荷電粒子の線形加速器。 粒子加速器の仕事として。 なぜ、粒子加速器？

荷電粒子の加速 - 前記ほぼ速度で走行荷電原子または亜原子粒子ビーム装置。 彼の仕事の基本は、自分増やす必要がある電界によってエネルギーを磁気-と軌道を変更します。

粒子加速器は何ですか？

これらのデバイスは、広く科学と産業界の様々な分野で使用されています。 現在までに、世界中で30以上の千があります。 荷電粒子加速器の物理学のために、自然に発生していない原子の構造、核戦力や核の性質の性質、基礎研究のツールとして役立ちます。 後者は、超ウランおよび他の不安定要素を含みます。

放電管は、特定の電荷を決定することが可能になったと。 荷電粒子加速器はまた、工業用ラジオグラフィにおいて、放射線療法、生物学的材料の滅菌のため、及びに、放射性同位体の製造に使用される 放射性炭素分析。 最大の単位は基本相互作用の研究で使用されています。

アクセルに対して安静時の荷電粒子の寿命に近い速度に加速された粒子よりも小さい 光速。 これは、時間局の比較的小さな金額を確認します。 例えば、CERNでミューオン0,9994c速度29倍の寿命の増加が達成されています。

この記事では、内部および粒子加速器、その開発、さまざまなタイプと異なる特徴を働いているものを見ます。

加速の原則

かかわらず、あなたが知っている荷電粒子加速器のどのような種類の、それらはすべて共通の要素を持っています。 まず、彼らはテレビ受像管や電子の場合は電子、陽子や大規模なインストールの場合は、その反粒子のソースを持っている必要があります。 さらに、それらはすべて自分の軌道を制御するための粒子と磁場を加速する電界を持っている必要があります。 また、荷電粒子加速器の真空（10 ^-11 mmHgで。V.）、M. E.残留空気の最小量、長寿命ビームを確保する必要があります。 最後に、すべてのインストールは、加速粒子の計数および測定を登録する手段を有していなければなりません。

世代

最も一般的に加速器で使用されている電子とプロトンは、すべての材料で発見されますが、最初に、彼らは彼らから選択する必要があります。 電子は、典型的にはブラウン管と同様に生成される - 「ガン」と呼ばれる装置です。 これは、電子が原子から外れ始める状態に加熱され、真空中で陰極（負極）です。 負に帯電した粒子は、アノード（正極）に引き寄せられ、出口を通過しています。 電子は電界の影響下で移動しているので、ガン自体は、促進剤として最も単純です。 典型的には、範囲50~150キロボルトで陰極と陽極との間の電圧、。

別にすべての材料中の電子からプロトンを含有するが、単一のプロトン核は水素原子から構成される。 したがって、陽子加速器のための粒子源は水素ガスです。 この場合、ガスがイオン化され、プロトンが穴を通って配置されています。 大型加速器でプロトンは、しばしば、負水素イオンの形に形成されています。 彼らは、二原子ガスのイオン化の生成物である原子からの追加の電子を表します。 簡単に作業の初期段階で負に帯電した水素イオン以来。 それらは加速の最終段階前に、電子のそれらを奪う薄い箔を通過します。

加速

粒子加速器の仕事として？ それらのすべての重要な特徴は、電場です。 最も簡単な例 - 電気バッテリーの端子との間に存在するものと同様の正と負電位との間に均一な静磁場、。 負の電荷を担持し、この電子電界が正電位に導く力にさらされます。 それはそれを加速し、道に立つことは何も、彼のスピードとパワーの増加がある場合。 彼らは、アノードに近づくように、ワイヤまたは空気中の正の電位に向かって移動する電子と、原子と衝突がエネルギーを失うが、それらを真空に配置されている場合には、加速しました。

電子定義の開始と終了位置の間の緊張は、彼らにエネルギーを購入しました。 1 Vの電位差を通って移動するときに1電子ボルト（eV）で等しいです。 これは、1,6×10 ^-19ジュールと同等です。 飛ぶ蚊兆倍以上のエネルギー。 陰極線管の電子に10キロボルトを超える電圧が加速されます。 多くのアクセラレータは、はるかに高いエネルギーを測定メガ、ギガやテラ電子ボルトに達します。

