Бөлүкчөлөрдүн ылдамдаткычы – жарыкка жакын ылдамдыкта кыймылдаган электрдик заряддуу атомдук же субатомдук бөлүкчөлөрдүн шооласын түзүүчү түзүлүш. Анын иши электр талаасы менен алардын энергиясынын көбөйүшүнө жана траекториясынын магниттик өзгөрүшүнө негизделген.
Бөлүкчөлөрдүн тездеткичтери эмне үчүн?
Бул приборлор илимдин жана өндүрүштүн түрдүү тармактарында кеңири колдонулат. Бүгүнкү күндө дүйнө жүзү боюнча алардын 30 миңден ашууну бар. Физик үчүн бөлүкчөлөрдүн тездеткичтери атомдордун түзүлүшүн, ядролук күчтөрдүн табиятын жана ядролордун жаратылышта кездешпеген касиеттерин фундаменталдуу изилдөөлөрдүн куралы катары кызмат кылат. Акыркыларына трансуран жана башка туруксуз элементтер кирет.
Чыгуучу түтүктүн жардамы менен белгилүү зарядды аныктоо мүмкүн болду. Бөлүкчөлөрдүн тездеткичтери ошондой эле радиоизотопторду өндүрүүдө, өнөр жай рентгенографиясында, нурлануу терапиясында, биологиялык материалдарды стерилизациялоодо жана радиокарбондо колдонулат.талдоо. Эң чоң орнотуулар фундаменталдык өз ара аракеттенишүүнү изилдөөдө колдонулат.
Тынчтык абалындагы заряддалган бөлүкчөлөрдүн ылдамдаткычка салыштырмалуу өмүрү жарык ылдамдыгына жакын ылдамдыкка жеткен бөлүкчөлөрдүн өмүрүнө караганда азыраак. Бул SRT убакыт интервалдарынын салыштырмалуулугун тастыктайт. Мисалы, CERNде 0,9994c ылдамдыкта мюондордун жашоо мөөнөтүн 29 эсеге көбөйтүүгө жетишилди.
Бул макалада бөлүкчөлөрдүн тездеткичинин кантип иштеши, анын өнүгүшү, ар кандай түрлөрү жана айырмалоочу өзгөчөлүктөрү талкууланат.
Ылдамдатуу принциптери
Кайсы бөлүкчөлөрдүн тездеткичтерин билесиз, алардын бардыгынын жалпы элементтери бар. Биринчиден, алардын баарында телекөрсөтүү кинескопунда электрондордун булагы же чоңураак түзүлүштөр үчүн электрондор, протондор жана алардын антибөлүкчөлөрү болушу керек. Мындан тышкары, алардын баарында бөлүкчөлөрдү тездетүү үчүн электр талаалары жана траекториясын башкаруу үчүн магниттик талаалар болушу керек. Кошумчалай кетсек, бөлүкчөлөрдүн тездеткичиндеги вакуум (10-11 мм Hg), б.а. калган абанын минималдуу көлөмү, нурлардын узак иштөө мөөнөтүн камсыз кылуу үчүн зарыл. Жана, акырында, бардык орнотуулар тездетилген бөлүкчөлөрдү каттоо, эсептөө жана өлчөө үчүн каражаттарга ээ болушу керек.
Муун
Акселераторлордо эң көп колдонулган электрондор жана протондор бардык материалдарда кездешет, бирок адегенде алардан бөлүп алуу керек. Электрондор көбүнчө түзүлөткинескоптогудай эле - "мылтык" деп аталган аппаратта. Бул вакуумдагы катод (терс электрод), ал электрондор атомдордон ажырай баштаганга чейин ысыйт. Терс заряддуу бөлүкчөлөр анодго (оң электрод) тартылып, розеткадан өтөт. Мылтыктын өзү да эң жөнөкөй тездеткич, анткени электрондор электр талаасынын таасири астында кыймылдайт. Катод менен аноддун ортосундагы чыңалуу адатта 50-150 кВ арасында болот.
