accelerator de particule

2 MeV etapă unică Van de Graaf accelerator liniar, deschis pentru întreținere. (1960)

În fizica particulelor, un accelerator de particule este o mașină a cărei scop este de a produce fascicule de ioni sau particule subatomice de umplutură , cum ar fi electroni , pozitroni , protoni și antiprotoni și fapte apoi se ciocnesc unele cu altele la „mare“ energie cinetică în formă de lovituri .

Metodele de accelerare a particulelor se bazează pe utilizarea în comun a electrice și magnetice câmpuri , din care prima furnizează energie pentru particulele încărcate prin accelerarea ei, în timp ce acesta din urmă în cele din urmă servesc să se aplece traiectoria lor prin exploatarea forței Lorentz ( de exemplu , în acceleratoarele circulare : ciclotron și sincrotron ) sau dispersii spațiale și impuls corecte ale grinzilor accelerate.

Astfel de mașini sunt utilizate în principal pentru ^[1] în scopuri industriale (60%) ( implantare de ioni , sterilizare), medical (35%) (pentru producerea de izotopi radioactivi sau a terapiei cu hadroni ), studiul structurii materialelor (de exemplu , exploatarea synchrotron radiatii ) sau în scopuri de cercetare (5%) in fizica particulelor (un fascicul de particule de mare energie permite sa sonda obiecte foarte mici). ^[2]

Istorie

Diagrama funcțională a unui accelerator liniar

Primele acceleratoare (electrostatice sau potențiale care se încadrează) exploatat câmpuri electrice statice , în care ionii accelerat între potențialele diferențe mai mari de 10-20 MV (același potențial care există între pământ și un nor înainte de un fulger lovește). Primul accelerator de acest tip a fost construit de Robert Van de Graaff (din care își ia numele) în 1931. Acesta a fost urmat de cel făcut de Cockroft și Walton în 1932 pentru primele studii privind fisiunea nucleară în laborator. În cele din urmă, o versiune mai eficientă a acceleratorul Van de Graaff (tandem accelerator) a permis accelerarea între diferențele de potențial de două ori la fel de mare ca și predecesorul său.

Necesitatea de a accelera particule la energii mult mai mari decât cele realizabile cu acceleratoare electrostatice a luat forma cu acceleratoare liniare (acceleratoare liniare, de obicei LINAC) care au utilizat alternativ câmpuri electrice, primul exemplu care datează lucrarea teza lui Rolf Wideroe în 1928. cu aceste mașini problema de a avea o singură treaptă de accelerare (o singură diferență de potențial) a fost rezolvata prin aranjarea într - o linie dreaptă , o serie de electrozi cilindrice la care o diferență de potențial în impulsuri a fost aplicat astfel încât , în spațiul dintre doi cilindri contigue exista întotdeauna un câmp electric de accelerare într-o direcție și în fază cu trecerea particulelor accelerate. Cu acest tip de mașini, cu toate acestea, nu a fost posibil să se accelereze un fascicul continuu de particule (deoarece numai cele în fază cu câmpul electric sunt accelerate), astfel încât fasciculul a fost împărțit în mănunchiuri.

Schemă de funcționare a unui ciclotron .

Necesitatea de a ajunge la energii tot mai mari a luat forma cu ciclotronul , primul accelerator circular , construit de Lawrence în 1930. Ideea a fost de a trece în mod repetat , particulele în aceeași cavitate de accelerare (spre deosebire de LINAC, în cazul în care pentru a crește energia fasciculului accelerat ea este necesară creșterea lungimii mașinii). Ciclotronul este format din doi electrozi în formă D- tubulare, cufundat într - un câmp magnetic constant și conectate la o diferență de potențial alternant la o frecvență constantă. Sursa de particule (ioni inițial) este plasat exact în centru. Ionii emise de sursa sunt accelerați de câmpul electric și introduceți unul dintre cei doi electrozi în care acestea sunt supuse doar câmpul magnetic. Aici ei sunt curbate și să descrie un semicerc pe care le aduce înapoi în regiunea de accelerare și apoi la celălalt electrod.

Procesul continuă până la raza ultimei semicercului descris de particule este mai mică decât raza electrodului, după care particulele părăsesc mașina. Energia realizabilă maximă este limitată de raza electrozilor și intensitatea câmpului magnetic. Mai mult, particulele sunt accelerate la fiecare trecere între cele două cavități în cazul în care acestea ajung în fază cu câmpul electric, adică dacă lor frecvență de rotație este egală cu frecvența câmpului: această condiție este verificată pentru viteze non-relativiste . La viteze mai mari (și, prin urmare, pe măsură ce crește de energie), devine necesară pentru a reduce frecvența câmpului electric în timpul ciclului de accelerare. Mașinile care lucrează în acest fel sunt numite sincrone ciclotroane și sunt capabile să accelereze protoni și ioni de până la energii de aproximativ 500 MeV.

Schemă de funcționare a unui sincrotron

Ciclotroane au fost concepute pentru a accelera în principal ioni și protoni și , prin urmare , au fost nepotrivite pentru accelerarea electronilor , pentru care vitezele relativiste sunt atinse rapid. Din acest motiv, Donald William Kerst și Serber modificat ideea Wideroe și a construit o mașină pe care au numit betatron (numele se datorează modului electroni au fost numite inițial, adică razele beta). Funcționarea sa exploatează inducție electromagnetică, fără necesitatea de a utiliza accelerarea câmpuri electrice: particulele sunt introduse într-un inel cufundat într-un domeniu care este intensificat treptat. Schimbarea în fluxul câmpului magnetic în inelul oferă electroni cu forța electromotoare care le accelerează. În această schemă, energia maximă realizabilă se datorează exclusiv intensitatea maximă a câmpului magnetic realizabil.

După război, oamenii au început să se gândească din nou despre cum să crească în continuare energiile accesibile cu acceleratoare construite până atunci, iar această nevoie reînnoită a condus la dezvoltarea sincrotron conceptului, la baza acceleratoare circulare moderne și inele de acumulare care sunt încă astăzi un instrument indispensabil pentru fizica energiilor înalte. Aceste mașini noi rezumă principalele caracteristici ale acceleratorii anterioare: accelerare prin cavități rezonante, variația frecvenței câmpurilor de accelerare și variația intensității câmpurilor magnetice.

Descriere

Principiul: șocuri și acceleratori

Același subiect în detaliu: Accelerator fizica .

ATLAS detector la CERN

Principiul fizic al generării de noi particule este simplu unul de coliziuni de mare energie: prin coliziunea cu fiecare alte particule cu energie cinetică ridicată, adică aproape de viteza luminii c, produsul (sinteză) este, pentru egalitatea între masă și energie , o mai mare particulă nouă, masa / energie , care se dezintegrează în general în alte particule fiice. Din analiza acestor dezintegrări este posibilă trasarea caracteristicilor particulei părinte. Accelerarea particulelor până la vitezele / energiile dorite se obțin prin acționarea asupra particulelor încărcate prin aplicarea corespunzătoare câmpurilor electromagnetice .

În fizica particulelor, în general, două moduri sunt posibile pentru a detecta noi particule subatomice:

• detectoare de pasive care exploatează naturale coliziuni de energie înaltă între energie înaltă raze cosmice și pământul e atmosfera, detectarea produselor sau dezintegrări lor: aceasta este optica in care astrofizică particulelor se mișcă. Cu toate acestea, aceste coliziuni sunt mai puțin frecvente și mai puțin controlabile decât cele care pot fi produse în laborator, folosind acceleratoare de particule.
• utilizarea acceleratoarele de particule încărcate pentru a produce particule foarte mare de energie grinzi în cantități notabile, care sunt apoi făcute pentru a ciocni unul cu celălalt, detectarea produselor lor in detectori speciale (ciocniri artificiale).

Tipuri de acceleratoare

Ciclotron

Acceleratori de mare energie

Cele mai cunoscute acceleratoare sunt cele utilizate în cercetarea de fizica particulelor pentru a investiga structura materiei pe o scară subnucleară. Aceste acceleratoare, cum ar fi LHC de la CERN de la Geneva, care are o circumferință de 27 km, sunt extrem de costisitoare și construcția lor este posibil datorită sinergiilor și colaborări între mai multe instituții de cercetare din diferite țări.

Acceleratori de consum redus de energie

Cele mai numeroase sunt acceleratori de consum redus de energie, cum ar fi un televizor tub catodic sau X - ray radiografiile . Aceste acceleratoare simple de a utiliza diferența de potențial de câteva mii de volți pentru a accelera electroni sau ioni la un maxim de energie de ordinul a 100 MeV . Acceleratoare de joasă energie sunt utilizate , de exemplu , pentru ionii de implant în circuite integrate , în fizica nucleară de cercetare, ca pre-acceleratoare pentru cele mai puternice, pentru a crea izotopi instabili care nu pot fi sintetizate în reactoare nucleare . O utilizare importantă este în medicină, în radioterapie pentru tratamentul tumorilor .

Interiorul tunelului LHC, în cazul în care superconductoare magneți au fost instalate .

Alte clasificări

Acceleratori pot fi diferențiate pe baza traiectoriei urmate de particule, care este de obicei liniar sau circular sau în spirală . În primul caz vorbim de acceleratoare liniare și sunt , de obicei fixe țintă, adică fasciculul de particule se face ciocni pe o țintă staționară în raport laborator. acceleratori circulare, pe de altă parte, pentru că două fascicule de particule curbate împreună cu câmpuri magnetice pentru a ciocni; avantajul în al doilea caz este energia mai mare disponibil în centrul de masă , indicat cu s ^2, principalul dezavantaj este radiația sincrotron .

Alte distincții pot fi făcute în funcție de tehnologia utilizată de accelerare: câmpuri electrostatice, câmpuri electrice variabile, câmpuri magnetice sau tehnici speciale, ca în acceleratoare de viitor, de exemplu ciclotron în care doriți să accelereze un fascicul de particule principal prin grinzi secundare.

O distincție finală poate fi făcută prin luarea în considerare tipul de particule accelerate. În ceea ce privește mașinile circulare, cele mai frecvente sunt electron - pozitron si hadronice cele, de obicei proton - proton sau proton - antiprotoni . Pentru fizică nucleară studii , există acceleratoarele care accelerează grele nuclee .

Betatron

• Electrostatic sau Van de Graaff accelerator
• Tandem de Van de Graaff
• Circuit Multiplicator sau Cockcroft-Walton
• Betatron
• Ciclotron
• Ciclotron-Sector concentrat
• sincrociclotronul
• Protosynchrotron
• Focus protosynchrotron Strong

accelerator liniar

Același subiect în detaliu: accelerator liniar .

Într-un accelerator liniar (LINAC) particulele sunt accelerate de-a lungul unui traseu drept împotriva unei ținte fixe. Acceleratoare liniare sunt foarte frecvente, de exemplu , un tub catodic este liniar electron accelerator. Aceste acceleratori sunt de asemenea folosite pentru a furniza energia inițială a particulelor care vor fi introduse în acceleratoarele circulare mai puternice. Cel mai lung accelerator liniar din lume este la Stanford Linear Accelerator , care are o lungime de 3 kilometri.

Acceleratoare liniare sunt , de asemenea , utilizate pe scară largă în medicină, radioterapie și radiochirurgie .

Acceleratori principale pentru fizica particulelor ^[3]

Acceleratoare aflate în construcție sau în planificarea

Notă

Bibliografie

• Edmond Wilson. O introducere în acceleratoare de particule. Oxford, 2001.

Elemente conexe

• Fizica acceleratorului
• Accelerația plasmatică

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere de pe accelerator de particule

linkuri externe

• (EN) Accelerator de particule , în Enciclopedia Britanică , Encyclopædia Britannica, Inc.
• Accelerator de particule , în Treccani.it - enciclopedii online, Institutul Enciclopediei Italiene.

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica