Accelerator de particule

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Accelerator liniar Van de Graaf cu 2 trepte monostadiu, deschis pentru întreținere. (1960)

În fizica particulelor, un accelerator de particule este o mașină al cărei scop este de a produce fascicule de ioni sau materiale de umplere a particulelor subatomice, cum ar fi electroni , pozitroni , protoni și antiprotoni , iar faptele se ciocnesc apoi cu energie cinetică "înaltă" în formă de denivelări .

Metodele de accelerare a particulelor se bazează pe utilizarea în comun a câmpurilor electrice și magnetice , dintre care primele furnizează energie particulelor încărcate prin accelerarea acestora, în timp ce acestea din urmă servesc în cele din urmă să-și îndoaie traiectoria prin exploatarea forței Lorentz (de exemplu, în acceleratoarele circulare : ciclotron și sincrotron ) sau pentru a corecta dispersiile spațiale și de impuls ale grinzilor accelerate.

Astfel de mașini sunt utilizate în principal în [1] scopuri industriale (60%) ( implantare de ioni , sterilizare), medicale (35%) (pentru producerea izotopilor radioactivi sau a terapiei cu hadroni ), pentru studiul structurii materialelor (de exemplu, exploatarea sincrotronului) radiații ) sau în scopuri de cercetare (5%) în fizica particulelor (un fascicul de particule de mare energie vă permite să testați obiecte foarte mici). [2]

Istorie

Schema funcțională a unui accelerator liniar

Primii accelerați ( electrostatic sau căderea potențialului ) au exploatat câmpuri electrice statice în care ionii s-au accelerat între diferențele de potențial mai mari de 10-20 MV (același potențial care există între pământ și un nor înainte ca un fulger să lovească). Primul accelerator de acest tip a fost construit de Robert Van de Graaff (de la care își ia numele) în 1931. A fost urmat de cel realizat de Cockroft și Walton în 1932 pentru primele studii privind fisiunea nucleară în laborator. În cele din urmă, o versiune mai eficientă a acceleratorului Van de Graaff (accelerator tandem) a permis accelerarea între diferențele de potențial de două ori mai mari decât predecesorul său.

Nevoia de a accelera particulele la energii mult mai mari decât cele realizabile cu acceleratoarele electrostatice a luat forma cu acceleratoare liniare (LINear ACcelerators, de obicei LINAC) care foloseau câmpuri electrice alternante, primul exemplu datând din lucrarea de teză a lui Rolf Wideröe în 1928. Cu aceste mașini problema de a avea o singură etapă de accelerație (o singură diferență de potențial) a fost rezolvată prin aranjarea în linie dreaptă a unei serii de electrozi cilindrici la care s-a aplicat o diferență de potențial pulsată astfel încât în ​​spațiul dintre doi cilindri adiacenți a existat întotdeauna un câmp electric accelerat într-o direcție și în fază cu trecerea particulei care urmează să fie accelerată. Cu acest tip de mașini, totuși, nu a fost posibil să se accelereze un fascicul continuu de particule (din moment ce doar cele în fază cu câmpul electric sunt accelerate), astfel încât fasciculul a fost împărțit în ciorchini .

Diagrama de funcționare a unui ciclotron .

Nevoia de a atinge energii din ce în ce mai mari a luat forma odată 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, unde să crească energia fasciculului accelerat este necesară pentru a crește lungimea mașinii). Ciclotronul este format din doi electrozi în formă de D , scufundați într-un câmp magnetic constant și conectați la o diferență alternativă de potențial la frecvență constantă. Sursa de particule (inițial ioni) este plasată exact în centru. Ionii emiși de sursă sunt accelerați de câmpul electric și intră într-unul dintre cei doi electrozi unde sunt supuși doar câmpului magnetic. Aici sunt curbați și descriu un semicerc care îi readuce în regiunea accelerată și apoi în celălalt electrod.

