带电粒子的直线加速器。 粒子加速器工作。 为什么粒子加速器？

带电粒子的加速器 - 一个装置，其中带电的原子或亚原子粒子以接近速度行进的光束。 他的工作的基础是必要增加其在电场能量和改变弹道-磁性。

什么是粒子加速器？

这些设备被广泛应用在科学和工业的各个领域。 迄今为止，全球有超过30万。 对于带电粒子加速器的物理作为基础研究对原子结构，核力量和核性能，不自然发生的性质的工具。 后者包括超铀和其它不稳定因素。

与放电管已成为可能，以确定特定的电荷。 带电粒子加速器还用于放射性同位素生产的，在工业射线照相术，放射治疗，对于生物材料的灭菌，并在 放射性碳的分析。 最大的单位在基本相互作用的研究中使用。

带电粒子的静止寿命相对于所述加速器比粒子加速到接近速度较小的 光的速度。 这证实了时间站的数量相对较少。 例如，在CERN已经实现在μ介子0,9994c速度29倍的寿命的增加。

本文着眼于里面有什么，工作的粒子加速器，它的发展，不同类型和不同的特点。

加速原理

不管你知道什么样的带电粒子加速器，它们都具有共同的元素。 第一，它们必须具有电子在电视显像管或电子，质子和它们在较大的装置的情况下，反粒子的情况下的源。 此外，他们必须都具有电场加速粒子和磁场来控制他们的轨迹。 此外，在带电粒子加速器的真空（10 ^-11毫米汞柱。V.），M. E.残留空气的最小量，需要确保长寿命光束。 最后，所有的装置必须具有注册装置，所述加速粒子的计数和测量。

代

电子和质子，这是在加速器最常用的，所有的材料被发现，但首先他们必须从中选择。 电子通常以相同的方式，在显像管中产生 - 在一个被称为“枪”设备。 它是在真空，在那里电子开始脱落的原子，其被加热到的状态的阴极（负电极）。 带负电的颗粒被吸引到阳极（正电极）和通过出口。 枪本身是简单的作为加速器因为电子被电场的影响下移动。 在阴极和阳极，典型地为50-150千伏之间的电压。

除了在所有材料中的电子载质子，但仅单个质子核由氢原子组成。 因此，对于质子加速器的粒子源是氢气。 在这种情况下，气体被电离和质子位于通孔。 在大型加速器通常形成在负氢离子的形式质子。 它们代表从它们是双原子气体电离的产物原子的额外的电子。 由于工作更容易的初始阶段的带负电荷的氢离子。 然后它们通过薄箔，其加速度的最终阶段之前剥夺电子它们。

促进

粒子加速器工作？ 所有这些的关键特征是电场。 最简单的例子 - 正和负电位之间，其中电电池的端子之间存在的均匀静磁场，类似。 此携带负电荷的电子场被暴露于它定向到一个正电位的力。 它加速它，如果有任何会阻住，他的速度和力量的增加。 电子朝向正电位上的金属丝或在空气中移动，并碰撞到原子失去能量，但是，如果它们存在于真空中，然后加速，因为它们接近阳极。

电子定义的开始和结束位置之间的张力购买他们的能量。 当通过1个V的电位差移动等于1电子伏特（eV）的。 这等同于1,6×10 ^-19焦耳。 飞蚊万亿倍以上的能量。 在显象管的电子被加速电压高于10千伏以上。 许多加速器达到测量大型，千兆和万亿电子伏特高得多的能量。

种类

一些最早的类型的粒子加速器，如的 电压倍增器 和发电机范德格拉夫发生器，使用由多达一百万伏特的电势所产生的恒定电场。 有了这样的高电压工作更轻松。 一个更实际的选择是产生的低电势弱电场的反复动作。 这一原则适用于这两种类型的现代加速器 - 线性和环状（主要是回旋加速器和同步加速器）。 线性粒子加速器，总之，通过他们一旦通过加速场的序列，而周期性地多次他们通过相对小的电场在圆形路径中移动。 在这两种情况下，颗粒的最终能量取决于行动的总场，让许多小“颠簸”加到一起给一家独大的综合效应。

线性加速器的重复结构，以产生电场以自然的方式是使用AC，DC不。 带正电的粒子被加速到负电位，并获得新的动力，如果通过积极的。 在实践中，电压必须非常迅速地改变。 例如，在以非常高的速度的1个MeV的质子移动的能量是0.46光速，传递1.4米的0.01毫秒。 这意味着，在长几米的重复结构，电场必须在至少100兆赫的频率改变方向。 线性和环状加速器颗粒通常与交变电场的频率分散他们从100MHz到3000，T。E.在无线电波的微波的范围内。