Электрондордон тышкары бардык материалдарда протондор бар, бирок суутек атомдорунун ядролору жалгыз протондордон турат. Ошондуктан протондук тездеткичтер үчүн бөлүкчөлөрдүн булагы газ түрүндөгү суутек болуп саналат. Бул учурда газ иондоштурулуп, протондор тешик аркылуу чыгып кетет. Чоң тездеткичтерде протондор көбүнчө терс суутек иондору катары өндүрүлөт. Алар эки атомдуу газдын иондошуусунун продуктусу болгон кошумча электрону бар атомдор. Терс заряддуу суутек иондору менен алгачкы этапта иштөө оңой. Андан кийин алар тездетүүнүн акыркы этабына чейин электрондордон ажыраган жука фольгадан өткөрүлөт.
Ылдамдатуу
Бөлүкчөлөрдүн тездеткичтери кантип иштейт? Алардын ар биринин негизги өзгөчөлүгү - электр талаасы. Эң жөнөкөй мисал - бул электрдик батареянын терминалдарынын ортосунда болгон сыяктуу, оң жана терс электр потенциалдарынын ортосундагы бирдиктүү статикалык талаа. Ушундайталаасында, терс зарядды алып жүргөн электрон аны оң потенциалга багыттоочу күчкө дуушар болот. Ал аны тездетет жана буга тоскоол боло турган эч нерсе жок болсо, анын ылдамдыгы жана энергиясы жогорулайт. Зымда, жада калса абада оң потенциалга карай жылып бараткан электрондор атомдор менен кагылышып, энергияны жоготот, бирок алар вакуумда болсо, анодго жакындаганда тездейт.
Электрондун баштапкы жана акыркы абалынын ортосундагы чыңалуу ал алган энергияны аныктайт. 1 В потенциалдар айырмасы аркылуу өткөндө ал 1 электрон вольтко (эВ) барабар болот. Бул 1,6 × 10-19 джоулга барабар. Учуучу чиркейдин энергиясы триллион эсе көп. Кинескопто электрондор 10 кВ жогору чыңалуу менен ылдамдалат. Көптөгөн акселераторлор мега-, гига- жана тераэлектронвольт менен өлчөнгөн алда канча жогору энергияга жетишишет.
Сорттор
Чыңалуу көбөйткүч жана Ван де Граф генератору сыяктуу бөлүкчөлөрдүн тездеткичтеринин эң алгачкы түрлөрүнүн кээ бирлери миллион вольтко чейинки потенциалдар тарабынан түзүлгөн туруктуу электр талааларын колдонушкан. Мындай жогорку чыңалуу менен иштөө оңой эмес. Көбүрөөк практикалык альтернатива – төмөн потенциалдар менен пайда болгон алсыз электр талааларынын кайталануучу аракети. Бул принцип азыркы тездеткичтердин эки тиби – сызыктуу жана циклдик (негизинен циклотрондордо жана синхротрондордо) колдонулат. Сызыктуу бөлүкчөлөрдүн тездеткичтери, кыскача айтканда, аларды ырааттуулук менен бир жолу өткөрүшөттездетүүчү талаалар, ал эми циклдик талаада алар салыштырмалуу кичинекей электр талаалары аркылуу тегерек жол менен кайра-кайра жылышат. Эки учурда тең бөлүкчөлөрдүн акыркы энергиясы талаалардын бириккен таасиринен көз каранды, андыктан көптөгөн майда "токкондор" кошулуп, бир чоңдун биргелешкен эффектин берет.
Электр талаасын түзүү үчүн сызыктуу тездеткичтин кайталануучу түзүмү табигый түрдө DC чыңалуусун эмес, AC колдонууну камтыйт. Оң заряддуу бөлүкчөлөр терс потенциалга карай ылдамдашат жана оңдон өтүп кетсе жаңы импульс алышат. Иш жүзүндө, чыңалуу абдан тез өзгөрүшү керек. Мисалы, 1 МэВ энергияда протон жарыктын ылдамдыгынан 0,46 өтө жогорку ылдамдыкта, 0,01 мс ичинде 1,4 м жол жүрөт. Бул бир нече метр узундуктагы кайталануучу схемада электр талаалары жок дегенде 100 МГц жыштыкта багытын өзгөртүшү керек дегенди билдирет. Заряддалган бөлүкчөлөрдүн сызыктуу жана циклдик тездеткичтери, эреже катары, аларды 100дөн 3000 МГцге чейинки жыштыктагы, башкача айтканда, радиотолкундардан микротолкундарга чейинки өзгөрмө электр талаасынын жардамы менен тездетет.
Электромагниттик толкун - бул бири-бирине перпендикуляр термелүүчү электр жана магнит талаасынын өзгөрмөлүү жыйындысы. Ылдамдаткычтын негизги пункту бөлүкчө келгенде, электр талаасы ылдамдануу векторуна ылайык багытталгандай кылып толкунду тууралоо болуп саналат. Муну туруктуу толкун менен жасоого болот - жабык циклде карама-каршы багытта жүргөн толкундардын айкалышы.мейкиндик, орган түтүкчөсүндөгү үн толкундары сыяктуу. Жарыктын ылдамдыгына жакындаган өтө тез кыймылдаган электрондор үчүн альтернатива - кыдыруучу толкун.
Автофазалоо
Өзгөрмө электр талаасында ылдамдануудагы маанилүү эффект "автофазалоо" болуп саналат. Термелүүнүн бир циклинде алмашуучу талаа нөлдөн максималдуу мааниге кайра нөлгө өтөт, минимумга түшүп, нөлгө чейин көтөрүлөт. Ошентип, ал эки жолу ылдамдатуу үчүн зарыл болгон мааниден өтөт. Эгерде ылдамдаткыч бөлүкчө өтө эрте келсе, анда ага жетиштүү күч талаасы таасир этпейт жана түртүү алсыз болот. Ал кийинки бөлүмгө жеткенде, ал кечигип калат жана күчтүүрөөк таасирге ээ болот. Натыйжада, автофаза пайда болот, бөлүкчөлөр ар бир тездетүү аймактагы талаа менен фазада болот. Дагы бир эффект аларды үзгүлтүксүз агымга эмес, убакыттын өтүшү менен топторго топтоо болот.
Нур багыты
Магниттик талаалар заряддуу бөлүкчөлөрдүн тездеткичинин иштешинде да маанилүү роль ойнойт, анткени алар кыймылынын багытын өзгөртө алат. Бул алар бир эле тездетүүчү участок аркылуу бир нече жолу өтүшү үчүн, аларды тегерек жол боюндагы устундарды "бүгүрүү" үчүн колдонсо болот дегенди билдирет. Эң жөнөкөй учурда, бир тектүү магнит талаасынын багытына туура бурчта кыймылдаган заряддуу бөлүкчө күчкө дуушар болот.анын жылышынын векторуна да, талаага да перпендикуляр. Бул нур анын аракет аймагынан чыкмайынча же ага башка күч аракет кыла баштаганга чейин талаага перпендикуляр тегерек траектория боюнча жылышын шарттайт. Бул эффект циклотрон жана синхротрон сыяктуу циклдик тездеткичтерде колдонулат. Циклотрондо чоң магнит тарабынан туруктуу талаа пайда болот. Бөлүкчөлөр энергиясы өскөн сайын сыртка бурулуп, ар бир айлануу менен ылдамдайт. Синхротрондо тутамдар туруктуу радиусу бар шакекченин айланасында кыймылдашат жана бөлүкчөлөр ылдамдаган сайын шакекченин тегерегиндеги электромагниттер жараткан талаа көбөйөт. "Ийилүүчү" магниттер түндүк жана түштүк уюлдары ат така формасында ийилген диполдор, алардын арасынан нур өтө алат.
Электромагниттердин экинчи маанилүү функциясы - нурларды мүмкүн болушунча тар жана интенсивдүү кылып топтоо. Фокустоочу магниттин эң жөнөкөй түрү бири-бирине карама-каршы турган төрт уюл (эки түндүк жана эки түштүк). Алар бөлүкчөлөрдү борборду көздөй бир багытта түртүшөт, бирок перпендикуляр багытта таралышына шарт түзөт. Төрт полюс магниттери нурду горизонталдуу багыттап, анын фокусунан вертикалдуу чыгып кетишине мүмкүндүк берет. Бул үчүн алар жупташып колдонулушу керек. Так фокустоо үчүн уюлдары (6 жана 8) болгон татаалыраак магниттер да колдонулат.
Бөлүкчөлөрдүн энергиясы көбөйгөн сайын аларды жетектеген магнит талаасынын күчү да өсөт. Бул нурду ошол эле жолдо кармап турат. Уюган шакекчеге киргизилет жана тездетилгенаны алып салуу жана эксперименттерде колдонуу үчүн зарыл болгон энергия. Тартуу синхротрондук шакекчеден бөлүкчөлөрдү түртүп чыгаруу үчүн күйгүзүлгөн электромагниттердин жардамы менен ишке ашат.
Кагылышуу
Медицинада жана өнөр жайда колдонулган бөлүкчөлөрдүн тездеткичтери, негизинен, нурлануу терапиясы же ион имплантациясы сыяктуу белгилүү бир максат үчүн нур чыгарышат. Бул бөлүкчөлөр бир жолу колдонулат дегенди билдирет. Көп жылдар бою фундаменталдык изилдөөдө колдонулган тездеткичтер үчүн да ушундай болгон. Бирок 1970-жылдары эки нур карама-каршы багытта айланып, бүт схема боюнча кагылышкан шакекчелер иштелип чыккан. Мындай орнотуулардын негизги артыкчылыгы - бетме-бет кагылышууда бөлүкчөлөрдүн энергиясы алардын ортосундагы өз ара аракеттенүү энергиясына түздөн-түз кирет. Бул нур тынчтык абалындагы материал менен кагылышканда боло турган нерсеге карама-каршы келет: бул учурда энергиянын көбү импульстун сакталуу принцибине ылайык максаттуу материалды кыймылга келтирүүгө жумшалат.
Кээ бир кагылышуучу нур машиналары эки же андан көп жерде кесилишкен эки шакекче менен курулган, анда бир типтеги бөлүкчөлөр карама-каршы багытта айланышат. Бөлүкчөлөр менен коллайдерлер жана антибөлүкчөлөр көбүрөөк кездешет. Антибөлүкчө өзүнүн байланышкан бөлүкчөсүнө карама-каршы зарядга ээ. Мисалы, позитрон оң заряддуу, ал эми электрон терс заряддуу. Бул электронду ылдамдаткан талаа позитронду жайлатат дегенди билдирет,ошол эле багытта жылып. Ал эми экинчиси тескери багытта кыймылдаса, ал тездейт. Ошо сыяктуу эле, магнит талаасы аркылуу кыймылдаган электрон солго, позитрон оңго ийилет. Бирок позитрон аны көздөй жылып кетсе, анда анын жолу дагы эле оңго, бирок электрон сыяктуу ийри сызыкты бойлойт. Бул биргелешип, бул бөлүкчөлөр синхротрондук шакек боюнча бир эле магниттер менен кыймылдай алат жана карама-каршы багытта бир эле электр талаалары менен тездетилиши мүмкүн дегенди билдирет. Кагылышкан нурлардагы эң күчтүү коллайдерлердин көбү ушул принципке ылайык түзүлгөн, анткени бир гана ылдамдатуучу шакек керек.
Синхротрондогу нур тынымсыз кыймылдабайт, бирок "топтомдорго" биригет. Алардын узундугу бир нече сантиметр жана диаметри миллиметрдин ондон бир бөлүгү болушу мүмкүн жана болжол менен 1012 бөлүкчөлөрдү камтыйт. Бул кичинекей тыгыздык, анткени мындай өлчөмдөгү зат 1023 атомду камтыйт. Демек, нурлар келе жаткан нурлар менен кесилишкенде, бөлүкчөлөрдүн бири-бири менен өз ара аракеттенишинин бир аз гана мүмкүнчүлүгү бар. Иш жүзүндө, шакекчелер рингди бойлой жылып, кайрадан жолугуша беришет. Бөлүкчөлөрдүн тездеткичиндеги терең вакуум (10-11 мм.рт.ст.) бөлүкчөлөр аба молекулалары менен кагылышпай, көп сааттар бою айланып турушу үчүн зарыл. Ошондуктан, шакекчелер аккумулятордук деп да аталат, анткени таңгактар аларда бир нече саат бою сакталат.