Procesul continuă până când raza ultimului semicerc descris de particule este mai mică decât raza electrodului, după care particulele părăsesc mașina. Energia maximă realizabilă este limitată de raza electrozilor și de intensitatea câmpului magnetic. Mai mult, particulele sunt accelerate la fiecare pasaj între cele două cavități dacă ajung în fază cu câmpul electric, adică dacă frecvența lor de revoluție este egală cu frecvența câmpului: această condiție este verificată pentru viteze non-relativiste. . La viteze mai mari (și, prin urmare, pe măsură ce energia crește), devine necesară scăderea frecvenței câmpului electric în timpul ciclului de accelerație. Mașinile care funcționează în acest fel se numesc sincrociclotroni și sunt capabili să accelereze protoni și ioni până la energii de aproximativ 500 MeV.

Diagrama de funcționare a unui sincrotron

Ciclotronii au fost concepuți pentru a accelera în principal ioni și protoni și, prin urmare, nu erau potriviți pentru accelerația electronilor , pentru care se ating rapid viteze relativiste. Din acest motiv, Donald William Kerst și Serber au modificat ideea lui Wideröe și au construit o mașină pe care au numit-o betatron (numele se datorează modului în care au fost inițial numiți electronii, adică razele beta). Funcționarea sa exploatează inducția electromagnetică fără a fi nevoie să se utilizeze câmpuri electrice accelerate: particulele sunt introduse într-un inel cufundat într-un câmp care se intensifică treptat. Schimbarea fluxului câmpului magnetic din inel asigură electronilor forța electromotivă care îi accelerează. În această schemă, energia maximă realizabilă se datorează numai puterii maxime realizabile a câmpului magnetic.

După război, oamenii au început să se gândească din nou la cum să mărească în continuare energiile accesibile de către acceleratoarele construite până atunci, iar această necesitate reînnoită a dus la dezvoltarea conceptului de sincrotron , la baza acceleratoarelor circulare moderne și a inelelor de acumulare care sunt încă astăzi un instrument indispensabil pentru fizica energiei înalte. Aceste noi mașini rezumă principalele caracteristici ale acceleratoarelor anterioare: accelerația prin cavități rezonante, variația frecvenței câmpurilor de accelerare și variația intensității câmpurilor magnetice.

Descriere

Principiu: șocuri și accelerații

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: fizica acceleratorului .
Detector ATLAS la CERN

Principiul fizic al generării de particule noi este cel simplu al coliziunilor cu energie ridicată: prin ciocnirea între ele particule cu energie cinetică ridicată, adică aproape de viteza luminii c, produsul (sinteza) este, pentru egalitatea dintre masă. și energie , o nouă particulă de masă / energie mai mare, care, în general, se descompune în alte particule fiice. Din analiza acestor dezintegrări este posibilă trasarea caracteristicilor particulei părinte. Accelerarea particulelor până la turațiile / energiile dorite se obține acționând asupra particulelor încărcate prin aplicarea câmpurilor electromagnetice adecvate.

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

  • detectori pasivi care exploatează coliziile naturale de mare energie dintre razele cosmice de mare energie și atmosfera terestră, detectând produsele sau degradările acestora: aceasta este optica în care se mișcă astrofizica particulelor . 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 acceleratoarelor de particule încărcate pentru a produce fascicule de particule cu energie foarte mare în cantități remarcabile, care sunt apoi făcute să se ciocnească între ele, detectând produsele lor în detectoare speciale ( coliziuni artificiale ).

Tipuri de acceleratoare

Acceleratoare de mare energie

Cei mai cunoscuți acceleratori sunt cei utilizați în cercetarea fizicienilor de particule pentru a investiga structura materiei la scară subnucleară. Aceste acceleratoare, cum ar fi LHC la CERN din Geneva, care are o circumferință de 27 km, sunt extrem de scumpe, iar construcția lor este posibilă datorită sinergiilor și colaborărilor dintre multe instituții de cercetare din diferite țări.

Acceleratoare cu energie redusă

Cele mai numeroase sunt acceleratoarele cu consum redus de energie, cum ar fi un tub catodic de televiziune sau radiografii cu raze X. Acești acceleratori simpli folosesc diferența de potențial de câteva mii de volți pentru a accelera electroni sau ioni la o energie maximă de ordinul 100 MeV . Acceleratoarele cu consum redus de energie sunt utilizate, de exemplu, pentru implantarea ionilor în circuite integrate , în cercetarea fizicii nucleare , ca pre-acceleratori pentru cei mai puternici, pentru a crea izotopi instabili care nu pot fi sintetizați în reactoarele nucleare . O utilizare importantă este în medicină, în radioterapie pentru tratamentul tumorilor .

Interiorul tunelului LHC, unde au fost instalați magneți supraconductori.

Alte clasificări

Acceleratorii se pot distinge pe baza traiectoriei urmate de particule, care este de obicei liniară, sau circulară sau spirală . În primul caz, vorbim de acceleratori lineari și sunt de obicei țintă fixă, adică fasciculul de particule este făcut să se ciocnească cu o țintă staționară față de laborator. Acceleratoarele circulare, pe de altă parte, fac să se ciocnească două fascicule de particule curbate împreună de câmpuri magnetice; avantajul în acest din urmă caz ​​este energia mai mare disponibilă în centrul de masă , indicată cu s 2 , principalul dezavantaj este radiația sincrotronului .

Alte distincții pot fi făcute în funcție de tehnologia de accelerație utilizată: câmpuri electrostatice, câmpuri electrice variabile, câmpuri magnetice sau tehnici particulare, ca în viitoarele acceleratoare, de exemplu ciclotronul în care doriți să accelerați un fascicul de particule principale prin fascicule secundare.

O distincție finală poate fi făcută luând în considerare tipul de particulă accelerată. În ceea ce privește mașinile circulare, cele mai frecvente sunt electroni - pozitroni și hadroni , de obicei protoni - protoni sau protoni - antiprotoni . Pentru studiile de fizică nucleară, există acceleratoare care accelerează nucleele grele.

Accelerator liniar

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Accelerator liniar .

Într-un accelerator liniar (LINAC) particulele sunt accelerate de-a lungul unei căi drepte împotriva unei ținte fixe. Acceleratoarele liniare sunt foarte frecvente, de exemplu un tub cu raze catodice este un accelerator liniar de electroni. Acești acceleratori sunt utilizați și pentru a furniza energia inițială particulelor care vor fi alimentate în acceleratoare circulare mai puternice. Cel mai lung accelerator liniar din lume este Stanford Linear Accelerator , care are o lungime de 3 kilometri.

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

Acceleratori principali pentru fizica particulelor [3]

Nume Tip Corp Țară Energie ( GeV ) Luminozitate (10 33 cm −2 s −1 )
LHC p + p + CERN Europa 14000 10
DAΦNE și + și - INFN Italia 1,05 0,43
BEPC și + și - China 2.2 0,01
BEPC-II și + și - China 3.1 1,00
CESR și + și - Statele Unite ale Americii 5.3 1.28
CESR-C și + și - Statele Unite ale Americii 2.1 0,08
PEP și + și - SLAC Statele Unite ale Americii 10.58 12.07
KEKB și + și - Japonia 10.58 21.1
P și + și - CERN Europa 90 0,1
Tevatron p + p - Fermilab Statele Unite ale Americii 1800 0,29
HERA e - p + Germania 300 0,08
Stanford Linear Collider și + și - liniar SLAC Statele Unite ale Americii 100 20.00

Acceleratoare în construcție sau în planificare

Nume Tip Corp Țară Energie ( GeV ) Luminozitate (10 33 cm −2 s −1 )
FCC p + p + CERN A fi decis 100000
Bună ziua, LHC p + p + CERN Europa 14000 ~ 100
superKEKB și + și - Japonia 10.58 ~ 800
ILC și + și - liniar 500
CLIC și + și - liniar CERN Europa ~ 3000
Muon Collider μ + μ -
VLHC p + p + CERN Europa ~ 100000
Eloisatron p + p + ? ? 350000

Notă

  1. ^ William Barletta, directorul UPAS, Școala de accelerare a particulelor din SUA, pentru Toni Feder, în Fizică Astăzi februarie 2010, „Școala de acceleratori parcurge circuitul universitar”, p. 20
  2. ^(EN) Ugo Amaldi Importanța acceleratoarelor de particule Depus la 27 septembrie 2007 în Internet Archive . Știri Europhysics, 31 iunie 2000
  3. ^ Carte cu date despre particule [ link rupt ]

Bibliografie

  • Edmond Wilson. O introducere la acceleratoarele de particule . Oxford, 2001.

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Thesaurus BNCF 1595 · LCCN (EN) sh85098356 · GND (DE) 4059318-6 · BNF (FR) cb11966497v (data)
Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica