帶電粒子的直線加速器。 粒子加速器工作。 為什麼粒子加速器？

帶電粒子的加速器 - 一個裝置，其中帶電的原子或亞原子粒子以接近速度行進的光束。 他的工作的基礎是必要增加其在電場能量和改變彈道-磁性。

什麼是粒子加速器？

這些設備被廣泛應用在科學和工業的各個領域。 迄今為止，全球有超過30萬。 對於帶電粒子加速器的物理作為基礎研究對原子結構，核力量和核性能，不自然發生的性質的工具。 後者包括超鈾和其它不穩定因素。

與放電管已成為可能，以確定特定的電荷。 帶電粒子加速器還用於放射性同位素生產的，在工業射線照相術，放射治療，對於生物材料的滅菌，並在放射性碳的分析。 最大的單位在基本相互作用的研究中使用。

帶電粒子的靜止壽命相對於所述加速器比粒子加速到接近速度較小的 光的速度。 這證實了時間站的數量相對較少。 例如，在CERN已經實現在μ介子0,9994c速度29倍的壽命的增加。

本文著眼於裡面有什麼，工作的粒子加速器，它的發展，不同類型和不同的特點。

加速原理

不管你知道什麼樣的帶電粒子加速器，它們都具有共同的元素。 第一，它們必須具有電子在電視顯像管或電子，質子和它們在較大的裝置的情況下，反粒子的情況下的源。 此外，他們必須都具有電場加速粒子和磁場來控制他們的軌跡。 此外，在帶電粒子加速器的真空（10 ^-11毫米汞柱。V.），M. E.殘留空氣的最小量，需要確保長壽命光束。 最後，所有的裝置必須具有註冊裝置，所述加速粒子的計數和測量。

代

電子和質子，這是在加速器最常用的，所有的材料被發現，但首先他們必須從中選擇。 電子通常以相同的方式，在顯像管中產生 - 在一個被稱為“槍”設備。 它是在真空，在那裡電子開始脫落的原子，其被加熱到的狀態的陰極（負電極）。 帶負電的顆粒被吸引到陽極（正電極）和通過出口。 槍本身是簡單的作為加速器因為電子被電場的影響下移動。 在陰極和陽極，典型地為50-150千伏之間的電壓。

除了在所有材料中的電子載質子，但僅單個質子核由氫原子組成。 因此，對於質子加速器的粒子源是氫氣。 在這種情況下，氣體被電離和質子位於通孔。 在大型加速器通常形成在負氫離子的形式質子。 它們代表從它們是雙原子氣體電離的產物原子的額外的電子。 由於工作更容易的初始階段的帶負電荷的氫離子。 然後它們通過薄箔，其加速度的最終階段之前剝奪電子它們。

促進

粒子加速器工作？ 所有這些的關鍵特徵是電場。 最簡單的例子 - 正和負電位之間，其中電電池的端子之間存在的均勻靜磁場，類似。 此攜帶負電荷的電子場被暴露於它定向到一個正電位的力。 它加速它，如果有任何會阻住，他的速度和力量的增加。 電子朝向正電位上的金屬絲或在空氣中移動，並碰撞到原子失去能量，但是，如果它們存在於真空中，然後加速，因為它們接近陽極。

電子定義的開始和結束位置之間的張力購買他們的能量。 當通過1 V的電位差移動等於1電子伏特（eV）的。 這等同於1,6×10 ^-19焦耳。 飛蚊萬億倍以上的能量。 在顯像管的電子被加速電壓高於10千伏以上。 許多加速器達到測量大型，千兆和萬億電子伏特高得多的能量。

種類

一些最早的類型的粒子加速器，如的 電壓倍增器 和發電機范德格拉夫發生器，使用由多達一百萬伏特的電勢所產生的恆定電場。 有了這樣的高電壓工作更輕鬆。 一個更實際的選擇是產生的低電勢弱電場的反复動作。 這一原則適用於這兩種類型的現代加速器 - 線性和環狀（主要是迴旋加速器和同步加速器）。 線性粒子加速器，總之，通過他們一旦通過加速場的序列，而週期性地多次他們通過相對小的電場在圓形路徑中移動。 在這兩種情況下，顆粒的最終能量取決於行動的總場，讓許多小“顛簸”加到一起給一家獨大的綜合效應。

線性加速器的重複結構，以產生電場以自然的方式是使用AC，DC不。 帶正電的粒子被加速到負電位，並獲得新的動力，如果通過積極的。 在實踐中，電壓必須非常迅速地改變。 例如，在以非常高的速度的1 MeV的質子移動的能量是0.46光速，傳遞1.4米的0.01毫秒。 這意味著，在長幾米的重複結構，電場必須在至少100兆赫的頻率改變方向。 線性和環狀加速器顆粒通常與交變電場的頻率分散他們從100MHz到3000，T。E.在無線電波的微波的範圍內。

電磁波是振盪電場和磁場成直角相互擺動的組合。 關鍵的一點是，使在顆粒到達電場根據加速度矢量引導到調整加速器波。 波沿相反的方向在封閉的空間，在管風琴的聲波行進的組合 - 這可以通過使用駐波來完成。 用於快速移動的電子，其速度接近光，行波的速度的替代實施例。

自動相位辨識

加速度的在交變電場的一個重要效果是“相穩定”的。 在一個振盪週期交變磁場從最大值經過零回零，它降低到最小，並上升到零。 因此，通過為加速度所需的值超過兩次。 如果一個粒子，其速度的增加，來的太早，它不會工作的足夠強度的領域，並推動將變弱。 當它到達下一個區域，測試後期和更具衝擊力。 其結果是，自定相發生時，顆粒將同相在加速區域中的每個字段。 另一個效果是在時間上對它們進行分組以形成凝塊，而不是一個連續流。

光束的方向

在作品中和粒子加速器，怎麼玩和磁場，因為它們可以改變自己的運動方向具有重要作用。 這意味著它們可用於在圓形路徑的光束的“彎曲”，所以它們反复通過相同的加速部分通過。 在最簡單的情況下，在帶電粒子以直角移動到均勻磁場的方向，一個力向量垂直於它的運動，並以場。 這將導致在圓形路徑垂直於電場移動光束，直到它出來其作用或其它力的場的開始作用於它。 這種效果是在環狀加速器使用，例如同步加速器和迴旋加速器。 在迴旋加速器中，常數字段是由一個大磁體產生。 他們的能量增加顆粒動螺旋向外每個革命加速。 同步加速器凝塊走動環具有恆定半徑，並且通過圍繞環隨著顆粒電磁鐵產生的場被加速。 提供“彎曲”磁體，表示與北極和南極，彎曲成馬蹄形的偶極子，使得光束可穿過其間。

電磁鐵的第二個重要的功能是如此，他們是如此狹窄，劇烈地聚焦光束。 一個聚焦磁體的最簡單的形式 - 具有位於彼此相對四個磁極（2北部和南部兩個）。 他們推動顆粒在一個方向上的中心，但允許它們在垂直地分佈。 四極磁體水平聚焦光束，讓他出去焦點垂直。 要做到這一點，就必須成對使用。 為了更精確地聚焦也具有大極數（6和8）的使用更複雜的磁體。

由於粒子的能量增加，磁場的強度，指導他們增加。 這使得在同一軌道梁。 將凝乳引入到環和被加速到所需的能量，才能取出並在實驗中使用。 縮回是由被激活以從同步加速器環推顆粒電磁鐵來實現的。

碰撞

在醫學和工業中使用，主要生產用於特定目的的光束，例如，照射或離子注入帶電粒子加速器。 這意味著，使用一次粒子。 同樣是在基礎研究使用多年加速器如此。 但這些環分別在1970年開發的，在其中兩個光束以相反的方向循環和周圍的電路碰撞。 這種系統的主要優點是，在顆粒的前面碰撞能量直接進入它們之間的相互作用能量。 與此相反，當光束與靜止畫面碰撞，在這種情況下，大部分的能量進入目標材料在運動的減少，根據動量守恆原理發生了什麼。

與碰撞梁一些機器構造有兩個環，在兩個或多個位置相交，其中，在相反的方向上循環時，相同類型的顆粒。 更常見的對撞機粒子 - 反粒子。 反粒子具有相反的電荷相關聯的顆粒。 例如，正電子，帶正電和電子 - 負。 這意味著，加速電子的場，正電子減慢，在相同方向上移動。 但是，如果在相反方向後者移動時，它會加速。 類似地，電子通過磁場將曲線左移和正電子移動 - 右。 但是，如果正電子前進，那麼他的路徑將繼續偏離到的權利，但作為電子的同一條曲線上。 然而，這意味著該粒子可以通過同步加速器相同磁體的環移動，並通過在相反方向上以相同的電場加速。 在這個原則創造了許多強大的對撞機碰撞梁，T。到。的只需要一個環形加速器。

梁同步加速器不連續移動並融入“團塊”。 它們的長度可以是幾個厘米，直徑的十分之一毫米，並且包含約^10月12日的顆粒。 這種低的密度，因為這樣的材料的尺寸含有約^10月23日原子。 因此，當一個撞擊光束相交，只有一個小概率顆粒將彼此反應。 在實踐中血塊繼續向前繞環，還要再見面。 在帶電粒子（10 ^-11毫米汞柱。V.）的加速器高真空是否需要為了使顆粒可以循環數小時而不與空氣分子碰撞。 因此，該環也被稱為累積的，因為實際上光束存儲在其中的幾個小時。