Катталуу
Бөлүкчөлөрдүн тездеткичтери көбүнчө качан болоорун каттай алышатбөлүкчөлөр карама-каршы багытта бараткан бутага же башка нурга тийгенде. Телевизордук кинескопто мылтыктын электрондору экрандын ички бетиндеги фосфорго тийип, жарык чыгарат, ошентип, берилген сүрөттөлүштү кайра жаратат. Ылдамдаткычтарда мындай адистештирилген детекторлор чачыранды бөлүкчөлөргө жооп беришет, бирок алар көбүнчө компьютердик маалыматтарга айландырыла турган жана компьютердик программаларды колдонуу менен анализделе турган электрдик сигналдарды түзүү үчүн иштелип чыккан. Заряддалган элементтер гана материал аркылуу, мисалы, толкундандыргыч же иондоштуруучу атомдор аркылуу электрдик сигналдарды жаратат жана аларды түздөн-түз аныктоого болот. Нейтрондор же фотондор сыяктуу нейтралдуу бөлүкчөлөрдү кыймылга келтирген заряддуу бөлүкчөлөрдүн кыймыл-аракети аркылуу кыйыр түрдө аныктоого болот.
Көптөгөн адистештирилген детекторлор бар. Алардын айрымдары, мисалы, Гейгер эсептегичи, жөн гана бөлүкчөлөрдү санаса, башкалары, мисалы, тректерди жазуу, ылдамдыкты өлчөө же энергиянын көлөмүн өлчөө үчүн колдонулат. Заманбап детекторлор заряддуу бөлүкчөлөр жараткан иондоштурулган жолдорду аныктоочу кичинекей заряддуу түзүлүштөрдөн тартып зым менен толтурулган газ толтурулган чоң камераларга чейин көлөмү жана технологиясы боюнча ар түрдүү.
Тарых
Бөлүкчөлөрдүн ылдамдаткычтары негизинен атомдук ядролордун жана элементардык бөлүкчөлөрдүн касиеттерин изилдөө үчүн иштелип чыккан. 1919-жылы англиялык физик Эрнест Рутерфорд азот ядросу менен альфа бөлүкчөсүнүн ортосундагы реакцияны ачкандан тартып ядролук физикадагы бардык изилдөөлөр 1919-ж.1932-жыл табигый радиоактивдүү элементтердин ажыроосунан чыккан гелий ядролору менен өткөрүлдү. Табигый альфа бөлүкчөлөрүнүн кинетикалык энергиясы 8 МэВ, бирок Резерфорд оор ядролордун ажыроосун байкоо үчүн аларды жасалма түрдө андан да чоң маанилерге чейин тездетүү керек деп эсептеген. Ал кезде кыйын болуп көрүнгөн. Бирок 1928-жылы Георгий Гамовдун (Германиянын Гёттинген университетинде) жасаган эсептөөсү энергиясы алда канча азыраак иондорду колдонууга болорун көрсөттү жана бул өзөктүк изилдөөлөр үчүн жетиштүү нур берген объект куруу аракетин стимулдады.
Ушул мезгилдеги башка окуялар бөлүкчөлөрдүн ылдамдаткычтары ушул күнгө чейин курулган принциптерди көрсөттү. Жасалма жол менен тездетилген иондор менен биринчи ийгиликтүү эксперименттер 1932-жылы Кембридж университетинде Кокрофт жана Уолтон тарабынан жүргүзүлгөн. Чыңалуу көбөйткүчүн колдонуп, алар протондорду 710 кВга чейин тездетишти жана акыркысы литийдин ядросу менен реакцияга кирип, эки альфа бөлүкчөсүн түзөрүн көрсөтүштү. 1931-жылы Нью-Джерсидеги Принстон университетинде Роберт ван де Графф биринчи жогорку потенциалдуу кур электростатикалык генераторду курган. Кокрофт-Уолтон чыңалуу көбөйткүчтөрү жана Ван де Граф генераторлору дагы эле тездеткичтер үчүн кубат булагы катары колдонулат.
