Прискорювач заряджених частинок. Історія винаходу та виробництва

Безкоштовна технічна бібліотека

ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Безкоштовна бібліотека / Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас

Прискорювач заряджених частинок. Історія винаходу та виробництва

Історія техніки, технології, предметів довкола нас

Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас

Коментарі до статті

Сучасна фізика має випробуваний засіб проникати в таємниці атомного ядра - обстріляти його частинками або опромінити і подивитися, що з ним станеться. Для перших досліджень атома та її ядра вистачало енергії випромінювань, що виникають при природному розпаді радіоактивних елементів. Але незабаром цієї енергії виявилося недостатньо, і щоб ще глибше "зазирнути" в ядро, фізикам довелося замислитися над тим, як штучно створити потік частинок високих енергій.

Відомо, що потрапивши між електродами з різним зарядом, заряджена частка, наприклад, електрон або протон, прискорює рух під дією електричних сил. Це і породило 1930-ті роки ідею створення так званого лінійного прискорювача.

За конструкцією лінійний прискорювач являє собою довгу пряму трубку-камеру, усередині якої підтримується вакуум. По всій довжині камери розміщена велика кількість металевих трубок-електродів. Від спеціального генератора високої частоти на електроди подають змінну електричну напругу - так, що коли перший електрод виявляється зарядженим, допустимо позитивно, другий електрод буде заряджений негативно. Далі знову позитивний електрод, за ним – негативний.

Прискорювач заряджених частинок
Схема прискорювача Видерое з прогоновими трубками: 1 - прогонові трубки; 2 - джерело змінної напруги; 3 – область дії електричного поля Е.

Пучок електронів вистрілюється з електронної гармати в камеру і під дією потенціалу першого, позитивного електрода починає прискорюватися, проскакуючи крізь нього далі. У цей момент фаза напруги змінюється, і електрод, щойно заряджений позитивно, стає негативним. Тепер він відштовхує від себе електрони, ніби підганяючи їх ззаду. А другий електрод, ставши цей час позитивним, притягує електрони себе, ще більше прискорюючи їх. Потім, коли електрони пролетять крізь нього, він стане негативним і підштовхне їх до третього електрода.

Так у міру руху вперед електрони поступово розганяються, досягаючи до кінця камери навколосвітньої швидкості і набуваючи енергії в сотні мільйонів електрон-вольт. Через встановлене в кінці труби віконце, непроникне для повітря, порція прискорених електронів обрушується на об'єкти мікросвіту, що вивчаються, - атоми та їх ядра.

Неважко зрозуміти, що чим більша енергія, яку ми хочемо повідомити часткам, тим довшою має бути труба лінійного прискорювача – десятки, а то й сотні метрів. Але не завжди це можливо. Ось якби звернути трубу в компактну спіраль. Тоді такий прискорювач міг би вільно розміститися в лабораторії.

Втілити цю ідею у життя допомогло ще одне фізичне явище. Заряджена частка, потрапивши в магнітне поле, починає рухатися не прямою, а "завивається" навколо магнітних силових ліній. Так виник ще один тип прискорювача - циклотрон. Першим циклотрон був побудований ще в 1930 Е. Лоуренсом в США.

Прискорювач заряджених частинок
Циклотрон

Основна частина циклотрону – потужний електромагніт, між полюсами якого вміщена плоска циліндрична камера. Вона складається із двох напівкруглих металевих коробок, розділених невеликим зазором. Ці коробки – дуанти – служать електродами та з'єднані з полюсами генератора змінної напруги. У центрі камери знаходиться джерело заряджених частинок - щось на зразок електронної "гармати".

Прискорювач заряджених частинок
Схема циклотрону

Вилетівши з джерела, частка (припустимо, що тепер це позитивно заряджений протон) відразу ж притягується до електрода, зарядженого зараз негативно. Всередині електрода електричне поле відсутнє, тому частка летить у ньому за інерцією. Під впливом магнітного поля, силові лінії якого перпендикулярні площині траєкторії, частка описує півкола і підлітає до зазору між електродами. За цей час перший електрод стає позитивним і тепер виштовхує частинку, тоді як інший втягує її в себе. Так, переходячи з одного дуанта в інший, частка набирає швидкість і описує спіраль, що розкручується. З камери частки виводяться за допомогою спеціальних магнітів на цілі експериментаторів.

Чим ближче швидкість частинок в циклотроні підходить до швидкості світла, тим вони стають важчими і починають поступово відставати від електричної напруги, що змінює свій знак, на дуантах. Вони вже не потрапляють у такт електричним силам та перестають прискорюватися. Гранична енергія, яку вдається повідомити часткам циклотроні, становить 25-30 МеВ.

Щоб подолати цей бар'єр, частоту електричної напруги, що по черзі подається на дуанти, поступово зменшують, підлаштовуючи її в такт "отяжілим" частинкам. Прискорювач такого типу називається синхроциклотрон.