电磁波是振荡电场和磁场成直角相互摆动的组合。 关键的一点是，使在颗粒到达电场根据加速度矢量引导到调整加速器波。 波沿相反的方向在封闭的空间，在管风琴的声波行进的组合 - 这可以通过使用驻波来完成。 用于快速移动的电子，其速度接近光，行波的速度的替代实施例。

自动相位辨识

加速度的在交变电场的一个重要效果是“相稳定”的。 在一个振荡周期交变磁场从最大值经过零回零，它降低到最小，并上升到零。 因此，通过为加速度所需的值超过两次。 如果一个粒子，其速度的增加，来的太早，它不会工作的足够强度的领域，并推动将变弱。 当它到达下一个区域，测试后期和更具冲击力。 其结果是，自定相发生时，颗粒将同相在加速区域中的每个字段。 另一个效果是在时间上对它们进行分组以形成凝块，而不是一个连续流。

光束的方向

在作品中和粒子加速器，怎么玩和磁场，因为它们可以改变自己的运动方向具有重要作用。 这意味着它们可用于在圆形路径的光束的“弯曲”，所以它们反复通过相同的加速部分通过。 在最简单的情况下，在带电粒子以直角移动到均匀磁场的方向，一个力向量垂直于它的运动，并以场。 这将导致在圆形路径垂直于电场移动光束，直到它出来其作用或其它力的场的开始作用于它。 这种效果是在环状加速器使用，例如同步加速器和回旋加速器。 在回旋加速器中，常数字段是由一个大磁体产生。 他们的能量增加颗粒动螺旋向外每个革命加速。 同步加速器凝块走动环具有恒定半径，并且通过围绕环随着颗粒电磁铁产生的场被加速。 提供“弯曲”磁体，表示与北极和南极，弯曲成马蹄形的偶极子，使得光束可穿过其间。

电磁铁的第二个重要的功能是如此，他们是如此狭窄，剧烈地聚焦光束。 一个聚焦磁体的最简单的形式 - 具有位于彼此相对四个磁极（2北部和南部两个）。 他们推动颗粒在一个方向上的中心，但允许它们在垂直地分布。 四极磁体水平聚焦光束，让他出去焦点垂直。 要做到这一点，就必须成对使用。 为了更精确地聚焦也具有大极数（6和8）的使用更复杂的磁体。

由于粒子的能量增加，磁场的强度，指导他们增加。 这使得在同一轨道梁。 将凝乳引入到环和被加速到所需的能量，才能取出并在实验中使用。 缩回是由被激活以从同步加速器环推颗粒电磁铁来实现的。

碰撞

在医学和工业中使用，主要生产用于特定目的的光束，例如，照射或离子注入带电粒子加速器。 这意味着，使用一次粒子。 同样是在基础研究使用多年加速器如此。 但这些环分别在1970年开发的，在其中两个光束以相反的方向循环和周围的电路碰撞。 这种系统的主要优点是，在颗粒的前面碰撞能量直接进入它们之间的相互作用能量。 与此相反，当光束与静止画面碰撞，在这种情况下，大部分的能量进入目标材料在运动的减少，根据动量守恒原理发生了什么。

与碰撞梁一些机器构造有两个环，在两个或多个位置相交，其中，在相反的方向上循环时，相同类型的颗粒。 更常见的对撞机粒子 - 反粒子。 反粒子具有相反的电荷相关联的颗粒。 例如，正电子，带正电和电子 - 负。 这意味着，加速电子的场，正电子减慢，在相同方向上移动。 但是，如果在相反方向后者移动时，它会加速。 类似地，电子通过磁场将曲线左移和正电子移动 - 右。 但是，如果正电子前进，那么他的路径将继续偏离到的权利，但作为电子的同一条曲线上。 然而，这意味着该粒子可以通过同步加速器相同磁体的环移动，并通过在相反方向上以相同的电场加速。 在这个原则创造了许多强大的对撞机碰撞梁，T。到。的只需要一个环形加速器。

梁同步加速器不连续移动并融入“团块”。 它们的长度可以是几个厘米，直径的十分之一毫米，并且包含约^10月12日的颗粒。 这种低的密度，因为这样的材料的尺寸含有约^10月23日原子。 因此，当一个撞击光束相交，只有一个小概率颗粒将彼此反应。 在实践中血块继续向前绕环，还要再见面。 在带电粒子（10 ^-11毫米汞柱。V.）的加速器高真空是否需要为了使颗粒可以循环数小时而不与空气分子碰撞。 因此，该环也被称为累积的，因为实际上光束存储在其中的几个小时。

