Zarracha tezlatgichi yorugʻlikka yaqin tezlikda harakatlanuvchi elektr zaryadlangan atom yoki subatomik zarrachalar nurini yaratuvchi qurilmadir. Uning ishi elektr maydoni ta'sirida ularning energiyasini ko'paytirish va traektoriyani magnit bilan o'zgartirishga asoslangan.
Zarracha tezlatgichlari nima uchun?
Bu qurilmalar fan va sanoatning turli sohalarida keng qoʻllaniladi. Bugungi kunda butun dunyoda ularning 30 mingdan ortig'i bor. Fizik uchun zarracha tezlatgichlari atomlarning tuzilishi, yadro kuchlarining tabiati va yadrolarning tabiatda uchramaydigan xossalarini fundamental tadqiq qilish uchun vosita bo‘lib xizmat qiladi. Ikkinchisiga transuran va boshqa beqaror elementlar kiradi.
Tozalash trubkasi yordamida maxsus zaryadni aniqlash mumkin boʻldi. Zarrachalar tezlatgichlari radioizotoplar ishlab chiqarishda, sanoat rentgenografiyasida, radiatsiya terapiyasida, biologik materiallarni sterilizatsiya qilishda va radiokarbonda ham qo'llaniladi.tahlil. Eng katta oʻrnatmalar fundamental oʻzaro taʼsirlarni oʻrganishda qoʻllaniladi.
Tezlatgichga nisbatan tinch holatda boʻlgan zaryadlangan zarrachalarning ishlash muddati yorugʻlik tezligiga yaqin tezlikka tezlangan zarrachalarnikidan kamroq. Bu SRT vaqt oraliqlarining nisbiyligini tasdiqlaydi. Masalan, CERNda 0,9994c tezlikda muonlarning umrini 29 barobarga oshirishga erishildi.
Ushbu maqolada zarracha tezlatgich qanday ishlashi, uning rivojlanishi, turli turlari va oʻziga xos xususiyatlari muhokama qilinadi.
Tezlashuv tamoyillari
Qaysi zarracha tezlatgichlarini bilishingizdan qat'i nazar, ularning barchasi umumiy elementlarga ega. Birinchidan, ularning barchasi televizor kineskopida elektron manbasiga yoki kattaroq qurilmalarda elektronlar, protonlar va ularning antizarralariga ega bo'lishi kerak. Bundan tashqari, ularning barchasida zarrachalarni tezlashtirish uchun elektr maydonlari va ularning traektoriyasini boshqarish uchun magnit maydonlar bo'lishi kerak. Bundan tashqari, zarrachalar tezlatgichidagi vakuum (10-11 mm Hg), ya'ni qoldiq havoning minimal miqdori nurlarning uzoq umr ko'rishini ta'minlash uchun zarur. Va nihoyat, barcha qurilmalar tezlashtirilgan zarrachalarni ro'yxatga olish, hisoblash va o'lchash vositalariga ega bo'lishi kerak.
Avlod
Tezlatgichlarda eng koʻp qoʻllaniladigan elektronlar va protonlar barcha materiallarda uchraydi, lekin avval ularni ulardan ajratib olish kerak. Odatda elektronlar hosil bo'ladixuddi kineskopda bo'lgani kabi - "qurol" deb nomlangan qurilmada. Bu vakuumdagi katod (salbiy elektrod) bo'lib, u elektronlar atomlardan ajralib chiqa boshlaydigan nuqtaga qadar isitiladi. Salbiy zaryadlangan zarralar anodga (musbat elektrod) tortiladi va chiqish joyidan o'tadi. Qurolning o'zi ham eng oddiy tezlatgichdir, chunki elektronlar elektr maydoni ta'sirida harakat qiladi. Katod va anod orasidagi kuchlanish odatda 50-150 kV gacha.
