyutlarıyla ilişkili yüksek maliyet ve kontrolün karmaşıklığıdır.
ÇARPIŞAN IŞINLI HIZLANDIRICILAR
Döngüsel çarpıştırıcılar. Hızlandırılmış bir parçacığın enerjisinin tamamı istenen reaksiyonu gerçekleştirmek için kullanılmaz. Bunun önemli bir kısmı, momentumun korunumu yasası nedeniyle hedef parçacığın yaşadığı geri tepme şeklinde gereksiz yere kaybolur. Gelen parçacığın enerjisi E ise ve hedef parçacığın dinlenme halindeki kütlesi M ise, o zaman yararlı enerji şöyle olur:

Dolayısıyla Tevatron'da hareketsiz bir hedefle yapılan deneylerde yararlı enerji yalnızca 43 GeV'dir. Parçacık araştırmalarında mümkün olan en yüksek enerjileri kullanma arzusu, CERN ve Laboratuvar'da yaratıma yol açtı. E. Fermi proton-antiproton çarpıştırıcılarının yanı sıra çok sayıda kurulum farklı ülkelerçarpışan elektron-pozitron ışınlarıyla. İlk proton çarpıştırıcısında, çevresi 1,6 km olan bir halkada 26 GeV enerjili proton ve antiprotonların çarpışması meydana geldi (Şekil 6). Sadece birkaç gün içinde 50 A'ya kadar akıma sahip ışınları biriktirmek mümkün oldu.

Şu anda, en yüksek enerjiye sahip çarpıştırıcı, 1 TeV enerjili bir proton ışınının aynı enerjiye sahip bir antiproton karşı ışınıyla çarpışması üzerine deneylerin yapıldığı Tevatron'dur. Bu tür deneyler, metal bir hedefi Ana Halkadan gelen yüksek enerjili proton ışınıyla bombardıman ederek elde edilebilecek antiprotonları gerektirir. Bu çarpışmalarda üretilen antiprotonlar ayrı bir halkada 8 GeV enerjide birikir. Yeterli antiproton toplandığında Ana Halkaya enjekte edilir, 150 GeV'ye hızlandırılır ve ardından Tevatron'a enjekte edilir. Burada protonlar ve antiprotonlar aynı anda tam enerjiye kadar hızlandırılır ve sonra çarpışır. Çarpışan parçacıkların toplam momentumu sıfırdır, dolayısıyla 2E enerjisinin tamamı faydalıdır. Tevatron durumunda neredeyse 2 TeV'ye ulaşıyor. Elektron-pozitron çarpıştırıcıları arasında en yüksek enerji, CERN'deki Büyük Elektron-Pozitron Depolama Halkasında elde edildi; burada çarpışan ışınların enerjisi başlangıçta ışın başına 50 GeV idi ve daha sonra ışın başına 100 GeV'ye çıkarıldı. HERA çarpıştırıcısı, elektronların protonlarla çarpışmasının meydana geldiği DESI'de inşa edildi. Enerjideki bu büyük kazanç, çarpışan düşük yoğunluklu ışın parçacıkları arasındaki çarpışma olasılığını önemli ölçüde azaltma pahasına geliyor. Çarpışmaların sıklığı parlaklıkla belirlenir, yani. belirli bir kesite sahip belirli bir türdeki reaksiyonun eşlik ettiği saniyedeki çarpışma sayısı. Parlaklık ışının enerjisine ve akımına doğrusal olarak bağlıdır ve yarıçapı ile ters orantılıdır. Çarpıştırıcı ışının enerjisi, incelenen fiziksel süreçlerin enerji ölçeğine göre seçilir. En yüksek parlaklığı sağlamak için, buluştukları noktada mümkün olan en yüksek ışın yoğunluğunu elde etmek gerekir. Bu nedenle, çarpıştırıcıları tasarlarken karşılaşılan temel teknik zorluk, ışınları buluşma noktalarında çok küçük bir noktaya odaklamak ve ışın akımını arttırmaktır. İstenilen parlaklığı elde etmek için 1 A'den fazla akım gerekli olabilir. Son derece zor olan bir diğer teknik problem, çarpıştırıcı odasında ultra yüksek bir vakum sağlama ihtiyacı ile ilgilidir. Işın parçacıkları arasındaki çarpışmalar nispeten nadiren meydana geldiğinden, artık gaz molekülleriyle çarpışmalar ışınları önemli ölçüde zayıflatabilir ve incelenen etkileşimlerin olasılığını azaltabilir. Ek olarak, ışınların artık gaz tarafından saçılması, dedektörde üzerinde çalışılan fiziksel süreci maskeleyebilen istenmeyen bir arka plan oluşturur. Çarpıştırıcı odasındaki vakum, parlaklığa bağlı olarak 10-9 - 10-7 Pa (10-11 - 10-9 mmHg) aralığında olmalıdır. Daha düşük enerjilerde, daha yoğun elektron ışınları hızlandırılabilir, bu da elektrozayıf etkileşimlerin neden olduğu B ve K mezonlarının nadir bozunumlarının incelenmesini mümkün kılar. Bazen "koku fabrikaları" olarak adlandırılan bu tür birkaç tesis şu anda ABD, Japonya ve İtalya'da inşa ediliyor. Bu tür kurulumlarda, elektronlar ve pozitronlar için, bir veya iki noktada kesişen etkileşim alanları için iki depolama halkası bulunur. Her halka, toplam akımı 1 A'dan fazla olan çok sayıda parçacık demetini içerir. Işınların enerjileri, yararlı enerjinin incelenen kısa ömürlü parçacıklara (B veya K mezonları) bozunan rezonansa karşılık gelecek şekilde seçilir. Bu tesislerin tasarımı bir elektron sinkrotronuna ve depolama halkalarına dayanmaktadır.
