Забрзувач на честички

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на: содржини, барај
Скица на електростатски Ван дер Графов генератор
Скица на Изинг/Видереова замисла за линиски забрзувач, кои користат осцилациони полиња (1928)

Забрзувач на честички — направа која користи електромагнетни полиња со цел да се придвижат наелектризирани честички до големи брзини и да ги задржи во добро обликувани зраци.[1] Големите забрзувачи на честички се познати по нивната употреба во честичната физика како судирачи (пр. LHC во ЦЕРН, RHIC во Брукхејвенската национална лабораторија, и Тевaтрон во Фермилаб). Другите видови на забрзувачи имаат најразлични примени, вклучувајќи и терапии за онколошки цели и како синхротронски светлински извор за изучување на физиката на кондензираната материја.Во моментов има повеќе од 30.000 забрзувачи кои се во употреба низ целиот свет.[2]

Постојат два основни вида на забрзувачи: електростатички и осцилаторни.[3] Електростатичките забрзувачи користат статични електрични полиња за да ги забрзаат честичките (пр. катодната цевка кај постарите телевизори). Други примери се Кокрофт–Валтоновиот генератор и Ван де Графовиот генератор. Електричниот пробив го спречува значајното создавање на кинетичка енергија во овие уреди. Осцилаторните забрзувачи, пак, ги користат електромагнетните полиња на радио фреквенциите со што се избегнува проблемот со пробивот. Овие забрзувачи се изградени во 1920-ите и се основа за сите современи замисли за забрзувачите.

Ролф Видере, Густав Изинг, Лео Силард, Доналд Керст и Ернест Лоренс се сметаат за пионери на ова поле поради создавањето на првиот линиски забрзувач[4], како што се бетатронот и циклотронот.

Бидејќи судирачите можат да дадат докази за структурата на субатомскиот свет, забрзувачите се честопати нарекувани атомски судирачи во 20-тиот век.[5] покрај фактот дека повеќето забрзувачи (со исклучок на јонските) всушност придвижуваат субатомски честички, и овој поим е во употреба кога се зборува за забрзувачите на честичките воопшто.[6][7][8]


Употреба[уреди | уреди извор]

Зраководи кои водат од Ван де Графовиот генератор до различни опити, во подрумските простории во Жисјевиот универзитет во Париз.
Графички збирен приказ на индустриски забрзувачи на честички според нивната примена.
Кофлеровиот забрзувач на чстички кој денес е вон употреба во Вајцманов институт, Реховот, Израел.

Зраците од честичките со висока енергија се употребуваат за основни и за применети истражувања во науките, воедно и во многу технички и индустриски полиња кои не се поврзани со основните истражувања. Пресметано е дека ширум светот постојат околу 30.000 забрзувачи. Од овие, само околу 1% се за истражувчки цели, кои имаат енергиии над 1 GeV, додека околу 44% се за радиотерапија, 41% за јонска имплантација, 9% за индустриско преработување и истражување, и 4% за био-медицински и други истражувања кои користат ниски енергиии. Графикот покажува анализа на бројот на индустриски забрзувачи споредно со нивната примена.[9]Пресметките се засновани на статистички податоци од 2012 година, достапни преку различни извори, вклучувајќи создавање и информации за продажбата кои се објавени во презентации или маркетни анкети, воедно и податоци обезбедено од страна на неколку произведувачи.[10].

Високоенергетска физика[уреди | уреди извор]

За основните прашања во динамиката и структурата на материјата, вселената, времето, физиката ги разгледува наједноставните видови на заемодејства при највисоките можни енергии. Станува збор за честички со големи енергии од неколку GeV, и заемодејства на најпростите видови на честички: лептони (позитрони и електрони) фотони, глуони, кваркови и сл. Бидејќи изолираните кваркови се недостапни за експерименти, најпростите достапни експерименти вклучуваат меѓусебните заемодејства на лептони, но и лептони со нуклеони кои се составени од кваркови и глуони. За да се проучат меѓусебните судири на кварковите, научниците судараат нуклеони, кои при високи енергии може да се сметаат за заемодејства на кварковите и глуконите од кои тие се составени. Според тоа честичните физичари се стремат да употребуваат машини со што создаваат зраци на електрони, позитрони, протонии и антипротони, со што тие заемодејствуваат меѓусебно или со наједноставните јадра (на пример водород или деутериум) за највисоки можни енергии.

Најголемиот абрзувач со најголема енергија кој се користи во честичната физика е Големиот хадронски судирач (LHC) во CERN (кој е пуштен во работа во ноември 2009 година).[11][12][13]

Нуклеарната физика и добивањето на изотопи[уреди | уреди извор]

Нуклеарните физичари и космолози користат зраци од соголени атомски јадра, без елетрони за да се истражи структурата, заемодејствата и својствата на самите јадра и на кондензиранта материја при енормно високи температури и густини, какви што веројатно постоеле при првите моменти на Големата експлозија. За овие истражувања најчесто се користат тешки јадра на атоми како оние на златото или железото при високи енергии. Најголемиот таков забрзувач на честички е Релативистичкиот судирач на тешки јони (RHIC) во Брукхејвенската национална лабораторија.

Честичните забрзувачи, кои можат да произведат изотопи збогатени со протони за медицински или истражувачки потреби, спротивно на оние збогатени со неутрони во фисионите реактори, сепак, неодамнешната работа покажала како да се добие 99Mo, кои вообичаено се добива во реакторите, при забрзувањето на изотопи на водородот,[14] иако овој метод побарува реактор кој може да произведе трициум. Пример за ваква машина е LANSCE во Лос Аламос.

Синхотроно зрачење[уреди | уреди извор]

Покрај тоа што се од основен интерес, електроните со високи енергиии можат да оддадат сјајни и кохерентни зраци од фотони со висока енергија преку синхотроното зрачење, кое пак има бројни употреби во изучувањето на атомската структура, хемијата, физиката на кондензираната материја, биологијата и технологијата. Примери за вакво зрачење ЕПСЗ во Гренобл, Франција, кој неодамна бил употребен за добивање на тридимензионални слики на инсект заробени во килибар.[15] Па од овие причини има голема побаувачка на електронски забрзувачи со средна енергртска јачина (GeV) и голем интензитет.

Нискоенергетски машини и честична терапија[уреди | уреди извор]

Секојдневен пример за забрзувачи на честици се катодните цевки кои се наоѓаат во телевизорите и рендгенските цевки. Овие нискоенергетски забрзувачи користат пар на електроди со еднонасочна струја со напон од неколку илјади волти. Кај секој рендгенски генератор, метата е една од електродите. Нискоенергетски забрзувач на честички наречен јонски имплантатор се користи при произзводството на интегрални кола.

При пониски енергии, зраците на забрзани јадра исто така се користат во медицината како честична терапија, при лекувањето на рак.

Забрзувачите на еднонасочна струја способни да ги забрзуваат честичките до брзини доволно големи за да се предизвикаат нуклеарни реакции се Кокрофт Валтонов генератор или напонски мултипликатори, кој ја претвораат наизменичната струја во високонапонска еднонасочна струја, или Ван де Графов генератор кој користи статички електрицитет.

Електростатични забрзувачи на честички

Едностепен 2 MeV Ван де Графов забрзувач од 1960-ите, на сликата прикажан при сервисирање.

Историски, првите забрзувачи користеле едноставна технологија на статичен висок напон кој ги забрзувал честичките. Наелектризираните честички се забрзувале преку вакуумски цевки со електроди на нивните краеви, меѓу кои постоела статичка потенцијална разлика. Бидејќи честичките минуваат само еднаш низ потенцијалната разлика, излезната енергија е ограничена од напонот на машината. Иако овој метод е многу користен и денес, електростатичните забрзувачи се најпогодни за пониски енергетски изучувања поради ограничувањата на напонот од околу 1MV за машините со воздушна изолација, или 30MV за забрзувачите потопени во резервоар со гас под притисок со висока диелектрична сила, како на пример кај сулфур хексафлуоридот. Во двојните забрзувачи, потенцијалот се користи двапати за да ги забрза честичките со менување на полнежот на честичките во внатрешноста на терминалот. Ова е можно со забрзувањето на атомските јадра користејќи анјони (негативно наелектризирани јони), а потоа со пропуштање на зракот низ тенка фолија да ги се одвојат електроните од анјоните во внатрешноста на високонапонскиот терминал, претворајќи ги во катјони (позитивно наелектризирани честички), кои исто така се забрзуваат при напуштањето на терминалот.

Двата главни видови на електростатички забрзувачи се Кокфорт-Волтоновиот забрзувач, кој користи напонски намножувач со диоден кондензатор за да произведе висок напон, и Ван де Графовиот забрзувач, кој користи подвижен појас од ткаенина кој го пренесува полнежот до високонапонската електрода. Иако електростатичките забрзувачи ги забрзуваат честичките линиски, поимот за линиски забрзувач почесто се користи за забрзувачи кои создаваат осцилирачки наместо статични електрични полиња.

Електродинамички (електромагнетни) забрзувачи на честички[уреди | уреди извор]

Поради високиот напон кој постои при празнењето, со цел да се забрзаат честиците до поголеми енергии, се применуваат променливи полиња, односно се избегнува употребата на статички полиња. Електродинамичкото забрзување може да биде поттикнато од два механизми: нерезонантна електромагнетна индукција, резонантни кола или пак шуплини возбудени од РФ полиња. [16] Електродинамичките забрзувачиможат да бидат линиски, каде честичките се забрзуваат по права линија, или кружни, користејќи магнетни полиња за честичките да се движат по кружни патеки.

Бетатрони[уреди | уреди извор]

Crystal Clear app xmag.svg Главна статија: „Бетатрон.

Бетатронот е кружен индукционен магнетен забрзувач, осмислен од Доналд Керст во 1940 година за забрзување на електроните. Концептот потекнува од норвешко-германскиот научник Ролф Видере. Овие машини, исто како и синхотроните, користат магнет со облик на крофна (погледајте подолу) со циклично зголемувачко магнетно поле B, но ги забрзуваат честичките со индукција од нараснувачкото магнетно поле, како да се всушност втората намотка кај трансформаторот, поради променливиот магнетен флукс низ орбитата.[17][18]

Постигнувањето на постојан орбитален полупречник, сопстеното забрзувачко електрично поле побарува магнетниот флукс поврзан со орбитата да биде на одреден начин независен од магнетното поле на орбитата, закрвувајќи ја патеката на честичките во крива со постојан полупречник.