注册

在大多数带电粒子加速器可以注册当颗粒击中目标或另一光束，在相反的方向上移动发生。 在电视显像管，从枪的电子撞击所述内表面上的荧光屏和发射光，这从而再现所发送的图像。 在促进剂，例如专门的检测器反应而散射粒子，但它们通常被设计来创建可以被转换成计算机数据和使用计算机程序分析的电信号。 只有带电元件产生穿过材料传递，例如通过电离或原子的激励电信号，并且可以直接检测。 中性粒子如中子或光子可以间接通过带电粒子，它们在运动中的行为来检测。

有许多专门的探测器。 它们中的一些，诸如盖革计数器，颗粒计数，和其它用途，例如，用于记录轨道或能量的速度测量。 在尺寸和技术现代检测器，可以从小型电荷耦合设备到大型气体填充的腔室与检测由带电粒子产生的离子化的轨道线而变化。

故事

带电粒子加速器主要开发用于原子核和基本粒子的性质的研究。 由于英国物理学家的开口 埃内斯特·拉瑟福德 在1919年，氮核和α粒子的反应，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变释放进行。 天然α-颗粒具有8兆电子伏的动能，但卢瑟福认为它们必须人工加速到更高的值用于监测重核的衰变。 当时，似乎很难。 然而，通过在1928年所作的计算 Georgiem Gamovym （在哥廷根大学，德国），结果表明，离子可以在低得多的能量被使用，而这刺激了尝试来建立的设施中提供了足够的核研究的光束。

这一时期的其他事件证明由带电粒子加速器在建造时，这一天的原则。 用人工加速离子的第一次成功的实验是在剑桥大学举行克罗夫特和沃尔顿于1932年。 通过使用电压倍增器，质子被加速到710千电子伏，并且表明，后者与锂反应以形成两个α粒子。 到1931年，在新泽西州普林斯顿大学，罗伯特·范·德·格拉夫静电带建成了第1高电位发生器。 电压倍增克罗夫特 - 沃尔顿发电机，范德格拉夫发电机仍然作为加速器能源。

线性谐振加速器原理证明罗尔夫·维德罗在德国亚琛，1928年莱茵 - 威斯特伐利亚技术大学，他用一个高的交流电压，加快钠和钾离子的能量超过两次告诉他们。 1931年在美国埃内斯特·洛朗和他的助手加州大学伯克利分校的戴维·斯隆，使用高频场，以加速汞离子的能量超过1.2兆电子伏以上。 这项工作是补充重带电粒子维德罗的加速器，但离子束不在核研究有用。

磁共振加速器或回旋加速器，被设想为劳伦斯维德罗安装的变形例。 学生劳伦斯利文斯顿展示了回旋加速器的原理在1931年，用80千电子伏的能量使离子。 1932年，劳伦斯和利文斯顿宣布质子加速至超过1兆电子伏以上。 后来在20世纪30年代，能量回旋加速器达到约25兆电子伏，和范·德·格拉夫 - 约4兆电子伏。 1940年，唐纳德·克斯特，应用的轨道磁体结构的仔细计算，在伊利诺伊州，第一个电子感应，磁感应电子加速器大学建立的结果。

现代物理学：粒子加速器

二战结束后有加速粒子高能的科学进展迅速。 它在莫斯科开始埃德温·麦克米伦大学伯克利分校和弗拉基米尔·韦克斯勒。 在1945年，它们都彼此独立地已经描述的相稳定性的原理。 这一概念提供以保持颗粒的稳定轨道在于取消了对质子能量限制和帮助创建电子的磁共振加速器（同步加速器）一个圆形加速器的装置。 自动相位辨识，相稳定的原则实施，小同步回旋加速器在加州大学的建设和英国同步后得到了证实。 此后不久，第一质子线性谐振加速器已创建。 这一原则是自那时以来修建的所有主要质子同步加速器使用。

1947年，威廉·汉森，在加利福尼亚州斯坦福大学，在建行波，它使用了第二次世界大战期间，已经开发了雷达微波技术的第一台电子直线加速器。

在研究方面取得了进展，通过增加质子能量，从而导致越来越大的加速器的建设成为可能。 这一趋势是高制造成本巨大的磁铁环被停止。 最大的重约40,000吨。 用于增加无机的大小，生长的能量的方法在约1952 godu利文斯通，新闻报和Snyder交替聚焦的技术进行了筛选（有时称为强聚焦）。 这个原理工作的同步加速器，使用磁铁比以前小100倍。 这种聚焦在所有现代同步加速器使用。

1956年克斯特意识到，如果颗粒的两套保留在相交的轨道，你可以看他们发生冲突。 这个想法的应用程序所需的积累加速束周期，称为累积。 该技术已实现交互粒子的最大能量。