Osakeste kiirendi on seade, mis loob valguselähedasel kiirusel liikuvate elektriliselt laetud aatomi- või subatomaarsete osakeste kiire. Selle töö põhineb nende energia suurenemisel elektrivälja poolt ja trajektoori muutumisel – magnetilisel teel.
Mille jaoks on osakeste kiirendid?
Neid seadmeid kasutatakse laialdaselt erinevates teaduse ja tööstuse valdkondades. Tänapäeval on neid üle 30 tuhande üle maailma. Füüsiku jaoks on osakeste kiirendid abivahendiks aatomite struktuuri, tuumajõudude olemuse ja tuumade omaduste kohta, mida looduses ei esine. Viimaste hulka kuuluvad transuraan ja muud ebastabiilsed elemendid.
Tühjendustoru abil sai võimalikuks konkreetse laengu määramine. Osakeste kiirendajaid kasutatakse ka radioisotoopide tootmisel, tööstuslikus radiograafias, kiiritusravis, bioloogiliste materjalide steriliseerimisel ja radiosüsinikus.analüüs. Suurimaid installatsioone kasutatakse fundamentaalsete vastastikmõjude uurimisel.
Laetud osakeste eluiga puhkeolekus kiirendi suhtes on lühem kui valguskiirusele lähedase kiiruseni kiirendatud osakeste eluiga. See kinnitab SRT ajavahemike suhtelisust. Näiteks CERNis saavutati 29-kordne müüonite eluea pikenemine kiirusel 0,9994c.
Selles artiklis käsitletakse osakeste kiirendi toimimist, selle väljatöötamist, erinevaid tüüpe ja eripära.
Kiirenduse põhimõtted
Sõltumata sellest, milliseid osakeste kiirendeid te teate, on neil kõigil ühised elemendid. Esiteks peab neil kõigil olema televisiooni kineskoobi puhul elektronide allikas või suuremate installatsioonide puhul elektronid, prootonid ja nende antiosakesed. Lisaks peavad neil kõigil olema elektriväljad osakeste kiirendamiseks ja magnetväljad nende trajektoori kontrollimiseks. Lisaks on talade pika eluea tagamiseks vajalik osakeste kiirendi vaakum (10-11 mm Hg), st minimaalne jääkõhu kogus. Ja lõpuks, kõigil paigaldistel peavad olema vahendid kiirendatud osakeste registreerimiseks, loendamiseks ja mõõtmiseks.
Generation
Elektrone ja prootoneid, mida kõige sagedamini kasutatakse kiirendites, leidub kõigis materjalides, kuid esm alt tuleb need neist eraldada. Tavaliselt genereeritakse elektronetäpselt nagu kineskoobis – seadmes, mida nimetatakse "relvaks". See on katood (negatiivne elektrood) vaakumis, mida kuumutatakse punktini, kus elektronid hakkavad aatomitest lahti murdma. Negatiivselt laetud osakesed tõmbuvad anoodile (positiivsele elektroodile) ja läbivad väljalaskeava. Püstol ise on ka kõige lihtsam kiirendi, kuna elektronid liiguvad elektrivälja mõjul. Katoodi ja anoodi vaheline pinge on tavaliselt vahemikus 50-150 kV.
Lisaks elektronidele sisaldavad kõik materjalid prootoneid, kuid ainult vesinikuaatomite tuumad koosnevad üksikutest prootonitest. Seetõttu on prootonikiirendite osakeste allikaks gaasiline vesinik. Sel juhul gaas ioniseeritakse ja prootonid väljuvad läbi augu. Suurtes kiirendites toodetakse prootoneid sageli negatiivsete vesinikuioonidena. Need on täiendava elektroniga aatomid, mis on kaheaatomilise gaasi ionisatsiooni saadus. Algstaadiumis on lihtsam töötada negatiivselt laetud vesinikioonidega. Seejärel lastakse need enne kiirenduse viimast etappi läbi õhukese fooliumi, mis jätab nad ilma elektronidest.
Kiirendus
Kuidas osakestekiirendid töötavad? Kõigi nende peamine omadus on elektriväli. Lihtsaim näide on ühtlane staatiline väli positiivsete ja negatiivsete elektripotentsiaalide vahel, mis on sarnane elektriaku klemmide vahelisele. Sellisesväljas, negatiivset laengut kandvale elektronile mõjub jõud, mis suunab selle positiivse potentsiaali poole. Ta kiirendab teda ja kui seda ei takista miski, suureneb tema kiirus ja energia. Traadis või isegi õhus positiivse potentsiaali suunas liikuvad elektronid põrkuvad aatomitega ja kaotavad energiat, kuid kui nad on vaakumis, siis anoodile lähenedes nad kiirenevad.
Pinge elektroni alg- ja lõppasendi vahel määrab ära elektroni omandatud energia. Liikudes läbi potentsiaalide erinevuse 1 V, võrdub see 1 elektronvoldiga (eV). See võrdub 1,6 × 10-19 džauliga. Lendava sääse energia on triljon korda suurem. Kineskoobis kiirendatakse elektrone üle 10 kV pingega. Paljud kiirendid saavutavad palju suurema energia, mõõdetuna mega-, giga- ja teraelektronvoltides.
Sordid
Mõned esimest tüüpi osakeste kiirendid, nagu pingekordisti ja Van de Graaffi generaator, kasutasid kuni miljonivoldise potentsiaaliga tekitatud konstantseid elektrivälju. Nii kõrge pingega pole lihtne töötada. Praktilisem alternatiiv on madalate potentsiaalide poolt tekitatud nõrkade elektriväljade korduv toime. Seda põhimõtet kasutatakse kahte tüüpi kaasaegsetes kiirendites – lineaarsetes ja tsüklilistes (peamiselt tsüklotronides ja sünkrotronides). Lineaarsed osakeste kiirendid, lühid alt, lasevad need üks kord läbi jadakiirendavad väljad, samas kui tsüklilises liiguvad nad korduv alt mööda ringikujulist rada läbi suhteliselt väikeste elektriväljade. Mõlemal juhul sõltub osakeste lõppenergia väljade koosmõjust, nii et paljud väikesed "löögid" annavad kokku ühe suure koosmõju.
Lineaarse kiirendi korduv struktuur elektriväljade tekitamiseks hõlmab loomulikult pigem vahelduvvoolu kui alalispinge kasutamist. Positiivselt laetud osakesed kiirendatakse negatiivse potentsiaali suunas ja saavad positiivsest möödudes uue tõuke. Praktikas peaks pinge muutuma väga kiiresti. Näiteks 1 MeV energial liigub prooton väga suurel kiirusel 0,46 valguse kiirust, läbides 1,4 m 0,01 ms jooksul. See tähendab, et mitme meetri pikkuse korduva mustri korral peavad elektriväljad muutma suunda vähem alt 100 MHz sagedusel. Laetud osakeste lineaarsed ja tsüklilised kiirendid kiirendavad neid reeglina vahelduvate elektriväljade abil sagedusega 100–3000 MHz, st vahemikus raadiolainetest mikrolaineteni.
Elektromagnetlaine on vahelduvate elektri- ja magnetväljade kombinatsioon, mis võnguvad üksteisega risti. Kiirendi põhipunkt on laine reguleerimine nii, et osakese saabudes oleks elektriväli suunatud vastav alt kiirendusvektorile. Seda saab teha seisulainega – suletud ahelas vastassuundades liikuvate lainete kombinatsiooniga.ruum, nagu helilained orelipillis. Valguse kiirusele lähenevate väga kiiresti liikuvate elektronide alternatiiviks on liikuv laine.
Autofaseerimine
Vahelduvas elektriväljas kiirendamisel on oluline efekt "automaatne faasimine". Ühes võnketsüklis läheb vahelduv väli nullist maksimumväärtuse kaudu uuesti nullini, langeb miinimumini ja tõuseb nullini. Seega läbib see kiirendamiseks vajaliku väärtuse kaks korda. Kui kiirendusosake saabub liiga vara, siis piisava tugevusega väli seda ei mõjuta ja tõuge on nõrk. Kui ta järgmisesse sektsiooni jõuab, jääb ta hiljaks ja kogeb tugevamat mõju. Selle tulemusena toimub automaatne faasimine, osakesed on igas kiirenduspiirkonnas väljaga faasis. Teine efekt oleks nende koondamine aja jooksul pigem tükkideks, mitte pidevaks vooguks.