種

ような粒子加速器の最も初期のタイプのいくつかの 電圧乗算器 まで百万ボルトの電位によって生成された一定の電界を用いて発生ヴァンデグラフ起電機、。 このような高い電圧を簡単に動作します。 より実用的な代替案は、低電位生成弱い電場の繰り返し動作です。 直鎖状及び環状（主にサイクロトロンやシンクロトロン） - この原則は、近代的な加速器の2種類で使用されています。 周期的に何度も彼らは比較的小さい電場によって円形経路内を移動しながら、線形粒子加速器は、短期では、加速フィールドのシーケンスを一度にそれらを通過しました。 多くの小さな「バンプ」は、単一の大型の複合効果を与えるために一緒に加算されるように、両方の場合において、粒子の最終エネルギーは、作用の合計フィールドに依存します。

自然な方法で電界を生成するための線形加速器の繰り返し構造はACなく、DCを使用することです。 正合格した場合、正に帯電した粒子は、負電位に加速し、新たな弾みを取得しています。 実際には、電圧が非常に迅速に変更する必要があります。 例えば、非常に高速で1つのMeVのプロトン移動のエネルギーで0.01ミリ秒の1.4メートルを通過する、0.46の光の速度です。 これは、数メートルの繰り返し構造において、電界は、少なくとも100メガヘルツの周波数で方向を変えなければならないことを意味します。 線状及び環状促進剤粒子は、通常、マイクロ波の電波の範囲では、T。E.、3000、100メガヘルツから交流電界の周波数でそれらを分散させます。

電磁波は、互いに直角に揺動振動電場と磁場の組み合わせです。 キーポイントは、粒子の到着時に電界が加速度ベクトルに応じて導かれるようにアクセル波を調整することです。 密閉空間内に反対方向に進行波の組み合わせ、パイプオルガンの音の波 - これは、定在波を用いて行うことができます。 速度の光の速度、進行波に近づいて急速に移動する電子のための代替的な実施形態。

autophasing

交番電界で加速の重要な効果は、「相安定性」です。 1つの発振サイクルの交番磁界がゼロに戻る最大値からゼロを通過するには、最小限に減少し、ゼロに上昇します。 これにより、加速に必要な値を2回通過します。 その速度が増加する粒子が、あまりにも早く来れば、それは十分な強度のフィールドを動作しません、とプッシュが弱くなります。 それは次の領域、テスト後半、よりインパクトに達したとき。 その結果、自己フェージングが発生するように、粒子が加速領域の各フィールドと同相であろう。 別の効果は、凝血塊ではなく、連続した流れを形成するための時間でそれらをグループ化です。

ビームの方向

彼らは彼らの運動の方向を変えることができるようどのように作品や粒子加速器、遊びや磁場の中で重要な役割、。 これは、彼らが円形経路におけるビームの「曲げ」のために使用することができるので、それらは繰り返し同じ加速区間を通過することを意味します。 最も単純なケースでは、荷電粒子上に均一な磁場の方向に直角に移動する、力の移動の両方に垂直なベクトル、およびフィールドへ。 それは、アクションまたは他の力のその場から出てくる、それに基づいて行動し始めるまでこれは、フィールドに垂直に円形のパスに移動するビームを発生します。 この効果は、シンクロトロンやサイクロトロンなどの環状加速器で使用されています。 サイクロトロンでは、定数フィールドは大きな磁石によって生成されます。 各回転で加速外側に螺旋状に移動するそれらのエネルギーの増加を有する粒子。 シンクロトロン塊は一定の半径とリングの周りを移動し、粒子としてリング増加周りに電磁石によって生成されるフィールドが加速されます。 ビームがその間を通過できるように「曲げ」を提供する磁石は、馬蹄状に屈曲N極とS極との双極子を表します。

電磁石の第二の重要な機能は、彼らができるだけので狭いと強烈になるようにビームを集中することです。 4極（二南北2）で互いに反対側に位置 - 集束性磁石の最も単純な形。 これらは一方向の中心に粒子を押し、それらが垂直に分布することを可能にします。 四極電磁石は、彼が縦に焦点を出することができ、水平方向にビームの焦点を合わせます。 これを行うために、彼らはペアで使用する必要があります。 より正確にはまた、極（6,8）多数のより洗練された磁石を使用しているフォーカス用。

