Un accelerator de particule încărcate este o clasă de dispozitive pentru producerea de particule încărcate (particule elementare , ioni ) de energii mari. Cele mai mari acceleratoare sunt instalații scumpe care necesită cooperare internațională. De exemplu, Large Hadron Collider (LHC) de la CERN , care este un inel lung de aproape 27 de kilometri, este rezultatul muncii a zeci de mii de oameni de știință din peste o sută de țări. LHC a făcut posibil ca protonii cu o energie totală de 13 TeV să se ciocnească în sistemul de centru de masă al particulelor care intră, ceea ce este un record mondial [1] .
Particulele accelerate de energii relativ scăzute sunt folosite pentru a obține o imagine pe un ecran TV sau un microscop electronic , pentru a obține raze X ( tuburi catodice ), pentru a distruge celulele canceroase și pentru a ucide bacteriile. Atunci când accelerează particulele încărcate la energii de peste 1 megaelectronvolt (MeV), acestea sunt folosite pentru a studia structura micro-obiectelor (de exemplu, nucleele atomice ) și natura forțelor fundamentale . Într-o serie de instalații numite colidere , pentru a crește eficiența utilizării energiei particulelor, fasciculele acestora se ciocnesc (contra-grinzi) [2] .
Funcționarea acceleratorului se bazează pe interacțiunea particulelor încărcate cu câmpurile electrice și magnetice . Un câmp electric este capabil să lucreze asupra unei particule, adică să-i mărească energia. Câmpul magnetic, care creează forța Lorentz , deviază doar particula fără a-și schimba energia și stabilește orbita de-a lungul căreia se mișcă particulele.
Din punct de vedere structural, acceleratoarele pot fi împărțite în mod fundamental în două grupuri mari. Acestea sunt acceleratoare liniare , în care fasciculul de particule trece prin golurile de accelerare o dată, și acceleratorii ciclici , în care fasciculele se deplasează de-a lungul curbelor închise (de exemplu, cercuri), trecând prin golurile de accelerare de mai multe ori. De asemenea, se pot clasifica acceleratoarele în funcție de destinația lor: colisionare , surse de neutroni , amplificatoare, surse de radiație sincrotron , instalații pentru terapia cancerului , acceleratoare industriale .
Din punct de vedere ideologic, cel mai simplu accelerator liniar. Particulele sunt accelerate de un câmp electric constant și se deplasează în linie dreaptă prin camera de vid de-a lungul căreia se află electrozii de accelerație. Accelerația particulelor încărcate are loc printr-un câmp electric care este constant sau se modifică ușor în timpul întregului timp de accelerare a particulelor. Un avantaj important al unui accelerator de înaltă tensiune în comparație cu alte tipuri de acceleratoare este posibilitatea de a obține o răspândire mică de energie a particulelor accelerate într-un câmp electric uniform și constant în timp. Acest tip de acceleratoare se caracterizează printr-o eficiență ridicată (până la 95%) și posibilitatea de a crea centrale relativ simple de mare putere (500 kW și mai mult), ceea ce este foarte important atunci când acceleratoarele sunt utilizate în scopuri industriale.
Acceleratoarele de înaltă tensiune pot fi împărțite în patru grupe în funcție de tipul de generatoare care creează tensiune înaltă:
Accelerația la acest tip de mașini are loc printr-un câmp electric vortex, care este creat de inele feromagnetice cu înfășurări instalate de-a lungul axei fasciculului.
Accelerator liniar rezonantDeseori denumit și LINAC (prescurtare de la LINEar ACcelerator). Accelerația are loc de câmpul electric al rezonatoarelor de înaltă frecvență . Acceleratorii liniari sunt cel mai adesea folosiți pentru accelerarea primară a particulelor obținute dintr-un tun de electroni sau o sursă de ioni. Cu toate acestea, ideea unui colisionar liniar cu energie completă nu este nouă. Principalul avantaj al linacurilor este posibilitatea de a obține emisii ultramici și absența pierderilor de energie din cauza radiațiilor, care cresc proporțional cu puterea a patra a energiei particulelor.