Doğrusal çarpıştırıcılar. Döngüsel elektron-pozitron çarpıştırıcılarının enerjileri, hızlandırılmış parçacıkların ışınları tarafından yayılan yoğun sinkrotron radyasyonu ile sınırlıdır (aşağıya bakınız). Bu dezavantaj, sinkrotron radyasyonunun hızlanma sürecini etkilemediği doğrusal çarpıştırıcılarda mevcut değildir. Doğrusal çarpıştırıcı, yüksek yoğunluklu ışınları (elektron ve pozitron) birbirine doğru yönlendirilen iki yüksek enerjili doğrusal hızlandırıcıdan oluşur. Kirişler yalnızca bir kez buluşup çarpışır ve ardından soğuruculara yönlendirilir. İlk doğrusal çarpıştırıcı, 3,2 km uzunluğundaki Stanford Doğrusal Hızlandırıcıyı kullanan ve 50 GeV'de çalışan "Stanford Doğrusal Çarpıştırıcısı"dır. Bu çarpıştırıcı sisteminde elektron ve pozitron demetleri aynı doğrusal hızlandırıcıda hızlandırılır ve ışınlar tam enerjiye ulaştığında ayrılır. Elektron ve pozitron demetleri daha sonra tıbbi bir stetoskopun tüpleri gibi şekillendirilen ayrı yaylar boyunca taşınır ve etkileşim bölgesinde yaklaşık 2 mikronluk bir çapa odaklanır.
Yeni teknolojiler. Daha ekonomik hızlandırma yöntemlerinin araştırılması, yeni hızlandırıcı sistemlerin ve 10 ila 35 GHz frekans aralığında çalışan yüksek güçlü yüksek frekanslı jeneratörlerin oluşturulmasına yol açmıştır. Elektron-pozitron çarpıştırıcılarının parlaklığı son derece yüksek olmalıdır çünkü süreçlerin kesiti parçacık enerjisinin karesi arttıkça azalır. Buna göre ışın yoğunluklarının son derece yüksek olması gerekir. Enerjisi 1 TeV düzeyinde olan bir doğrusal çarpıştırıcıda ışın boyutları 10 nm'ye ulaşabilir; bu, Stanford Doğrusal Çarpıştırıcısındaki ışın boyutlarından (2 μm) çok daha küçüktür. Bu kadar küçük ışın boyutlarıyla, odaklama elemanlarını doğru şekilde hizalamak için karmaşık elektronik otomatik kontrollere sahip çok güçlü, stabil mıknatıslar gerekir. Elektron ve pozitron ışınları birbirlerinden geçerken elektriksel etkileşimleri nötralize edilir ve manyetik etkileşim artar. Bunun sonucunda manyetik alanlar 10.000 Tesla'ya ulaşabilir. Bu tür devasa alanlar, ışınları büyük ölçüde deforme edebilir ve senkrotron radyasyonunun oluşması nedeniyle büyük bir enerji yayılmasına yol açabilir. Bu etkiler, giderek daha büyük makinelerin yapımıyla ilgili ekonomik kaygılarla birlikte, elektron-pozitron çarpıştırıcılarında elde edilebilecek enerjiye bir sınır koyacaktır.