それらに増加を導く、パーティクル増加のエネルギー、磁界の強さからです。 これは、同じ軌道上でのビームを保持します。 カードは、リング内に導入され、それが取り出され、実験に使用する前に所望のエネルギーまで加速されます。 後退は、シンクロトロンリングから粒子をプッシュするために活性化される電磁石によって達成されます。

衝突

主に特定の目的のためのビーム、例えば、照射またはイオン注入を生成する、医学および産業で使用される荷電粒子加速器。 これは、粒子が、一度使用したことを意味します。 同じことは、長年にわたり基礎研究に使用されるアクセラレータの本当でした。 しかし、リングは、2つのビームが反対方向に周回回路の周囲衝突、1970年に開発されました。 このようなシステムの主な利点は、粒子の前面衝突エネルギーでそれらの間の相互作用エネルギーに直接行くことです。 これは、ビームは、運動量の保存則に基づいて、エネルギーのほとんどは運動中のターゲット物質の削減になり、その場合には、静止画と衝突したときに何が起こるかとは対照的です。

衝突ビームで一部のマシンでは、二つ以上の場所で交差する、二つのリングで構成された、反対方向に同じタイプの粒子を循環させます。 より一般的なコライダー粒子 - 反粒子。 反粒子は、会合粒子の反対の電荷を有します。 例えば、陽電子は、正に帯電し、電子は - マイナス。 これは、電子を加速するフィールドは、陽電子が同じ方向に動いて、遅くなることを意味しています。 逆方向に後者の移動なら、それは加速していきます。 右 - 同様に、電子は左に磁場意志曲線、及び陽電子を通って移動します。 陽電子が前進している場合しかし、その後、彼のパスが右にずれていきますが、電子と同じ曲線上になります。 しかし、これは、粒子がシンクロトロン同じ磁石のリングを通って移動し、反対方向に同じ電界によって加速することができることを意味します。 この原理にトン、ビームを衝突多くの強力なコライダーを作成しました。へザは一つだけのリング加速器が必要です。

シンクロトロンのビームは、連続的に移動し、に統合されていない「塊」。 彼らは、長さと直径はミリメートルの第で数センチメートルであり、約^12年10月の粒子を含むことができます。 この低密度は、そのような材料の大きさは約^{10月23日の}原子が含まれているため。 衝突ビームが交差する場合したがって、粒子が互いに反応することが少ない可能性があります。 実際には血栓は、リングの周りを移動して、もう一度会いし続けています。 荷電粒子（10 ^-11 mmHgで。V.）の加速器で高真空は、粒子が空気分子と衝突することなく、多くの時間のために循環できるようにするために必要とされます。 ビームは、実際にいくつかの時間が格納されているためそのため、リングはまた、累積呼ばれます。

登録

大多数の荷電粒子加速器を登録することができ、粒子が反対方向に移動する、標的または他のビームを打ったときに発生します。 テレビ受像管では、銃からの電子は、内面に蛍光体スクリーンに衝突し、それによって送信された画像を再現光を放出します。 加速器では、そのような特殊な検出器は、散乱粒子に反応するが、それらは通常、コンピュータ・データに変換され、コンピュータプログラムを用いて分析することができる電気信号を生成するように設計されています。 要素のみが原子のイオン化または励起することにより、例えば、材料を通過する電気信号を生成し、直接検出することができる荷電。 例えば中性子または光子のような中性粒子は、それらが運動している荷電粒子の挙動を介して間接的に検出することができます。

多くの専門的な検出器があります。 このような記録トラック又はエネルギーの速度測定のためのガイガーカウンター、粒子数、および他の用途、例えば、それらの一部、。 サイズ及び技術の現代の検出器は、荷電粒子によって生成されるイオン化されたトラックを検出するワイヤを有する大型ガス充填室に小さな電荷結合素子から変化させることができます。

物語

主原子核と素粒子の特性の研究のために開発された荷電粒子加速器。 イギリスの物理学者のオープン以来 アーネスト・ラザフォード 1919年に、窒素核とアルファ粒子の反応は、1932年に核物理学の分野でのすべての研究は、自然放射性元素の崩壊によって放出されたヘリウム原子核、を用いて行きました。 天然のアルファ粒子は、8メガ電子ボルトの運動エネルギーを持っているが、ラザフォードは、それらが人工的に重い原子核の減衰を監視するためのより高い値まで加速されなければならないと信じていました。 当時それは難しいように見えました。 しかし、によって1928年に作られた計算Georgiem Gamovym （ゲッティンゲン、ドイツの大学）は、イオンがはるかに低いエネルギーで使用することができることを示し、これは、原子力研究のために十分な光を提供する施設を建設する試みを刺激しました。