Un accelerator ciclic în care particulele sunt accelerate de un câmp electric vortex indus de o modificare a fluxului magnetic închis de orbita fasciculului. Deoarece pentru a crea un câmp electric vortex este necesar să se schimbe câmpul magnetic al miezului, iar câmpurile magnetice din mașinile nesupraconductoare sunt de obicei limitate de efectele saturației cu fier la un nivel de ~20 kG, există o limită superioară pentru energia maximă a betatronului. Betatronii sunt folosiți în principal pentru a accelera electronii la energii de 10-100 MeV (energia maximă atinsă în betatron este de 300 MeV).
Primul betatron a fost dezvoltat și creat de Wideröe în 1928 , pe care, totuși, nu a reușit să îl lanseze. Primul betatron de încredere a fost creat de D. V. Kerst abia în 1940-1941 în SUA .
CiclotronÎntr-un ciclotron, particulele sunt injectate în apropierea centrului unui magnet cu un câmp uniform la o viteză inițială scăzută. În plus, particulele se rotesc într-un câmp magnetic într-un cerc în interiorul a doi electrozi goali, așa-numiții. dees cărora li se aplică o tensiune electrică alternativă. Particula este accelerată la fiecare rotație de câmpul electric din decalajul dintre dee. Pentru aceasta, este necesar ca frecvența modificării polarității tensiunii la nivelul deeurilor să fie egală cu frecvența revoluției particulei. Cu alte cuvinte, ciclotronul este un accelerator rezonant . Este clar că odată cu creșterea energiei, raza traiectoriei particulelor va crește până când părăsește magnetul.
Ciclotronul este primul dintre acceleratorii ciclici. A fost proiectat și construit pentru prima dată în 1930 de Lawrence și Livingston , pentru care primul a fost distins cu Premiul Nobel în 1939 . Până acum, ciclotronii au fost folosiți pentru a accelera particulele grele la energii relativ scăzute, până la 50 MeV/nucleon.
MicrotronEste, de asemenea, un accelerator de multiplicitate variabilă. Un accelerator ciclic rezonant cu un câmp magnetic de antrenare constant, ca cel al unui ciclotron, și o frecvență a tensiunii de accelerare. Ideea microtronului este de a face din creșterea timpului de revoluție a particulelor, care se obține datorită accelerației la fiecare rotație, un multiplu al perioadei de oscilație a tensiunii de accelerare.
FAGUn accelerator cu o constantă (ca într-un ciclotron), dar câmp neomogen și o frecvență variabilă a câmpului accelerator.
Phasotron (sincrociclotron)Diferența fundamentală față de ciclotron este frecvența câmpului electric care se modifică în timpul accelerației. Acest lucru permite, datorită autofazării , creșterea energiei maxime a ionilor accelerați în comparație cu valoarea limită pentru ciclotron. Energia în fazotroni ajunge la 600-700 MeV.
SincrofazotronAccelerator ciclic cu o lungime constantă a orbitei de echilibru. Pentru ca particulele să rămână pe aceeași orbită în timpul accelerației, atât câmpul magnetic principal, cât și frecvența câmpului electric de accelerare se modifică.
SincrotronUn accelerator ciclic cu o lungime constantă a orbitei și o frecvență constantă a câmpului electric de accelerare, dar cu un câmp magnetic de antrenare variabil.
Accelerator-recuperatorÎn esență, acesta este un linac, dar fasciculul nu este lăsat în jos după utilizare, ci este direcționat către structura de accelerare în faza „greșită” și încetinește, redând energie. În plus, există acceleratoare recuperatoare multi-pass, unde fasciculul, conform principiului microtronului, face mai multe treceri prin structura acceleratoare (eventual pe diferite căi), mai întâi câștigând energie, apoi returnându-o.
Sursă specializată de radiații X coerente.
Accelerator pe fasciculele care se ciocnesc. Instalații pur experimentale, al căror scop este studierea proceselor de coliziune a particulelor de înaltă energie.
| acceleratori de particule | ||
|---|---|---|
| De proiectare |
| |
| Prin programare | ||