ELEKTRONİK DEPOLAMA
Elektron senkrotronları, proton senkrotronlarıyla aynı prensiplere dayanmaktadır. Ancak bir tanesi sayesinde önemli özellik teknik olarak daha basittirler. Elektron kütlesinin küçüklüğü ışının ışık hızına yakın hızlarda enjekte edilmesini sağlar. Bu nedenle, enerjide daha fazla bir artış, hızda gözle görülür bir artışla ilişkili değildir ve ışına yaklaşık 10 MeV'lik bir enerji enjekte edilirse elektron senkrotronları, hızlanma voltajının sabit bir frekansında çalışabilir. Ancak bu avantaj, küçük elektron kütlesinin başka bir sonucu nedeniyle boşa çıkar. Elektron dairesel bir yörüngede hareket ettiğinden, ivmeyle (merkezcil) hareket eder ve bu nedenle senkrotron radyasyonu adı verilen fotonlar - radyasyon yayar. Senkrotron radyasyon gücü P, ışın enerjisinin E ve akımın I dördüncü kuvvetiyle orantılıdır ve ayrıca halka yarıçapı R ile ters orantılıdır, dolayısıyla (E/m)4IR-1 değeriyle orantılıdır. Elektron ışınının yörüngedeki her dönüşünde kaybedilen bu enerji, hızlanan boşluklara uygulanan yüksek frekanslı voltajla telafi edilmelidir. Yüksek yoğunluk için tasarlanan “aroma fabrikalarında” bu tür güç kayıpları onlarca megavatlara ulaşabiliyor. Elektron senkrotronları gibi döngüsel hızlandırıcılar, sabit yüksek enerjiye sahip büyük dolaşım akımları için depolama cihazları olarak da kullanılabilir. Bu tür depolama halkalarının iki ana uygulaması vardır: 1) yukarıda tartışıldığı gibi çarpışan ışın yöntemini kullanarak çekirdeklerin ve temel parçacıkların incelenmesinde ve 2) atom fiziği, malzeme bilimi, kimya, biyoloji ve tıpta kullanılan sinkrotron radyasyonunun kaynakları olarak. Sinkrotron ışınımının ortalama foton enerjisi (E/m)3R-1 ile orantılıdır. Böylece depolama halkasında dolaşan yaklaşık 1 GeV enerjiye sahip elektronlar, ultraviyole ve X-ışını aralığında yoğun sinkrotron radyasyonu yayar. Çoğu foton m/E mertebesinde dar bir dikey açı içerisinde yayılır. 1 GeV düzeyindeki modern enerji depolama cihazlarındaki elektron ışınlarının yarıçapı onlarca mikrometre cinsinden ölçüldüğünden, bunların yaydığı X-ışını radyasyonu ışınları yüksek parlaklıkla karakterize edilir ve bu nedenle güçlü bir çalışma aracı olarak hizmet edebilir. maddenin yapısı. Radyasyon elektronların kavisli yoluna teğet olarak yayılır. Sonuç olarak, elektron depolama halkasının her saptırıcı mıknatısı, içinden bir grup elektron geçtiğinde, açılan bir radyasyon "projektör ışını" yaratır. Depolama tankının ana vakum odasına teğet olan uzun vakum kanallarından boşaltılır. Bu kanallar boyunca yer alan yarıklar ve kolimatörler, monokromatörler kullanılarak gerekli X-ışını enerjisi aralığının izole edildiği dar ışınlar oluşturur. Sinkrotron radyasyonunun ilk kaynakları, başlangıçta yüksek enerji fiziğindeki sorunları çözmek için inşa edilmiş tesislerdi. Bir örnek, Stanford Synchrotron Radyasyon Laboratuvarı'ndaki Stanford 3 GeV pozitron-elektron depolama halkasıdır. Bir zamanlar bu tesiste "büyülenmiş" mezonlar keşfedildi. İlk senkrotron radyasyon kaynakları yüzlerce kullanıcının farklı ihtiyaçlarını karşılayacak esnekliğe sahip değildi. Hızlı büyüme Yüksek akı ve yüksek ışın yoğunluğuna sahip senkrotron radyasyonuna duyulan ihtiyaç, tüm olası kullanıcıların ihtiyaçlarını karşılamak üzere tasarlanmış ikinci nesil kaynakların ortaya çıkmasına neden oldu. Özellikle elektron ışınının yayılımını azaltmak için mıknatıs sistemleri seçilmiştir. Düşük emisyon anlamına gelir daha küçük boyutlarışın ve dolayısıyla radyasyon kaynağının daha yüksek parlaklığı. Bu neslin tipik temsilcileri, Brookhaven'daki sürücülerdi; bunlar, spektrumun vakumlu ultraviyole bölgesinde X-ışını radyasyonu ve radyasyon kaynağı olarak hizmet ediyordu. Radyasyonun parlaklığı, ışının periyodik bir manyetik yapıda sinüzoidal bir yol izlemeye zorlanması ve ardından her bir bükülmede üretilen radyasyonun birleştirilmesiyle de artırılabilir. Salınıcılar, bu tür bir hareketi sağlayan manyetik yapılardır; ışın ekseni üzerinde düz bir çizgide yer alan, ışını küçük bir açıyla saptıran bir dizi manyetik dipoldür. Böyle bir salındırıcıdan gelen radyasyonun parlaklığı, saptırıcı mıknatıslardan kaynaklanan radyasyonun parlaklığından yüzlerce kat daha yüksek olabilir. 1980'lerin ortalarında, çok sayıda bu tür dalgalandırıcıya sahip üçüncü nesil sinkrotron radyasyon kaynakları oluşturulmaya başlandı. İlk üçüncü nesil kaynaklar arasında Berkeley'deki yumuşak X-ışınları üreten 1,5 GeV Gelişmiş Işık Kaynağının yanı sıra Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndaki (ABD) 6 GeV Gelişmiş Foton Kaynağı ve Avrupa Synchrotron Radyasyon Tesisindeki 6 GeV Synchrotron yer alıyor. Sert X-ışını radyasyonu kaynağı olarak kullanılan Grenoble'da (Fransa). Bu tesislerin başarılı bir şekilde inşa edilmesinin ardından başka yerlerde bir dizi sinkrotron radyasyon kaynağı oluşturuldu. Kızılötesinden sert X-ışını aralığına kadar daha fazla parlaklığa doğru atılan yeni adım, saptırma mıknatısı sisteminde yaklaşık 1,5 Tesla'lık bir manyetik alan gücüne sahip "sıcak" manyetik dipollerin ve birkaç Tesla'lık bir alana sahip çok daha kısa süper iletken manyetik dipollerin kullanımını içerir. . Bu yaklaşım, İsviçre'deki P. Scherrer Enstitüsü'nde oluşturulan yeni bir sinkrotron radyasyon kaynağında ve kaynağın Berkeley'deki modernizasyonu sırasında uygulanıyor. Sinkrotron radyasyonunun bilimsel araştırmalarda kullanımı ivme kazanmış ve genişlemeye devam etmektedir. Bu tür X-ışını ışınlarının olağanüstü parlaklığı, biyolojik sistemlerin normal su ortamlarında incelenmesi için yeni nesil X-ışını mikroskoplarının oluşturulmasını mümkün kılar. Bu, patojenik faktörlere dar bir bakış açısıyla ve minimum düzeyde odaklanarak yeni farmasötiklerin geliştirilmesi için virüslerin ve proteinlerin yapısının hızlı bir şekilde analiz edilmesi olasılığını açar. yan etkiler. Parlak X-ışını ışınları, en küçük miktardaki yabancı maddeleri ve kirletici maddeleri bile tespit etmek için güçlü mikroplar olarak hizmet edebilir. Kirlilik yollarını araştırırken çevresel numunelerin çok hızlı bir şekilde analiz edilmesini mümkün kılarlar çevre. Ayrıca, çok karmaşık entegre devrelerin pahalı üretim sürecinden önce büyük silikon levhaların saflığını değerlendirmek için de kullanılabilirler ve prensipte 100 nm'den daha küçük özelliklere sahip entegre devrelerin oluşturulmasına izin vererek litografi tekniği için yeni ufuklar açarlar.
TIPTA HIZLANDIRICILAR
Hızlandırıcılar tıbbi tedavi ve teşhiste önemli bir pratik rol oynar. Artık dünyanın dört bir yanındaki birçok hastane, tümörleri tedavi etmek için kullanılan yoğun X-ışınları üreten küçük elektron doğrusal hızlandırıcıların emrindedir. Daha az ölçüde, proton ışınları üreten siklotronlar veya sinkrotronlar kullanılır. Tümör tedavisinde protonların X-ışını radyasyonuna göre avantajı, daha lokalize bir enerji salınımıdır. Bu nedenle, proton tedavisi özellikle çevredeki sağlıklı dokulara verilecek zararın mümkün olduğu kadar az olması gereken beyin ve göz tümörlerinin tedavisinde etkilidir. Ayrıca bakınız