Линиски забрзувачи на честички[уреди | уреди извор]

Crystal Clear app xmag.svg Главна статија: „Линиски забрзувач на честички.

Кај линиските забрзувачи на честички (линак), честичките се забрзуваат по прави линии при што метата е на спротивниот крај од патеката. Тие најчесто се користат за да го обезбедат првичниот нискоенергетски поттик пред честичките да се вбризгаат во кружните забрзувачи. Најдолгиот линиски забрзувач е Линискиот забрзувач во Станфорд, SLAC, кој има должина од 3 km. SLAC е електронско-позиронски судирач.

Линиските забрзувачи користат низа на дискови на кои се нанесува променливо поле на енергија. Како што честиците се доближуваат до дисковите, тие се забрзуваат од спротивно наелектризираните дискови. При преминувањето низ средиштето во дискот, се менува поларитетот на дискот така што истиот започнува да ги одбива, па тие забрзуваат кон следниот диск. Вообичаено се забрзува сноп на честици и затоа се применува претпазливо регулиран наизменичен полнеж на секој диск со цел да се повторат процесите.

Како што честичките се забрзуваат до брзината на светлината промената на електричните полиња станува толку висока, што тие започнуваат да работат на радиофреквенции, па при високите енергии се користат микробранови шуплини.

Линиските забрзувачи исто така се користат и во медицината, за радиотерапија и радиохирургија. Медицинските забрзувачи забрзуваат електрони користејќи клистрон и сложен систем на магнети кој обезбедува зрак со енергија од 6-30 MeV. Електроните можат да се искористат веднаш или пак може да се судираат со мета и да се добијат рендгенски зраци. Поузданоста, флексибилноста и прецизноста на зрачењето на овие машини ги надминува затарените терапии со кобалт-60.

Современ суперспроводен радиореквентен, повќеќелиска компонента на линиски забрзувач.

Кружни или циклични забрзувачи[уреди | уреди извор]

Во кружните забрзувачи, честичките се движат во круг додека не добијат доволно енергија. Патеката на честичките се искривува во кружен облик со употреба на магнети. Предноста на кружните забрзувачи е што кај нив е можно постојано забрзување.

Зависно од енергијата и честичките кои се забрзуваат, кружните забрзувачи имаат неостиг поради кој честичките оддават, синхотроно зрачење. Кога некоја честичка е забрзана таа оддава електромагнетно зрачење како и второстепено зрачење. Како што честичката која се движи во кружно постојано забрзува кон центарот на кругот, таа постојано оддава зрачење тангенцијално по кружницата. Ова зрачење се нарекува синхотрона светлина и зависи диркетно од масата на честичката која се забрзува. Поради ова многу електронски забрзувачи со голема енергија се линиски забрзувачи.

Бидејќи според специјалната теорија на релативноста материјата секогаш се движи поспоро од светлината во вакуум, кај високоенергетските забрзувачи, како што се зголемува енергијата честичките се приближуваат кон граничната брзина на светлината, но никогаш не успеваат да ја постигнат. Па затоа честичните физичари не ги воопштуваат работите преку брзината туку преку нивната енергија и импулс, кои вообичаено се мерат во електронволти (eV). Важно начело за кружните забрзувачи и самите честични зраци, е дека закривеноста на патеката на честилките е пропорционална со полнежот на честичката и магнетното поле, но обратнопропорционална со (вообичаено релативистичкиимпулсот.

Циклотрони[уреди | уреди извор]

Лоренсовиот 60 инчен циклотрон, со магнетни полови од 60 инчи во пречник, во Калифорнискиот универзитет при Лоренс Берклиевата национална лабораторија, сликан во август 1939 година, најмоќниот забрзувач во светот во тој период. Глен Сиборг и Едвин Мекмилан (десно) го искористиле истиот за откривањето на плутониумот, нептуниумот и многу други задураниумски елементи и изотопи, за што ја добиле Нобеловата награда за хемија во 1951 година.
Crystal Clear app xmag.svg Главна статија: „Циклотрон.

Најраните кружни забрзувачи биле циклотроните, осмислени во 1929 година од страна на Ернест Лоренс на Калифорнсикиот универзитет. Циклотроните имаат пар на шупливи во облик на буквата 'D' дискови со кои ги забрзуваа честичките и еден голем диполен магнет кој ќе ја закривува патеката по кружна патека. Карактеристично својство за честичките во непроменливо постојано магнетно поле B низ кое тие ќе се движат со постојан период, со фреквенција наречена циклотронска фреквенција, се додека брзината е помала од брзината на светлината c. Ова значи дека забрзувачките дискови на циклотронот можат да се управуваат со постојана фреквенција со забрзувачки извори на радиофреквенции, како што зракот постојано се движи спирално. Овие честички се вметнати о центарот на магнетот и излегуваат на другиот крај со максимална енергија.

Циклотороните имаат гранична енергија поради релативистичките ефекти од кои честичките стануваат помасивни, па тка нивната цикотронска фреквенција не постигнува синхронизација со забрзувачките радиофреквенции. Па така, едноставните циклотрони може да забрзуваат протони со енергии од околу 15 милиони електронволти (15 MeV, што е приближно околу 10% од c), бидејќи протоните не се во фаза со придвижувачкото електрично поле. Ако се забрзуваат понатамошно,зракот ќе продолжи спирално да се придвижува со поголем полупречник но честичките нема понатамошно да забрзуваат за да го направат поголемиот круг во чекор со забрзувачките радиофреквенции. За да се надомести за релативистичките ефекти потребно е да се зголеми полупречникот на магнетното поле, како што тоа се прави во изохрони циклотрони. Пример за изохрон циклотрон е прстенестиот циклотрон PSI во Швајцарија, кој забрзува протони до енергии од 590 MeV што приближно одговара на 80% од брзината на светлината. Предноста на ваквиот циклотрон е максималната извлечна протонска струја од 2,2 mA. Енергијата и струјата кои соодвествуваат на зрак со моќност од 1,3 MW што е највисоката енергија меѓу постоечките забрзувачи.

Магнет во синхротронот во центарот Орсе за протонска терапија.

Синхроциклотрони и изохрони циклотрони[уреди | уреди извор]

Crystal Clear app xmag.svg Главни статии: „Синхроциклотрон“ и „Изохрон циклотрон.

Synchrocyclotrons have not been built since the isochronous cyclotron was developed.

Класичниот циклотрон може да се модифицира за да му се зголеми граничната енерија. Историски првиот чекор бил синхроциклотронот, кој ги забрзува зраците на честички. Се користи постојано магнетно поле , но се намалува фреквенција на забрзувачкото поле па за да се зачува движењето на честичките спирално нанадвор, се изедначуваат од масено зависната циклотронска резонантна фреквенција.Овој пристап има недостатоци поради ниските просечни јачини на зраците, поради нивното групирање, и од потребата за голем магнет со голем полупречник и постојано поле низ целата орбита постигната со голема енергија.

Вториот пристап кон проблемот на забрзување на релативистички честички е изохрониот циклотрон. Со таква структура, забрзувачкото поле чија фреквенција се оддржува постојана за сите енергии со обликување на магнетните полови со цел да се зголеми полупречникот на магнетното поле. Со ова сите честички се забрзуваат во изохронски временски интервали. Честички со висока енергија патуваат помало растојание во секоја орбита по која што би патувале во класичениот циклотрон, така што остануваат во фаза со забрзувачкото поле. Предноста кај изохрониот циклотрон е што може да пренесува зраци со поголема просечна јачина, што е корисно за одредени примени. Главната слабост е големината и цената на магнетот, и тешкотијата да се достигне силното магнетно поле на надворешнот раб од машината.

Синхотроните не се во употреба и проиводство од воведувањето на изохрните циклотрони.

Синхотрони[уреди | уреди извор]

Crystal Clear app xmag.svg Главна статија: „Синхотрон.
Воздушна снимка на Теватрон при Фермилаб, кој наликува на бројот осум. Главниот забрзувач е прстенот одозгора, оној од долната страна (со половичен пречник) е за првичното забрзување, ладење на зраците и складирање.

За да се постигнат повисоки енергии, со релативистичка маса која се доближува или ја надминува масата на честичките, потребно е да се користи синхротрон. Синхротронот е забрзувач каде честиците се забрзуваат во прстен со постојан полупречник. Предноста над циклотроните е тоа што потребно е магнетното поле да биде присутно само над орбитата на честичките, орбита штое помала од онаа на прстенот. ( Најголемиот синхотрон кој е изграден на територијата на САД има пречник на магнетниот пол од 4,7 m, додека пак пречникот на синхотроните како LEP и LHC достигнува и 10 km. Пречникот на двата зраци во LHC изнесува неколку милиметри.

Сепак бидејќи импулсот на честичките се зголемува за време на забрзувањето, потребно е да се зголемува магнетото поле B пропорционално со цел да се задржи постојаното закривување на орбитата. Како последица синхротроните не можат да ги забрзуваат честичките постојано, како што тоа е можно кај циклотроните, но мораат да работат циклично, обезбедувајќи зраци од честички до одредените мети или пак надворешен зрак се провлекува во другиот зрак на неколку секунди.

Бидејќи високо енергетските синхотрони работат претежно со честички кои веќе се движат со брзини блиски до брзината на светлината c, времето потребно за да се обави една орбита во прстенот е постојано, т.е. како фреквенцијата на РФ шуплински резонатори со која се поттикнува забрзувањето.

Кај современите синхотрони, пречникот на зракот е многу мал и магнетното поле целосно не ја препокрива површината на зракот како што е случајот со циклоторонот, па затоа може да се издвојат неколку потребни функции. Наместо еден огромен магнет, се користат стотици магнети, низ кои минуваат цевки со вакуум. Дизајнот на синхротроните бил револуционизиран во 50-тите години на дваесетиот век со откривањето на силно фокусирачкиот концепт.[19][20][21] Фокусирањето на зракот е независно од специјализираните квадриполни магнети, каде самото забрзување е постигнато од одвоени РФ делови, налик на кусите линиски забрзувачи. Исто така, нема потреба цикличните машини да бидат кружни, наместо тоа цевките низ кои се движи зракот може да има прави делови меѓу магнетите каде зраците може да се судрат, оладат, итн. Од ова произлегла целосно нова наука наречена „зрачна физика“ или „зрачна оптика“.[22]

Посложените современи синхотрони како што се Теватрон, LEP, и LHC може да испорачаат зраци од честички во складишен прстен на магнети со постојано магнетно поле B, каде можат да продолжат да орбитираат во долги периоди за експериментираер или пак понатамошно забрзување. Највисокоенергетските уреди како Теватрон и LHC се всушност сложени забрзувачи, со каскада на специјализирани елементи во низи, вклучувајќи линиски забрзувачи за почетното создавање на зраците, еден или повеќе нискоенергетски синхотрони се користат зза постигнување на средните енергии, складишни прстени каде зраците може да се насобираат или „изладат“ (намалување на магнетниот отвор со што се овозможува потесно фокусирање; погледајте зрачно ладење), и на крајот е големиот прстен за конечното забрзување и експериментирање.

Дел од електронскиот синхотрон во DESY
Електронски синхотрони[уреди | уреди извор]

Кружните електронски забрзувачи се надвор од употреба со изградбата на забрзувачот на честички SLAC бидејќи нивните синхотрони загуби се сметале за економско неиздржливи и јачитанта на зраците била пониска непулсирачките линиски машини. Корнеловиот електронски синхотрон, изграден со ниски трошоци кон крајот на 1970-ите, бил првиот во низата високоенергетски кружни електронски забрзувачи употребени во честичната физика, додека пак последниот е LEP, во CERN, кој бил во употреба од 1989 до 2000 година.

Голем број на електронским синхотрони се изградени во последните две децении, како дел од синхотроните извори на светлина кои оддават ултравиолетова светлина и рендгенски зраци. (Погледајте подолу).

Скалдишни прстени[уреди | уреди извор]

Crystal Clear app xmag.svg Главна статија: „Складишен прстен.

За некои примени, се корисни за складирање на зраците од високоенергетските честички за одреден период (со современата високовакуумска технологија, и по неколку часови) без понатамошно забрзување. Ова е особено вистинито за судирачките забрзувачи, кај кои два зраци движејќи се во спротивни насоки се судираат еден со друг, со голема придобивка на делотворна судирна енергија. Бидејќи се случуваат само неколку судири низ пресеците на зраците, вообичаено е првично да се забрзаат зраците до посакуваната енергија, за подоцна да се складираат во складишните прстени, кои всушност се синхотрони прстени од магнети, без значајна РФ моќност за забрзување.

Синхотрони извори на зрачење[уреди | уреди извор]

Crystal Clear app xmag.svg Главна статија: „Синхотрони светлиснки извори.

Некои кружни забрзувачи се намерно нправени за да создаваат зрачење (наречена синхотрона светлина) во вид на рендгенски зраци наречено и уште синхотроно зрачење, на пример Дијамант кој е изграден при Радерфордово Апелтоновата лабораторија во Англија или пак Напредниот фотонски извор при Аргонската национална лабораторија во Илиноис, САД. Високоенергетските рендгенски зраци се корисни за рендгенската спектроскопија на белковини или на пример кај рендгенското впивање на фината структура (XAFS).

Синхотроното зрачење е многу помоќен извор на светлински честички, па овие забрзувачи се непроменливи електронски забрзувачи. Синхотроното зрачење дозволува подобри слики како што се истражува во SLAC.

FFAG забрзувачи[уреди | уреди извор]

Crystal Clear app xmag.svg Главна статија: „FFAG забрзувач.
Забрзувач со наизменичен наклон во постојано поле (FFAG), кај кои многу силно радијално градиентско поле, комбинирано со силнофокусирање, му овозможува на зракот да биде собран во тесен прстен, и се продолжение на идејата за изохрони циклотрони.[23] Тие користат Рф забрзувачки делови меѓу магнетите, и со тоа се изохрони за релативистичките честички како што се електроните (кој ја достигнуваат брзината на светлината при неколку MeV), но при ограничен енергетски опсег за протоните и потешките честички при подрелативистички енергии. Како и изохроните циклотрони, тие постигнуваат постојано зрачно дејство, но без потребата од огромен диполен закривувачки магнет кој го покрива целиот полупречник на орбитите.

Историја[уреди | уреди извор]

Првиот циклотрон на Ернест Лоренс бил со пречник од само 100 mm. Подоцна, во 1939 година, тој направил машина која имала пречник од 60 инчи, а во 1942 година планирал да направи и уште еден со пречник од 184 инчи, кој .за време на Втората светска војна бил користен за раздвојување на изотопите на ураниумот, а по војната продолжил да се користи во медицината.

Првиот голем протонски синхотрон бил Космотрон во Брукхејвенската национална лабораторија, кој ги забрзувал протоните до енергии од околу 3 GeV (1953–1968). Беватронот во Беркли, завршен во 1954 година, бил дизајниран конкретно за забрзување на протони со доволна енергија за да се создадат антипротони, и да ја потврди симетријата на честичка-античестичка во природата. Синхротронот со променлив градиент во Брукхејвен, бил најголемиот синхротрон со променлив градиент, со силно фокусирачки магнети кои значително го намалувале потребниот пречник на зракот, и е во согласност со цената и трошоците за закривувачките магнети. Протонскиот синхротрон изграден во CERN бил првиот голем европски забрзувач на честички и бил сличен со синхотронот со променлив градиент.

Стенфордскиот линиски забрзувач започнал со работа во 1966 година и ги забрзувал честичките до енергија до 30 GeV со брановод со должина од 3км, закопан во тунел и напојуван од стотици големи клистрони. Се уште е најголемиот линиски забрзувач и е надограден со складишни прстени и со електронско-позитронски судирач. Истиот е исто така извор на рендгенски зраци и ултравиолетова светлина

Фермилабовиот Теватрон има прстен со орбита со должина од 6,4 km. Неколкупати е надградуван, и функционира како протонско-антипротонски судирач се додека не бил затворен поради кратење на буџетските трошоци во септември 2011 година. Најголемиот кружен забрзувач е LEP, синхротрон во CERN со обиколка од 26,6 километри, кој бил судирач на електрони и позитрони. Достигнувал енергија од 209 GeV пред да биде расклопен во 2000 со цел подземниот тунел да биде искористен за Големиот хадронски судирач. Големиот хадронски судирач е протонски судирач, и е моментално најголемиот високоенергетски забрзувач, кој достигнува енергија по зрак од 7 ТеV (вкупно 14 TeV).

Напуштениот Суперспроводен суперсудирач (SSC) во Тексас ќе имал орбита од 87 km. Изградбата започнала во 1991 година, но била напуштена во 1993 година. Големите кружни судирачи се градат во подземни тунели со широчина од неколку метри за да се минимализира нарушувањето и трошоците за градењетона ваквите градби на површината, и да се обезбеди заштита од второстепените зрачења кои можат при високи енергии длабоко да навлезат во почвата.

Моменталните забрзувачи како што е Спалацискиот неутронски судирач, вклучуваат и суперспроводни криомодули. Релативистичкиот судирач на тешки јони, и Големиот хадронски судирач исто така ги користат суперспроводните магнети и РФ шуплински резонатори за да се забрзаат честичките.

Мети и детектори[уреди | уреди извор]

Излезното дејство на забрзувачот на честици генерално може да биде употребен во повеќе видови на експерименти, но еден по еден во даден момент, со помош на променлив електромагнет. Ова овозможува да се изведуваат повеќе експерименти без потреба од преместување на работите или целосно исклучување на зракот на забрзувачот. Освен за синхротроните извори на зрачење, намената на забрзувачот е да создава честици со голема енергија за заемодејство на материјата.

Станува збор за неподвижна цел, како што е фосфорниот премаз на задниот дел на екранот во катодната цевка во телевизорите или парче ураниум во забрзувач дизајниран како извор на неутрони или пак волрамова цел за создавање на рендгенски зраци. Кај линиските забрзувачи метата е едноставно поставена на крајот на забрзувачот. Патеката на честичките во циклотронот спирално се движи од ценатарот на кружната машина, па така забрзаните честички излегуваат од неподвижна точка како кај линиските забрзувачи.

Кај синхротроните, ситуацијата е посложена. Честичките се забрзуваат до посакуваната енергија. Подоцна, се користи диполен магнет за да се пренасочат честичките од кружната синхротона цевка кон метата.

This can increase the energy enormously; whereas in a fixed-target experiment the energy available to produce new particles is proportional to the square root of the beam energy, in a collider the available energy is linear

Еден вид на судирачи кои честопати се користат во истражувањата во честичната физика, наречени и складишни прстенести судирачи. Два кружни синхротрони се градат во непосредна близина, најчесто еден на друг и користејќи ги истите магнети (кои имаат посложен дизајн за да ги опфатат двете зрачни цевки). Групи на честички патуваат во спротивни насоки околу двата забрзувачи и се судираат во нивните меѓупресеци. Ова може да предизвика силно зголемување на енергијата, додека пак кај експериментите со неподвижни мети, енергијата потребна да се создадат нови честици е пропорционална на коренот од енергијата на зракот, кај судирач кај кои енергијата е линиска.

Повисоки енергии[уреди | уреди извор]

Ливингстонов график на кој се прикажува наредокот вво сударните енергии низ 2010 година. LHC е судирач со најголема енергија до денес, и е првиот пример кој јго нарушува логаритамско-линискиот тренд.

Денес забрзувачите со највисоки енергии се кружни забрзувачи, но и хадронските забрзувачи и електронските забрзувачи ги достигнуваат своите граници. Високоенергетските хадронски и јонско циклични забрзувачи ќе имаат потреба од забрзувачки тунели со поголема изичка големина поради зголемената зрачна крутост.

Кај кружните електронски забрзувачи, границата зависи од полупречникот на практичното закривување и загубите на синхотроното зрачење и наредната генерација ќе бидат линиски забрзувачи со должини поголеми десет пати од сегашните. Пример за ваков забрзувач на електрони е Меѓународниот линиски забрзувач со должина од 40 km, кој треба да се изгради во периодот од 2015–2020 година.

Се верува дека плазменото забрзување во облик на елктронски зрак и самостојните ласерски пулсирачи се во можност да обезбедат драматично зголемување на делотворноста за разлика од РФ забрзувачи во период од две три децении.Кај плазмените забрувачи, зрачната шуплина е исполнета со плазма (наместо вакуум). Кус пулс на електрони или ласерска светлина или се создава или пак ги следи честичките кои се забрзуваат. Пулсот ја нарушува плазмата, предизвикувајќи наелектризираните честички во плазмата да се вклопат и придвижат кон групата на честички кои се забрзуваат. При овој процес се пренесува енергија до групата на честички, забрзувајќи ги и понатамошно, и продолжува процесот се додека пулсот е кохерентен.[24]

Енергетски градиенти со чекор и од 200 GeV/m се постигнати при милиметарски растојанија користејќи ласерски пулсирачи[25] и градиенти кои се доближуваат до 1 GeV/m се добиваат повеќестепени сантиметарски зрачни електронски системи, во споредба со границата ода 0,1 GeV/m за радиореквентните забрзувачи. Постоечките забрзувачи како што е SLAC можно е да користи догорувачи на електронски снопови за значително да се зголеми енергијата на нивните зраци, но зракот губи од својата јачина. Електронските системи можат да обезбедат тесно колиматирани, поуздани зраци, ласерските системи можат да обезбедат поголема моќност и компактност. Па така може да се користат плазмени абрзувачи, доколку се разрешат техничките проблеми за да се зголеми максмалната енергија на најголемите забрзувачи и да се овозможат високи енергии во универзитетските и медицинските центри.

Повисоки енергии со градиенти од 0,25 GeV/m се постигнати од диелектричните ласерски забрзувачи, што можат да обезбедат уште еден можем пристп за изграда на високоенергетски забрзувачи.[26]

Создавање на црни дупки и бебедносна загриженост[уреди | уреди извор]

Поврзано: Безбедност на високоенергетските судирачки експерименти

Во иднина, можноста за создавање црна дупка во високоенергетските забрзувачи може да е вистинита доколку се точни одредени претпоставки од теоријата на суперструните.[27][28] Оваa и други можности за опасности доведоа до загриженост за безбедноста во јавноста поврзана со LHC кој започна со работа во 2008 година. Различните сценарија за опасностите биле проценети „не постои одредена закана“ од страна на групата за проценување на безбедноста при LHC. [29] Доколку се создадат цени дупки, теоретски е предвидено дека таквите рни дупки ви требало моментално да испарат преку т.н. Бекенштајн Хокингово зрачење, но ова досега експериментално не е докажано. Ако судирачите можат да создадат црни дупки, космичките зраци (поточно ултрависокоенергетските космички зраци, UHECR) би требало да ги создаваат истите со еони, но тие досега не повредиле никого. [30] Се шпекулира дека за да се зачува енергијата и импулсот, сите црни дупки создадени при судирите на и месната материја честичка, би биле создадени со брзини на релативистичко движење во однос на Земјата, и би требало да отидат во вселената, додека пак нивнота акреција и раст ќе бидат многу спори, додека пак црните дупки создадени во судирачите (со компоненти со иста маса) би имале шанса да имаат брзина помала од втората космичка брзина, од 11.2км/с, и би можела да биде заробена со што би следел и нејзин раст. Дури и при ваки сценарија спојот на UHECR со белите џуџиња и неутронските ѕвезди би воделе до нивно брзо уништување, но овие тела кои се набљудувани се вообичаени астрономски тела. На тој начин ако се создадат стабилни микро црни дупки, тие мора да растат премногу споро за да создадат некакви забележливи макроскопски ефекти во животниот век на сончевиот систем.[29]

Оператор со забрзувачи[уреди | уреди извор]

Операторот на забрзувачи ја контролира работата на забрзувачите на честички кои се користат во истражувачките експерименти, прегледи и експериментални распореди за да се определат експерименталните параметри одредени од страна на експериментаторот (физичар), да ги прилагоди параметрите на зракот како што се: соодносот на страните, јачината на струјата и местоположбата на метата, помага на екипите за оддржување за да се обезбеди спремноста на поддржувачките системи, како што се: вакуум, снабдување со енергија, магнети, нискоспроводна вода или НСВ ладење, и радиофреквентни снабдувачи со енергија и контроли, и води записник на сите настани поврзани со забрзувачот.

Поврзано[уреди | уреди извор]

Портал „Физика

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. Livingston, M. S.; Blewett, J. (1969). Particle Accelerators. New York: McGraw-Hill. ISBN 1-114-44384-0. 
  2. Witman, Sarah. „Ten things you might not know about particle accelerators“. Symmetry Magazine. Fermi National Accelerator Laboratory. http://www.symmetrymagazine.org/article/april-2014/ten-things-you-might-not-know-about-particle-accelerators. конс. 21 април 2014 г. 
  3. Humphries, Stanley (1986). Principles of Charged Particle Acceleration. Wiley-Interscience. стр. 4. ISBN 978-0471878780. http://www.fieldp.com/cpa.html. 
  4. Pedro Waloschek (ed.): The Infancy of Particle Accelerators: Life and Work of Rolf Wideröe, Vieweg, 1994
  5. six Million Volt Atom Smasher Creates New Elements. „Popular Mechanics“: 580. April 1935. http://books.google.ca/books?id=lNsDAAAAMBAJ&pg=PA580&dq=%22Six+Million+Volt+Atom+Smasher+Creates+New+Elements%22. 
  6. Higgins, A. G.. „Atom Smasher Preparing 2010 New Science Restart“, U.S. News & World Report, 18 декември 2009.
  7. Cho, A. (June 2, 2006). Aging Atom Smasher Runs All Out in Race for Most Coveted Particle. „Science“ том  312 (5778): 1302. doi:10.1126/science.312.5778.1302. 
  8. „Atom smasher“. American Heritage Science Dictionary. Houghton Mifflin Harcourt. 2005. стр. 49. ISBN 978-0-618-45504-1. 
  9. Feder, T. (2010). Accelerator school travels university circuit. „Physics Today“ том  63 (2): 20. doi:10.1063/1.3326981. Bibcode2010PhT....63b..20F. http://controls.als.lbl.gov/als_physics/Fernando/FSannibaleWebSite/Teaching/USPAS/USPASHighLights/PhysiscsTodayUSPAS_Feb2010.pdf. 
  10. Hamm, Robert W.; Hamm, Marianne E. (2012). Industrial Accelerators and Their Applications. World Scientific. ISBN 978-981-4307-04-8. http://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/7745. 
  11. CERN Press Office (February 9, 2009). "CERN management confirms new LHC restart schedule". Соопштение за печат.  конс. 10 февруари 2009 г
  12. CERN Press Office (June 19, 2009). "CERN reports on progress towards LHC restart". Соопштение за печат.  конс. 21 јули 2009 г
  13. CERN Press Office (November 23, 2009). "Two circulating beams bring first collisions in the LHC". Соопштение за печат.  конс. 23 ноември 2009 г
  14. Nagai, Y.; Hatsukawa, Y. (2009). Production of 99Mo for Nuclear Medicine by 100Mo(n,2n)99Mo. „Journal of the Physical Society of Japan“ том  78 (3): 033201. doi:10.1143/JPSJ.78.033201. Bibcode2009JPSJ...78c3201N. 
  15. Amos, J.. „Secret 'dino bugs' revealed“, BBC News, 1 април 2008 (конс. 11 септември 2008 г).
  16. Humphries, Stanley (1986). Principles of Charged Particle Acceleration. Wiley-Interscience. стр. 6. ISBN 978-0471878780. http://www.fieldp.com/cpa.html. 
  17. Chao, A. W.; Mess, K. H.; Tigner, M. и др., уред-ци (2013). Handbook of Accelerator Physics and Engineering (2nd издание). World Scientific. ISBN 978-981-4417-17-4. http://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/8543. 
  18. Humphries, Stanley (1986). „Betatrons“. Principles of Charged Particle Acceleration. Wiley-Interscience. стр. 326ff. ISBN 978-0471878780. http://www.fieldp.com/cpa.html. 
  19. Courant, E. D.; Livingston, M. S.; Snyder, H. S. (1952). The Strong-Focusing Synchrotron—A New High Energy Accelerator. „Physical Review“ том  88 (5): 1190–1196. doi:10.1103/PhysRev.88.1190. Bibcode1952PhRv...88.1190C. 
  20. Blewett, J. P. (1952). Radial Focusing in the Linear Accelerator. „Physical Review“ том  88 (5): 1197–1199. doi:10.1103/PhysRev.88.1197. Bibcode1952PhRv...88.1197B. 
  21. „The Alternating Gradient Concept“. Брукхејвенска национална лабораторија. http://www.bnl.gov/bnlweb/history/focusing.asp. 
  22. „World of Beams Homepage“. Lawrence Berkeley National Laboratory. http://bc1.lbl.gov/CBP_pages/educational/WoB/home.htm. 
  23. Clery, D. (2010). The Next Big Beam?. „Science“ том  327 (5962): 142–144. doi:10.1126/science.327.5962.142. Bibcode2010Sci...327..142C. 
  24. Wright, M. E. (April 2005). Riding the Plasma Wave of the Future. „Symmetry Magazine“ том  2 (3): 12. http://www.symmetrymag.org/cms/?pid=1000091. 
  25. Briezman, B. N.. „Self-Focused Particle Beam Drivers for Plasma Wakefield Accelerators“. http://peaches.ph.utexas.edu/ifs/ifsreports/Self-focused762.pdf. конс. 13 мај 2005 г. 
  26. Peralta, E. A.. „Demonstration of electron acceleration in a laser-driven dielectric microstructure“. http://www.nature.com/nature/journal/v503/n7474/full/nature12664.html. конс. 1 мај 2014 г. 
  27. „An Interview with Dr. Steve Giddings“. ESI Special Topics. Thomson Reuters. јули 2004. http://www.esi-opics.com/blackholes/interviews/SteveGiddings.html. 
  28. Chamblin, A.; Nayak, G. C. (2002). Black hole production at the CERN LHC: String balls and black holes from pp and lead-lead collisions. „Physical Review D“ том  66 (9): 091901. doi:10.1103/PhysRevD.66.091901. Bibcode2002PhRvD..66i1901C. 
  29. 29,0 29,1 Ellis, J. (5 September 2008). Review of the Safety of LHC Collisions. „Journal of Physics G“ том  35 (11): 115004. doi:10.1088/0954-3899/35/11/115004. CERN record. Bibcode2008JPhG...35k5004E. http://lsag.web.cern.ch/lsag/LSAG-Report.pdf. 
  30. Jaffe, R.; Busza, W.; Sandweiss, J.; Wilczek, F. (2000). Review of Speculative "Disaster Scenarios" at RHIC. „Reviews of Modern Physics“ том  72 (4): 1125–1140. doi:10.1103/RevModPhys.72.1125. Bibcode2000RvMP...72.1125J. 

Надворешни врски[уреди | уреди извор]