Kiire suund
Magnetväljad mängivad olulist rolli ka laetud osakeste kiirendi töös, kuna need võivad muuta oma liikumise suunda. See tähendab, et nende abil saab talasid mööda ringikujulist rada "painutada", nii et need läbivad mitu korda sama kiirenduslõiku. Lihtsamal juhul mõjub ühtlase magnetvälja suuna suhtes täisnurga all liikuv laetud osake jõudristi nii selle nihke vektori kui ka väljaga. See paneb kiire liikuma mööda ringtrajektoori, mis on väljaga risti, kuni see väljub oma toimealast või hakkab sellele mõjuma mõni muu jõud. Seda efekti kasutatakse tsüklilistes kiirendites nagu tsüklotron ja sünkrotron. Tsüklotronis tekitab suur magnet konstantse välja. Osakesed liiguvad nende energia kasvades spiraalselt väljapoole, kiirendades iga pöördega. Sünkrotronis liiguvad kimbud ümber konstantse raadiusega rõnga ning osakeste kiirenedes suureneb rõnga ümber elektromagnetite tekitatud väli. "Painutavad" magnetid on dipoolid, mille põhja- ja lõunapoolus on painutatud hobuseraua kujul, et kiir saaks nende vahelt läbi minna.
Elektromagnetite teine oluline ülesanne on koondada kiired nii, et need oleksid võimalikult kitsad ja intensiivsed. Fookusmagneti lihtsaim vorm on nelja poolusega (kaks põhja- ja kaks lõunapoolset) üksteise vastas. Nad suruvad osakesi tsentri poole ühes suunas, kuid võimaldavad neil levida risti. Neljapooluselised magnetid fokuseerivad kiiret horisontaalselt, võimaldades sellel vertikaalselt fookusest välja minna. Selleks tuleb neid kasutada paarikaupa. Täpsemaks teravustamiseks kasutatakse ka keerukamaid, rohkemate poolustega (6 ja 8) magneteid.
Osakeste energia kasvades suureneb neid suunava magnetvälja tugevus. See hoiab tala samal rajal. Tromb sisestatakse rõngasse ja seda kiirendatakseenergiat, enne kui seda saab eemaldada ja katsetes kasutada. Sissetõmbamine saavutatakse elektromagnetitega, mis lülituvad sisse, et suruda osakesed sünkrotronirõngast välja.
Kokkupõrge
Meditsiinis ja tööstuses kasutatavad osakeste kiirendid toodavad peamiselt kindlal eesmärgil, näiteks kiiritusraviks või ioonide implanteerimiseks mõeldud kiirt. See tähendab, et osakesi kasutatakse üks kord. Paljude aastate jooksul kehtis sama alusuuringutes kasutatavate kiirendite kohta. Kuid 1970. aastatel töötati välja rõngad, milles kaks kiirt ringlevad vastassuundades ja põrkuvad kogu ahela ulatuses. Selliste paigaldiste peamine eelis seisneb selles, et laupkokkupõrke korral läheb osakeste energia otse nendevahelise interaktsiooni energiaks. See on vastuolus sellega, mis juhtub siis, kui kiir põrkub paigal oleva materjaliga: sel juhul kulub suurem osa energiast sihtmaterjali liikuma panemiseks vastav alt impulsi säilivuse põhimõttele.
Mõned põrkuvad talad on ehitatud kahe rõngaga, mis lõikuvad kahes või enamas kohas ja milles sama tüüpi osakesed ringlevad vastassuundades. Levinud on osakeste ja antiosakestega põrkajad. Antiosakesel on temaga seotud osakesele vastupidine laeng. Näiteks positron on positiivselt laetud, elektron aga negatiivselt. See tähendab, et elektroni kiirendav väli aeglustab positroni,liiguvad samas suunas. Aga kui viimane liigub vastupidises suunas, siis see kiireneb. Samamoodi paindub magnetvälja liikuv elektron vasakule ja positron paremale. Aga kui positron liigub tema poole, siis tema tee kaldub ikkagi paremale, kuid mööda sama kõverat nagu elektron. Üheskoos tähendab see, et need osakesed võivad liikuda mööda sünkrotroni rõngast samade magnetite toimel ja neid kiirendada samad vastassuunalised elektriväljad. Paljud põrketalade võimsamad põrkajad on loodud selle põhimõtte järgi, kuna vaja on ainult ühte gaasipedaali.
Sünkrotronis olev kiir ei liigu pidev alt, vaid on ühendatud "klompideks". Need võivad olla mitme sentimeetri pikkused ja kümnendiku millimeetri läbimõõduga ning sisaldada umbes 1012 osakest. See on väike tihedus, kuna selle suurusega aine sisaldab umbes 1023 aatomit. Seetõttu on kiirte ja vastutulevate kiirte ristamisel vaid väike võimalus, et osakesed interakteeruvad üksteisega. Praktikas jätkavad kimbud mööda rõngast liikumist ja kohtuvad uuesti. Sügav vaakum osakeste kiirendis (10-11 mmHg) on vajalik selleks, et osakesed saaksid ringelda mitu tundi ilma õhumolekulidega kokku põrkamata. Seetõttu nimetatakse rõngaid ka akumulatiivseteks, kuna kimpe hoitakse neis tegelikult mitu tundi.
Registreeru
Osakestekiirendid suudavad enamasti registreerida, mis millal juhtubkui osakesed tabavad sihtmärki või teist vastassuunas liikuvat kiirt. Televisioonikineskoobis löövad püstoli elektronid ekraani sisepinnale fosforit ja kiirgavad valgust, mis loob seega edastatud pildi uuesti. Kiirendites reageerivad sellised spetsialiseeritud detektorid hajutatud osakestele, kuid need on tavaliselt mõeldud elektriliste signaalide genereerimiseks, mida saab arvutiandmeteks teisendada ja arvutiprogrammide abil analüüsida. Ainult laetud elemendid tekitavad materjali läbides elektrilisi signaale, näiteks erutavate või ioniseerivate aatomite kaudu, ja neid saab otse tuvastada. Neutraalseid osakesi, nagu neutronid või footonid, saab tuvastada kaudselt nende laetud osakeste käitumise kaudu, mille nad liikuma panevad.
Spetsialiseeritud detektoreid on palju. Mõned neist, nagu Geigeri loendur, loevad lihts alt osakesi, samas kui teisi kasutatakse näiteks radade salvestamiseks, kiiruse mõõtmiseks või energiahulga mõõtmiseks. Kaasaegsed detektorid on erineva suuruse ja tehnoloogiaga alates väikestest laenguga ühendatud seadmetest kuni suurte traadiga täidetud gaasiga täidetud kambriteni, mis tuvastavad laetud osakeste tekitatud ioniseeritud jäljed.
Ajalugu
Osakeste kiirendid töötati välja peamiselt aatomituumade ja elementaarosakeste omaduste uurimiseks. Alates 1919. aastal Briti füüsiku Ernest Rutherfordi poolt lämmastiku tuuma ja alfaosakese vahelise reaktsiooni avastamisest on kõik tuumafüüsika alased uuringud kuni1932 veedeti heeliumi tuumadega, mis vabanesid looduslike radioaktiivsete elementide lagunemisest. Looduslike alfaosakeste kineetiline energia on 8 MeV, kuid Rutherford arvas, et raskete tuumade lagunemise jälgimiseks tuleb neid kunstlikult kiirendada veelgi suuremate väärtusteni. Tol ajal tundus see raske. Kuid 1928. aastal Georgy Gamow (Saksamaa Göttingeni ülikoolist) tehtud arvutus näitas, et kasutada saab palju väiksema energiaga ioone, mis stimuleeris katseid ehitada rajatis, mis tagaks tuumauuringuteks piisava kiire.
Teised selle perioodi sündmused näitasid põhimõtteid, mille järgi osakestekiirendeid ehitatakse tänapäevani. Esimesed edukad katsed kunstlikult kiirendatud ioonidega viisid Cockcroft ja W alton läbi 1932. aastal Cambridge'i ülikoolis. Pingekordisti abil kiirendasid nad prootoneid 710 keV-ni ja näitasid, et viimased reageerivad liitiumi tuumaga, moodustades kaks alfaosakest. 1931. aastaks oli Robert van de Graaff New Jerseys Princetoni ülikoolis ehitanud esimese suure potentsiaaliga rihma elektrostaatilise generaatori. Cockcroft-W altoni pingekordajaid ja Van de Graaffi generaatoreid kasutatakse endiselt kiirendite toiteallikatena.