На одному з найбільших синхроциклотронів в Об'єднаному інституті ядерних досліджень у Дубні (під Москвою) отримують протони з енергією 680 МеВ та дейтрони (ядра важкого водню - дейтерію) з енергією 380 МеВ. Для цього потрібно було спорудити вакуумну камеру діаметром 3 метри та електромагніт масою 7000 тонн!

У міру того, як фізики все глибше проникали в структуру ядра, були потрібні частки все більш високих енергій. Виникла необхідність будувати ще потужніші прискорювачі - синхротрони і синхрофазотрони, у яких частки рухаються за спіралі, а замкненого кола в кільцевої камері. У 1944 незалежно один від одного радянський фізик В.І. Векслер та американський фізик Е.М. Макміллан відкрили принцип автофазування. Суть методу полягає в наступному: якщо певним чином підібрати поля, частки будуть весь час автоматично потрапляти у фазу з напругою, що прискорює. У 1952 році американські вчені Е. Курант, М. Лівінгстон і Х. Снайдер запропонували так зване жорстке фокусування, яке притискає частинки до осі руху. За допомогою цих відкриттів вдалося створити синхрофазотрони на скільки завгодно високі енергії.

Існує й інша система класифікації прискорювачів - на кшталт прискорюючого електричного поля. Високовольтні прискорювачі працюють за рахунок високої різниці потенціалів між електродами прискорюючого простору, що діє весь час, поки частки пролітають між електродами. В індукційних прискорювачах "працює" вихрове електричне поле, що індукується (порушується) у місці, де на даний момент знаходяться частинки. І, нарешті, в резонансних прискорювачах використовують змінне за часом і за величиною електричне поле, що прискорює, синхронно з яким, "в резонанс", відбувається прискорення всього "комплекту" частинок. Коли говорять про сучасні прискорювачі частинок на високі енергії, мають на увазі переважно кільцеві резонансні прискорювачі.

У ще одному виді прискорювачів – протонному – на дуже високі енергії до кінця періоду прискорення швидкість частинок наближається до швидкості світла. Вони звертаються круговою орбітою з постійною частотою. Прискорювачі для протонів найвищих енергій називають протонними синхротронами. Три найбільші розташовані в США, Швейцарії та Росії.

Енергія нині діючих прискорювачів досягає десятків і сотень гігаелектронвольт (1 ГеВ = 1000 МеВ). Один із найбільших у світі - протонний синхрофазотрон У-70 Інституту фізики високих енергій у місті Протвіно під Москвою, який вступив у дію в 1967 році. Діаметр прискорювального кільця становить півтора кілометри, загальна маса 120 магнітних секцій сягає 20000 10 тонн. Кожні дві секунди прискорювач вистрілює по мішенях залпом з 76 у дванадцятому ступені протонів з енергією 400000 ГеВ (четвертий показник у світі). Щоб досягти такої енергії, частки повинні здійснити 60000 оборотів, подолавши відстань XNUMX кілометрів! Тут же споруджено підземний кільцевий тунель завдовжки двадцять один кілометр для нового прискорювача.

Цікаво, що пуски прискорювачів у Дубні чи Протвіно за радянських часів проводилися лише ночами, оскільки на них подавалась чи не вся електроенергія не лише Московської, а й сусідніх областей!

У 1973 році американські фізики привели в дію в місті Батавії прискорювач, в якому часткам вдавалося повідомити енергію в 400 ГеВ, а потім довели її до 500 ГеВ. Сьогодні найпотужніший прискорювач знаходиться у США. Він називається "Теватрон", оскільки в його кільці довжиною більше шести кілометрів за допомогою надпровідних магнітів протони набувають енергію близько 1 тераелектронвольт (1 ТеВ дорівнює 1000 ГеВ).

Прискорювач заряджених частинок
Перегляд прискорювальний центр Fermilab, США. Теватрон (кільце на задньому плані) та кільце-інжектор

Щоб досягти ще вищої енергії взаємодії пучка прискорених частинок з матеріалом досліджуваного фізичного об'єкта, треба розігнати "мету" назустріч "снаряду". Для цього організують зіткнення пучків частинок, що летять назустріч один одному в спеціальних прискорювачах – колайдерах. Звичайно, щільність частинок у зустрічних пучках не така велика, як у матеріалі нерухомої "мішені", тому для її збільшення застосовують так звані накопичувачі. Це кільцеві вакуумні камери, які "порціями" вкидають частинки з прискорювача. Накопичувачі мають прискорюючі системи, що компенсують частинкам втрату енергії. Саме з колайдерами вчені пов'язують розвиток прискорювачів. Їх споруджено поки що лічені одиниці, і перебувають вони у найрозвиненіших країнах світу - у США, Японії, ФРН, а також у Європейському центрі ядерних досліджень, що базується у Швейцарії.

Сучасний прискорювач - це "фабрика" з виробництва інтенсивних пучків частинок - електронів або у 2000 разів більш важких протонів. Пучок частинок з прискорювача прямує на підібрану, з завдань експерименту, " мета " . При зіткненні з нею виникає безліч різноманітних вторинних частинок. Народження нових частинок і мета досвідів.

З допомогою спеціальних пристроїв - детекторів - ці частинки чи його сліди реєструють, відновлюють траєкторію руху, визначають масу частинок, електричний заряд, швидкість та інші характеристики. Потім шляхом складної математичної обробки інформації, отриманої з детекторів, на комп'ютерах відновлюють всю історію взаємодії і, зіставивши результати вимірювань з теоретичною моделлю, роблять висновки: збігаються реальні процеси з побудованою моделлю чи ні. Саме так здобувається нове знання про властивості внутрішньоядерних частинок.

Чим вища енергія, яку придбала частка в прискорювачі, тим сильніше вона впливає на атом "мішені" або на зустрічну частинку в колайдері, тим дрібнішими будуть "уламки".

За допомогою колайдера в США, наприклад, проводяться експерименти з метою відтворення в лабораторних умовах Великого вибуху, з якого, як передбачається, почався наш Всесвіт. У цьому сміливому експерименті брали участь фізики із двадцяти країн, серед яких були й представники Росії. Російська група влітку 2000 безпосередньо брала участь в експерименті, чергувала на прискорювачі, знімала дані.

Ось що говорить один з російських учених - учасників цього експерименту - кандидат фізико-математичних наук, доцент МІФІ Валерій Михайлович Ємельянов: "У 60 милях від Нью-Йорка, на острові Лонг-Айленд, був побудований прискорювач RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider - колайдер на важких релятивістських іонах "Тяжких" - оскільки вже цього року він почав працювати з пучками ядер атомів золота. "Релятивістських" - теж зрозуміло, йдеться про швидкості, при яких у всій красі виявляються ефекти спеціальної теорії відносності. А "колайдером" (від collide - стикатися) він називається тому, що в його кільці відбувається зіткнення зустрічних пучків ядер.До речі, в нашій країні прискорювачів такого типу немає.Енергія, яка припадає на один нуклон, становить 100 ГеВ. досягнутого. Перше фізичне зіткнення було зафіксовано 25 червня 2000 року. Завданням вчених було спробувати зареєструвати новий стан ядерної речовини – кварк-глюонну плазму.

"Завдання дуже складне, - продовжує Ємельянов, - а математично - взагалі некоректне: один і той же фіксований розподіл вторинних частинок за імпульсами і швидкостями може мати зовсім різні причини. І тільки при детальному експерименті, в якому задіяна маса детекторів, калориметри, датчики множинності заряджених частинок, лічильники, що реєструють перехідне випромінювання, і т.п., є надія зареєструвати найтонші відмінності, властиві саме кварк-глюонної плазмі.Механізм взаємодії ядер при настільки великих енергіях цікавий сам по собі, але важливіше, що вперше в лабораторних умовах досліджувати зародження нашого Всесвіту".

Автор: Муський С.А.

Рекомендуємо цікаві статті розділу Історія техніки, технології, предметів довкола нас:

▪ Тепловізійна діагностика

▪ Супорт

▪ Англійська шпилька

Дивіться інші статті розділу Історія техніки, технології, предметів довкола нас.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Танкер на повідку у змія 02.08.2003

Гамбурзький підприємець Штефан Враге пропонує використовувати для судноводіння потяг повітряного змія.

Ще сто років тому, в 1903 році, один французький спортсмен перетнув Ла-Манш на човні, який тягнув змій, а в наші дні змій може бути високотехнологічним. Ворог має намір зробити надувний змій розміром з футбольне поле, наповнений гелієм.

На висоті 500 метрів при вітрі він розвине тягу до 30 тонн, що дозволить тягнути на міцному синтетичному канаті танкер, контейнеровоз або лайнер. Керуватиме змієм комп'ютер.

Такий повітряний змій коштуватиме приблизно мільйон євро, але за рахунок економії палива щодня збереже до 14 тисяч євро. Система має бути готова до 2005 року.

Інші цікаві новини:

▪ Праска гладить вертикально

▪ 3D-принтер із зварювального апарату

▪ Татуювання стежить за здоров'ям

▪ Винайдено спосіб проти запотівання окулярів

▪ Слухаючи спів птахів, можна зменшити тривожність та депресію

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Антени. Добірка статей

▪ стаття Себастьян-Рош Ніколя де Шамфор. Знамениті афоризми

▪ стаття Хто може полетіти далі: леткі риби чи леткі кальмари? Детальна відповідь

▪ стаття Чабер запашний однорічний Легенди, вирощування, способи застосування