この時期の他のイベントは、荷電粒子加速器は、この日に構築されることにより、原則を明らかにしました。 人為的に加速されたイオンとの最初の成功した実験では、ケンブリッジ大学で1932年にコックロフトとウォルトンを開催しました。 電圧乗算器を使用することにより、プロトンは710 keVのに加速し、後者は2個のα粒子を形成するためにリチウムと反応することを示しています。 1931年、ニュージャージー州のプリンストン大学で、ロバート・デ・グラーフヴァン・静電ベルトは、第1の高電位発生回路を構築しました。 電圧マルチプライヤコッククロフト・ウォルトン発電機やヴァンデグラフ起電機はまだ加速器のためのエネルギー源として使用されています。

リニア共振加速器の原理はアーヘン、ドイツの1928年ライン川、ヴェストファーレン工科大学でロルフのWideroeを実証した、彼はそれらを伝えるために2倍を超えるエネルギーにナトリウムとカリウムのイオンを加速するために、高AC電圧を使用しました。 1931年に米国アーネスト・ルーレンズと彼のアシスタントカリフォルニア大学バークレー校のデビッド・スローン、1.2 MeVのより大きなエネルギーに水銀イオンを加速する高周波フィールドを使用していました。 この作品は重い荷電粒子のWideroeのアクセラレータを補完されますが、イオンビームは、原子力研究に有用ではありません。

磁気共鳴加速器やサイクロトロンは、ローレンスのWideroeインストールの変形例として考案されました。 学生ローレンス・リビングストン 80 keVのエネルギーでイオンを作り、1931年にサイクロトロンの原理を実証しました。 1932年、ローレンスとリビングストンは、1以上のMeVまでの陽子の加速を発表しました。 約4 MeVの - その後1930年代に、エネルギーサイクロトロンは約25 MeVの、ヴァン・デ・グラーフに達しました。 1940年、ドナルド・カースト、イリノイ州、最初のベータトロン、磁気誘導型電子加速器の大学で構築された磁石構造体への軌道を慎重に計算の結果を適用します。

現代物理学：粒子加速器

第二次世界大戦後の高エネルギーに粒子を加速する科学の急速な進歩がありました。 これは、バークレーとモスクワのブラディミール・ベックスラーでエドウィン・マクミラン開始しました。 1945年に、それらは互いに独立して共に位相安定性の原理を記載しています。 この概念は、陽子エネルギーの制限を削除し、電子の磁気共鳴アクセラレータ（シンクロトロン）の作成を支援円形加速器で粒子の安定した軌道を維持するための手段を提供しています。 Autophasing、相安定性の原則の実装は、カリフォルニア大学の小さなシンクロサイクロトロンの建設、イギリスのシンクロトロンの後に確認されました。 その後まもなく、最初の陽子線形加速器共振が作成されました。 この原理はそれ以来、構築されたすべての主要な陽子シンクロトロンで使用されています。

1947年、ウィリアム・ハンセン、カリフォルニア州のスタンフォード大学で、第二次世界大戦中にレーダー用に開発されたマイクロ波技術を使用し、進行波、で最初の電子線形加速器を建設しました。

研究の進展は、これまでより大きな加速器の建設につながった陽子エネルギーを、増やすことで可能になりました。 この傾向は、高い製造コストの巨大な磁石リングが停止されたのです。 最大は約4万トンの重量を量ります。 機械の大きさの成長せずにエネルギーを増大させるための方法は、およそ1952年に上映された焦点を当て、交互の技術は、（時には強収束と呼ばれる）リビングストン、クーランとスナイダーをgodu。 この原則に取り組んでシンクロは、以前よりも100倍小さい磁石を使用します。 このようなフォーカシングは、すべての近代的なシンクロトロンで使用されています。

1956年カーストは、粒子の二組が交差する軌道上に保持されている場合、あなたは彼らが衝突見ることができることに気づきました。 この考え方の適用は、周期的に蓄積加速ビームを必要と累積呼ばれます。 この技術は、相互作用粒子の最大エネルギーを達成しました。