Lineaarse resonantskiirendi põhimõtet demonstreeris Rolf Wideröe 1928. aastal. Saksamaal Aachenis asuvas Reini-Westfaali Tehnikaülikoolis kasutas ta kõrget vahelduvpinget, et kiirendada naatriumi- ja kaaliumiioonide energiat kaks korda.ületab nende poolt teatatud. 1931. aastal kasutasid USA-s Ernest Lawrence ja tema assistent David Sloan California ülikoolist Berkeley kõrgsagedusvälju elavhõbeda ioonide kiirendamiseks energiani, mis ületab 1,2 MeV. See töö täiendas Wideröe raskete osakeste kiirendit, kuid ioonkiired ei olnud tuumauuringutes kasulikud.
Magnetresonantskiirendi ehk tsüklotroni mõtles Lawrence välja Wideröe installatsiooni modifikatsioonina. Lawrence Livingstoni õpilane demonstreeris tsüklotroni põhimõtet 1931. aastal, tootes 80 keV ioone. 1932. aastal teatasid Lawrence ja Livingston prootonite kiirendusest üle 1 MeV. Hiljem 1930. aastatel jõudis tsüklotronite energia umbes 25 MeV-ni ja Van de Graaffi generaatorite energia umbes 4 MeV-ni. 1940. aastal ehitas Donald Kerst, rakendades tähelepanelike orbitaalarvutuste tulemusi magnetite kavandamisel, Illinoisi ülikoolis esimese betatroni, magnetilise induktsiooni elektronkiirendi.
Moodne füüsika: osakestekiirendid
Pärast Teist maailmasõda arenes kiiresti edasi teadus osakeste kiirendamisest suure energiani. Selle algatasid Edwin Macmillan Berkeleys ja Vladimir Veksler Moskvas. 1945. aastal kirjeldasid mõlemad iseseisv alt faasistabiilsuse põhimõtet. See kontseptsioon pakub vahendit stabiilsete osakeste orbiitide säilitamiseks tsüklilises kiirendis, mis eemaldas prootonite energia piirangu ja võimaldas luua elektronide jaoks magnetresonantskiirendeid (sünkrotroneid). Autofaas, faasistabiilsuse põhimõtte rakendamine, on leidnud kinnitust pärast ehitamistväike sünkrotsüklotron California ülikoolis ja sünkrotron Inglismaal. Varsti pärast seda loodi esimene prootonite lineaarresonantskiirendi. Seda põhimõtet on kasutatud kõigis sellest ajast saadik ehitatud suurtes prootonite sünkrotronides.
Aastal 1947 ehitas William Hansen California Stanfordi ülikoolis mikrolainetehnoloogia abil esimese lineaarse liikuva lainega elektronide kiirendi, mis töötati välja II maailmasõja ajal radari jaoks.
Uuringute edusamme tegi võimalikuks prootonite energia suurendamine, mis viis üha suuremate kiirendite ehitamiseni. Selle suundumuse on peatanud tohutute rõngamagnetite valmistamise kõrge hind. Suurim kaalub umbes 40 000 tonni. Võimalusi energia suurendamiseks ilma masinaid suurendamata demonstreerisid 1952. aastal Livingston, Courant ja Snyder vahelduva teravustamise tehnikas (mõnikord nimetatakse seda ka tugevaks teravustamiseks). Sellel põhimõttel põhinevad sünkrotronid kasutavad senisest 100 korda väiksemaid magneteid. Sellist teravustamist kasutatakse kõigis kaasaegsetes sünkrotronides.
1956. aastal mõistis Kerst, et kui hoida kahte osakeste komplekti ristuvatel orbiitidel, võib täheldada nende kokkupõrget. Selle idee rakendamine nõudis kiirendatud kiirte akumuleerimist tsüklites, mida nimetatakse ladustamiseks. See tehnoloogia võimaldas saavutada osakeste maksimaalse interaktsioonienergia.