Сызыктуу резонанстык тездеткичтин принциби 1928-жылы Рольф Видерё тарабынан көрсөтүлгөн. Германиянын Аахен шаарындагы Рейн-Вестфал технологиялык университетинде ал натрий жана калий иондорун энергияга эки эсе тездетүү үчүн жогорку өзгөрмө чыңалууну колдонгон.алар тарабынан билдирилгенден ашат. 1931-жылы Америка Кошмо Штаттарында Эрнест Лоуренс жана анын жардамчысы Дэвид Слоан Калифорния университетинин Беркли жогорку жыштык талаасын колдонуп сымап иондорун 1,2 МэВ ашык энергияга чейин ылдамдаткан. Бул иш Wideröe оор бөлүкчөлөрдүн ылдамдаткычын толуктады, бирок ион нурлары өзөктүк изилдөөдө пайдалуу болгон жок.
Магниттик резонансты тездеткич же циклотрон Лоуренс тарабынан Wideroe орнотуусунун модификациясы катары ойлоп табылган. Лоуренс Ливингстондун окуучусу 1931-жылы 80 кВ иондорду өндүрүү менен циклотрондун принцибинин иштешин көрсөткөн. 1932-жылы Лоуренс жана Ливингстон протондордун 1 МэВ ашык ылдамданышын жарыялашкан. Кийинчерээк 1930-жылдары циклотрондордун энергиясы болжол менен 25 МэВ, ал эми Ван-де-Графф генераторлорунун энергиясы 4 МэВго жеткен. 1940-жылы Дональд Керст кылдат орбиталык эсептөөлөрдүн натыйжаларын магниттердин дизайнына колдонуп, Иллинойс университетинде биринчи бетатронду, магниттик индукциялык электрон тездеткичти курган.
Заманбап физика: бөлүкчөлөрдүн тездеткичтери
Экинчи дүйнөлүк согуштан кийин бөлүкчөлөрдү жогорку энергияга чейин ылдамдатуу илими тез прогресске жетишти. Аны Берклиде Эдвин Макмиллан жана Москвада Владимир Векслер баштаган. 1945-жылы экөө тең өз алдынча фазалык туруктуулуктун принцибин сүрөттөшкөн. Бул концепция циклдик тездеткичте бөлүкчөлөрдүн туруктуу орбиталарын кармоонун каражатын сунуштайт, ал протондордун энергиясына болгон чектөөнү алып салды жана электрондор үчүн магниттик-резонанстык тездеткичтерди (синкротрондорду) түзүүгө мүмкүндүк берди. Автофазалоо, фазалык туруктуулуктун принцибинин ишке ашырылышы курулуштан кийин тастыкталдыКалифорния университетиндеги кичинекей синхроциклотрон жана Англиядагы синхротрон. Андан көп өтпөй биринчи протондук сызыктуу резонанстык тездеткич түзүлдү. Бул принцип ошондон бери курулган бардык чоң протон синхротрондордо колдонулат.
1947-жылы Калифорниядагы Стэнфорд университетинде Уильям Хансен Экинчи Дүйнөлүк Согуш учурунда радар үчүн иштелип чыккан микротолкундуу технологияны колдонуу менен биринчи сызыктуу жүрүүчү толкун электрон тездеткичти курган.
Изилдөөдөгү прогресс протондордун энергиясын жогорулатуунун эсебинен мүмкүн болду, бул уламдан-улам чоң ылдамдаткычтарды курууга алып келди. Бул тенденция чоң шакекче магниттерди жасоонун кымбаттыгы менен токтотулду. Эң чоңунун салмагы болжол менен 40 миң тоннаны түзөт. Машиналардын көлөмүн чоңойтпостон энергияны көбөйтүүнүн жолдорун 1952-жылы Ливингстон, Курант жана Снайдер кезектешип фокустоо (кээде күчтүү фокустоо деп аталат) техникасында көрсөткөн. Бул принципке негизделген синхротрондор мурункуга караганда 100 эсе кичине магниттерди колдонушат. Мындай фокустоо бардык заманбап синхротрондордо колдонулат.
1956-жылы Керст бөлүкчөлөрдүн эки топтому кесилишкен орбиталарда кармалса, алардын кагылышын байкоого болорун түшүнгөн. Бул идеяны колдонуу сактоо деп аталган циклдерде тездетилген нурларды топтоону талап кылган. Бул технология бөлүкчөлөрдүн максималдуу өз ара аракеттенүү энергиясына жетишүүгө мүмкүндүк берди.