註冊

在大多數帶電粒子加速器可以註冊當顆粒擊中目標或另一光束，在相反的方向上移動發生。 在電視顯像管，從槍的電子撞擊所述內表面上的熒光屏和發射光，這從而再現所發送的圖像。 在促進劑，例如專門的檢測器反應而散射粒子，但它們通常被設計來創建可以被轉換成計算機數據和使用計算機程序分析的電信號。 只有帶電元件產生穿過材料傳遞，例如通過電離或原子的激勵電信號，並且可以直接檢測。 中性粒子如中子或光子可以間接通過帶電粒子，它們在運動中的行為來檢測。

有許多專門的探測器。 它們中的一些，諸如蓋革計數器，顆粒計數，和其它用途，例如，用於記錄軌道或能量的速度測量。 在尺寸和技術現代檢測器，可以從小型電荷耦合設備到大型氣體填充的腔室與檢測由帶電粒子產生的離子化的軌道線而變化。

故事

帶電粒子加速器主要開發用於原子核和基本粒子的性質的研究。 由於英國物理學家的開口 盧瑟福 在1919年，氮核和α粒子的反應，在核物理的，以1932年字段中的所有研究用氦核，由天然放射性元素的衰變釋放進行。 天然α-顆粒具有8兆電子伏的動能，但盧瑟福認為它們必須人工加速到更高的值用於監測重核的衰變。 當時，似乎很難。 然而，通過在1928年所作的計算Georgiem Gamovym （在哥廷根大學，德國），結果表明，離子可以在低得多的能量被使用，而這刺激了嘗試來建立的設施中提供了足夠的核研究的光束。

這一時期的其他事件證明由帶電粒子加速器在建造時，這一天的原則。 用人工加速離子的第一次成功的實驗是在劍橋大學舉行克羅夫特和沃爾頓於1932年。 通過使用電壓倍增器，質子被加速到710千電子伏，並且表明，後者與鋰反應以形成兩個α粒子。 到1931年，在新澤西州普林斯頓大學，羅伯特·範·德·格拉夫靜電帶建成了第1高電位發生器。 電壓倍增克羅夫特 - 沃爾頓發電機，范德格拉夫發電機仍然作為加速器能源。

線性諧振加速器原理證明羅爾夫·維德羅在德國亞琛，1928年萊茵 - 威斯特伐利亞技術大學，他用一個高的交流電壓，加快鈉和鉀離子的能量超過兩次告訴他們。 1931年在美國歐內斯特Lourens和他的助手加州大學伯克利分校的戴維·斯隆，使用高頻場，以加速汞離子的能量超過1.2兆電子伏以上。 這項工作是補充重帶電粒子維德羅的加速器，但離子束不在核研究有用。

磁共振加速器或迴旋加速器，被設想為勞倫斯維德羅安裝的變形例。 學生勞倫斯利文斯頓展示了迴旋加速器的原理在1931年，用80千電子伏的能量使離子。 1932年，勞倫斯和利文斯頓宣布質子加速至超過1兆電子伏以上。 後來在20世紀30年代，能量迴旋加速器達到約25兆電子伏，和範·德·格拉夫 - 約4兆電子伏。 1940年，唐納德·克斯特，應用的軌道磁體結構的仔細計算，在伊利諾伊州，第一個電子感應，磁感應電子加速器大學建立的結果。

現代物理學：粒子加速器

二戰結束後有加速粒子高能的科學進展迅速。 它在莫斯科開始埃德溫·麥克米蘭大學伯克利分校和弗拉基米爾·韋克斯勒。 在1945年，它們都彼此獨立地已經描述的相穩定性的原理。 這一概念提供以保持顆粒的穩定軌道在於取消了對質子能量限制和幫助創建電子的磁共振加速器（同步加速器）一個圓形加速器的裝置。 自動相位辨識，相穩定的原則實施，小同步迴旋加速器在加州大學的建設和英國同步後得到了證實。 此後不久，第一質子線性諧振加速器已創建。 這一原則是自那時以來修建的所有主要質子同步加速器使用。

1947年，威廉·漢森，在加利福尼亞州斯坦福大學，在建行波，它使用了第二次世界大戰期間，已經開發了雷達微波技術的第一台電子直線加速器。

在研究方面取得了進展，通過增加質子能量，從而導致越來越大的加速器的建設成為可能。 這一趨勢是高製造成本巨大的磁鐵環被停止。 最大的重約40,000噸。 用於增加無機的大小，生長的能量的方法在約1952 godu利文斯通，新聞報和Snyder交替聚焦的技術進行了篩選（有時稱為強聚焦）。 這個原理工作的同步加速器，使用磁鐵比以前小100倍。 這種聚焦在所有現代同步加速器使用。

1956年克斯特意識到，如果顆粒的兩套保留在相交的軌道，你可以看他們發生衝突。 這個想法的應用程序所需的積累加速束週期，稱為累積。 該技術已實現交互粒子的最大能量。