Elektronlardan tashqari barcha materiallarda protonlar mavjud, lekin faqat vodorod atomlarining yadrolari bitta protondan iborat. Shuning uchun proton tezlatgichlari uchun zarrachalar manbai gazsimon vodoroddir. Bunday holda, gaz ionlanadi va protonlar teshikdan chiqib ketadi. Katta tezlatgichlarda protonlar ko'pincha manfiy vodorod ionlari sifatida ishlab chiqariladi. Ular ikki atomli gazning ionlashuvi mahsuloti bo'lgan qo'shimcha elektronga ega atomlardir. Dastlabki bosqichlarda manfiy zaryadlangan vodorod ionlari bilan ishlash osonroq. Keyin ular yupqa folga orqali o'tkaziladi, bu tezlashuvning oxirgi bosqichidan oldin ularni elektronlardan mahrum qiladi.
Tezlashuv
Zarracha tezlatgichlari qanday ishlaydi? Ularning har birining asosiy xususiyati elektr maydonidir. Eng oddiy misol - bu elektr batareyasining terminallari orasida mavjud bo'lganga o'xshash ijobiy va salbiy elektr potentsiallari orasidagi yagona statik maydon. Bunday holdamaydon, manfiy zaryadga ega bo'lgan elektron uni ijobiy potentsial tomon yo'n altiradigan kuchga bo'ysunadi. U uni tezlashtiradi va agar bunga to'sqinlik qiladigan hech narsa bo'lmasa, uning tezligi va energiyasi ortadi. Simda yoki hatto havoda musbat potentsial tomon harakatlanayotgan elektronlar atomlar bilan to'qnashadi va energiyani yo'qotadi, lekin ular vakuumda bo'lsa, ular anodga yaqinlashganda tezlashadi.
Elektronning dastlabki va oxirgi pozitsiyasi orasidagi kuchlanish uning olgan energiyasini aniqlaydi. 1 V potentsial farq orqali harakatlanayotganda u 1 elektron voltga (eV) teng bo'ladi. Bu 1,6 × 10-19 joulga teng. Uchuvchi chivinning energiyasi trillion marta ko'pdir. Kineskopda elektronlar 10 kV dan yuqori kuchlanish bilan tezlashadi. Ko'pgina tezlatgichlar mega-, giga- va teraelektronvoltlarda o'lchanadigan ancha yuqori energiyaga erishadi.
turlar
Zarracha tezlatgichlarining eng qadimgi turlaridan ba'zilari, masalan, kuchlanish ko'paytirgichi va Van de Graaff generatori million voltgacha bo'lgan potentsiallar tomonidan yaratilgan doimiy elektr maydonlaridan foydalangan. Bunday yuqori kuchlanish bilan ishlash oson emas. Yana amaliy muqobil - past potentsiallar tomonidan yaratilgan zaif elektr maydonlarining takroriy ta'siri. Ushbu tamoyil zamonaviy tezlatgichlarning ikki turida - chiziqli va tsiklik (asosan siklotron va sinxrotronlarda) qo'llaniladi. Chiziqli zarracha tezlatgichlari, qisqasi, ularni ketma-ket bir marta o'tkazaditezlashtiruvchi maydonlar, siklikda esa ular nisbatan kichik elektr maydonlari bo'ylab aylana yo'l bo'ylab qayta-qayta harakat qiladilar. Ikkala holatda ham zarrachalarning yakuniy energiyasi maydonlarning birgalikdagi ta'siriga bog'liq, shuning uchun ko'plab kichik "zarbalar" qo'shilib, bitta kattaning kombinatsiyalangan effektini beradi.
Elektr maydonlarini yaratish uchun chiziqli tezlatgichning takrorlanuvchi tuzilishi tabiiy ravishda doimiy kuchlanishdan ko'ra o'zgaruvchan tokdan foydalanishni o'z ichiga oladi. Ijobiy zaryadlangan zarralar manfiy potentsial tomon tezlashadi va agar ular musbat potentsialdan o'tib ketsa, yangi turtki oladi. Amalda, kuchlanish juda tez o'zgarishi kerak. Masalan, 1 MeV energiyada proton yorug'lik tezligidan 0,46 ga teng juda yuqori tezlikda, 0,01 msda 1,4 m masofani bosib o'tadi. Bu shuni anglatadiki, bir necha metr uzunlikdagi takrorlanuvchi naqshda elektr maydonlari kamida 100 MGts chastotada yo'nalishni o'zgartirishi kerak. Zaryadlangan zarrachalarning chiziqli va siklik tezlatgichlari, qoida tariqasida, 100 dan 3000 MGts gacha chastotali, ya'ni radioto'lqinlardan mikroto'lqinlargacha bo'lgan o'zgaruvchan elektr maydonlari yordamida ularni tezlashtiradi.
Elektromagnit toʻlqin bir-biriga perpendikulyar tebranuvchi oʻzgaruvchan elektr va magnit maydonlarining birikmasidir. Tezlatgichning asosiy nuqtasi to'lqinni to'g'rilashdan iborat bo'lib, zarracha kelganda elektr maydoni tezlanish vektoriga mos ravishda yo'n altiriladi. Buni tik turgan to'lqin bilan amalga oshirish mumkin - yopiq pastadirda qarama-qarshi yo'nalishda harakatlanadigan to'lqinlar birikmasi.organ quvuridagi tovush to'lqinlari kabi bo'shliq. Yorug'lik tezligiga yaqinlashayotgan juda tez harakatlanuvchi elektronlar uchun muqobil harakatlanuvchi to'lqindir.
Avtofazalash
Oʻzgaruvchan elektr maydonida tezlanishning muhim taʼsiri “avtofaza”dir. Bir tebranish tsiklida o'zgaruvchan maydon noldan maksimal qiymatdan yana nolga o'tadi, minimal darajaga tushadi va nolga ko'tariladi. Shunday qilib, u ikki marta tezlashtirish uchun zarur bo'lgan qiymatdan o'tadi. Agar tezlashuvchi zarracha juda tez kelsa, u holda unga etarli kuchga ega bo'lgan maydon ta'sir qilmaydi va surish zaif bo'ladi. U keyingi bo'limga etib kelganida, u kechikadi va kuchli ta'sirni boshdan kechiradi. Natijada, avtofaza sodir bo'ladi, zarralar har bir tezlashuvchi mintaqada maydon bilan fazada bo'ladi. Yana bir taʼsir ularning vaqt oʻtishi bilan uzluksiz oqim emas, balki boʻlaklarga boʻlinishi boʻladi.
Nur yo'nalishi
Magnit maydonlar ham zaryadlangan zarracha tezlatgichining ishlashida muhim rol o'ynaydi, chunki ular harakat yo'nalishini o'zgartirishi mumkin. Bu shuni anglatadiki, ular bir xil tezlashtiruvchi qismdan bir necha marta o'tishi uchun dumaloq yo'l bo'ylab nurlarni "egish" uchun ishlatilishi mumkin. Eng oddiy holatda, bir xil magnit maydon yo'nalishiga to'g'ri burchak ostida harakatlanadigan zaryadlangan zarrachaga kuch ta'sir qiladi.uning siljish vektoriga ham, maydonga ham perpendikulyar. Bu nurning maydonga perpendikulyar dumaloq traektoriya bo'ylab harakatlanishiga olib keladi, u o'z ta'sir doirasini tark etmaguncha yoki unga boshqa kuch ta'sir qila boshlaydi. Bu effekt siklotron va sinxrotron kabi siklik tezlatgichlarda qo'llaniladi. Tsiklotronda katta magnit tomonidan doimiy maydon hosil bo'ladi. Zarrachalar, energiya o'sishi bilan, har bir aylanishda tezlashib, tashqi tomonga aylanadi. Sinxrotronda shamchalar doimiy radiusli halqa atrofida harakatlanadi va zarrachalar tezlashganda halqa atrofidagi elektromagnitlar tomonidan yaratilgan maydon kuchayadi. "Eguvchi" magnitlar shimol va janubiy qutblari taqa shaklida egilgan dipollar bo'lib, ular orasidan nur o'tishi mumkin.
Elektromagnitlarning ikkinchi muhim vazifasi - nurlarni iloji boricha tor va zich bo'lishi uchun to'plash. Fokuslovchi magnitning eng oddiy shakli bir-biriga qarama-qarshi joylashgan to'rtta qutb (ikkita shimol va ikkita janub). Ular zarrachalarni markazga bir yo'nalishda suradilar, lekin ularga perpendikulyar yo'nalishda tarqalishiga imkon beradi. To'rt kutupli magnitlar nurni gorizontal ravishda yo'n altiradi, bu esa vertikal ravishda fokusdan chiqib ketishiga imkon beradi. Buning uchun ular juftlikda ishlatilishi kerak. Aniqroq fokuslash uchun koʻproq qutbli (6 va 8) murakkabroq magnitlar ham ishlatiladi.
Zarrachalar energiyasi ortishi bilan ularni boshqaradigan magnit maydonning kuchi ortadi. Bu nurni bir xil yo'lda ushlab turadi. Pıhtı ringga kiritiladi va tezlashadiuni tortib olish va tajribalarda ishlatishdan oldin zarur energiya. Orqaga tortish zarrachalarni sinxrotron halqasidan tashqariga chiqarish uchun yoqilgan elektromagnitlar orqali amalga oshiriladi.
Toʻqnashuv
Tibbiyot va sanoatda qoʻllaniladigan zarracha tezlatgichlari asosan radiatsiya terapiyasi yoki ion implantatsiyasi kabi maʼlum bir maqsad uchun nur hosil qiladi. Bu shuni anglatadiki, zarralar bir marta ishlatiladi. Ko'p yillar davomida asosiy tadqiqotlarda ishlatiladigan tezlatgichlar uchun ham xuddi shunday edi. Ammo 1970-yillarda halqalar ishlab chiqildi, ularda ikkita nur qarama-qarshi yo'nalishda aylanadi va butun sxema bo'ylab to'qnashadi. Bunday o'rnatishlarning asosiy afzalligi shundaki, to'qnashuvda zarrachalarning energiyasi to'g'ridan-to'g'ri ular orasidagi o'zaro ta'sir energiyasiga o'tadi. Bu nur tinch holatda bo‘lgan material bilan to‘qnashganda sodir bo‘ladigan hodisadan farq qiladi: bu holda energiyaning katta qismi impulsning saqlanish tamoyiliga muvofiq maqsadli materialni harakatga keltirishga sarflanadi.
Ba'zi to'qnashuvchi nurli mashinalar ikki yoki undan ortiq joylarda kesishgan ikkita halqa bilan qurilgan, ularda bir xil turdagi zarralar qarama-qarshi yo'nalishda aylanadi. Zarrachalar va antizarralar bilan kollayderlar ko'proq uchraydi. Antizarra o'zi bilan bog'langan zarrachaga qarama-qarshi zaryadga ega. Masalan, pozitron musbat zaryadlangan, elektron esa manfiy zaryadlangan. Bu shuni anglatadiki, elektronni tezlashtiradigan maydon pozitronni sekinlashtiradi,bir xil yo'nalishda harakat qilish. Ammo agar ikkinchisi teskari yo'nalishda harakat qilsa, u tezlashadi. Xuddi shunday, magnit maydon orqali harakatlanuvchi elektron chapga, pozitron esa o'ngga egiladi. Ammo agar pozitron unga qarab harakat qilsa, uning yo'li baribir o'ngga og'adi, lekin elektron bilan bir xil egri chiziq bo'ylab. Bu birgalikda, bu zarralar bir xil magnitlar tufayli sinxrotron halqasi bo'ylab harakatlanishi va qarama-qarshi yo'nalishdagi bir xil elektr maydonlari tomonidan tezlashishi mumkinligini anglatadi. To'qnashuv nurlaridagi eng kuchli to'qnashuvchilarning ko'pchiligi ushbu printsipga muvofiq yaratilgan, chunki faqat bitta tezlatgich halqasi kerak.
Sinxrotrondagi nur uzluksiz harakatlanmaydi, balki "topaklar"ga birlashadi. Ularning uzunligi bir necha santimetr va diametri millimetrning o‘ndan bir qismi bo‘lishi mumkin va ular tarkibida taxminan 1012 zarrachalar mavjud. Bu kichik zichlik, chunki bunday o'lchamdagi moddada taxminan 1023 atom mavjud. Shuning uchun, nurlar kelayotgan nurlar bilan kesishganda, zarrachalarning bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilish ehtimoli juda kichik. Amalda, dastalar halqa bo'ylab harakatlanishda davom etadilar va yana uchrashadilar. Zarrachalar tezlatkichidagi chuqur vakuum (10-11 mmHg) zarrachalar havo molekulalari bilan toʻqnashmasdan koʻp soat davomida aylana olishi uchun zarur. Shuning uchun halqalar ham akkumulyator deb ataladi, chunki to'plamlar ularda bir necha soat davomida saqlanadi.
Roʻyxatdan oʻtish
Zarracha tezlatkichlari aksariyat hollarda nima sodir boʻlishini qayd etishi mumkinzarralar nishonga yoki qarama-qarshi yo'nalishda harakatlanadigan boshqa nurga urilganda. Televizion kineskopda quroldan elektronlar ekranning ichki yuzasida fosforga uriladi va yorug'lik chiqaradi, bu esa uzatilgan tasvirni qayta yaratadi. Tezlatgichlarda bunday maxsus detektorlar tarqoq zarrachalarga javob beradi, lekin ular odatda kompyuter ma'lumotlariga aylantirilishi va kompyuter dasturlari yordamida tahlil qilinishi mumkin bo'lgan elektr signallarini ishlab chiqarish uchun mo'ljallangan. Faqat zaryadlangan elementlar materialdan, masalan, hayajonli yoki ionlashtiruvchi atomlardan o'tib, elektr signallarini yaratadi va ularni to'g'ridan-to'g'ri aniqlash mumkin. Neytronlar yoki fotonlar kabi neytral zarralarni ular harakatga keltirgan zaryadlangan zarrachalar harakati orqali bilvosita aniqlash mumkin.
Ko'plab maxsus detektorlar mavjud. Ulardan ba'zilari, masalan, Geiger hisoblagichi, oddiygina zarrachalarni sanaydi, boshqalari, masalan, treklarni yozish, tezlikni o'lchash yoki energiya miqdorini o'lchash uchun ishlatiladi. Zamonaviy detektorlar oʻlchamlari va texnologiyasi boʻyicha kichik zaryadlangan qurilmalardan tortib, zaryadlangan zarrachalar tomonidan yaratilgan ionlangan yoʻllarni aniqlaydigan sim bilan toʻldirilgan gaz bilan toʻldirilgan katta kameralargacha boʻladi.
Tarix
Zarracha tezlatgichlari asosan atom yadrolari va elementar zarrachalarning xossalarini oʻrganish uchun yaratilgan. 1919-yilda ingliz fizigi Ernest Rezerford tomonidan azot yadrosi va alfa zarrasi oʻrtasidagi reaksiya kashf qilinganidan boshlab yadro fizikasidagi barcha tadqiqotlar1932 yil tabiiy radioaktiv elementlarning parchalanishidan ajralib chiqqan geliy yadrolari bilan o'tdi. Tabiiy alfa zarralari 8 MeV kinetik energiyaga ega, ammo Rezerford og'ir yadrolarning parchalanishini kuzatish uchun ularni sun'iy ravishda undan ham kattaroq qiymatlarga tezlashtirish kerak deb hisoblardi. O'sha paytda bu qiyin tuyulardi. Biroq, 1928 yilda Georgiy Gamov (Gettingen universiteti, Germaniya) tomonidan amalga oshirilgan hisob-kitoblar, energiyalari ancha past bo'lgan ionlardan foydalanish mumkinligini ko'rsatdi va bu yadroviy tadqiqotlar uchun etarli nurni ta'minlaydigan ob'ektni qurishga urinishlarni rag'batlantirdi.
Ushbu davrning boshqa hodisalari zarracha tezlatgichlari bugungi kungacha qurilgan tamoyillarni namoyish etdi. Sun'iy tezlashtirilgan ionlar bilan birinchi muvaffaqiyatli tajribalar 1932 yilda Kembrij universitetida Kokkroft va Uolton tomonidan o'tkazildi. Kuchlanish multiplikatoridan foydalanib, ular protonlarni 710 keV ga tezlashtirdilar va ikkinchisi lityum yadrosi bilan reaksiyaga kirishib, ikkita alfa zarracha hosil qilishini ko'rsatdi. 1931 yilga kelib, Nyu-Jersidagi Prinston universitetida Robert van de Graaff birinchi yuqori potentsial tasmali elektrostatik generatorni qurdi. Kokkroft-Uolton kuchlanish ko'paytirgichlari va Van de Graaff generatorlari hamon tezlatgichlar uchun quvvat manbalari sifatida foydalanilmoqda.
Chiziqli rezonans tezlatgich printsipi 1928 yilda Rolf Videryo tomonidan namoyish etilgan. Germaniyaning Axen shahridagi Reyn-Vestfaliya texnologiya universitetida u natriy va kaliy ionlarini ikki marta energiyaga tezlashtirish uchun yuqori oʻzgaruvchan kuchlanishdan foydalangan.ular tomonidan bildirilganidan ko'p. 1931 yilda Qo'shma Shtatlarda Ernest Lourens va uning yordamchisi Berkli Kaliforniya universitetidan Devid Sloan simob ionlarini 1,2 MeV dan ortiq energiyaga tezlashtirish uchun yuqori chastotali maydonlardan foydalanganlar. Bu ish Wideröe og‘ir zarrachalar tezlatgichini to‘ldirdi, ammo ion nurlari yadroviy tadqiqotlarda foydali emas edi.
Magnit rezonansli tezlatkich yoki siklotron Lourens tomonidan Wideröe qurilmasining modifikatsiyasi sifatida yaratilgan. Lourens Livingstonning shogirdi 1931 yilda siklotron printsipini 80 keV ion ishlab chiqarish orqali ko'rsatdi. 1932 yilda Lourens va Livingston protonlarning 1 MeV dan yuqori tezlashishini e'lon qilishdi. Keyinchalik 1930-yillarda siklotronlarning energiyasi taxminan 25 MeV ga, Van de Graaff generatorlariniki esa taxminan 4 MeV ga yetdi. 1940 yilda Donald Kerst sinchkovlik bilan orbital hisob-kitoblar natijalarini magnitlarni loyihalashda qo'llab, Illinoys universitetida birinchi betatron - magnit induksion elektron tezlatgichni qurdi.
Zamonaviy fizika: zarracha tezlatgichlari
Ikkinchi jahon urushidan keyin zarralarni yuqori energiyaga tezlashtirish fani tez rivojlandi. Uni Berklida Edvin Makmillan va Moskvada Vladimir Veksler boshlagan. 1945 yilda ikkalasi ham faza barqarorligi tamoyilini mustaqil ravishda tasvirlab berdi. Ushbu kontseptsiya tsiklik tezlatgichda zarrachalarning barqaror orbitalarini ushlab turish vositasini taklif qiladi, bu protonlar energiyasidagi cheklovni olib tashladi va elektronlar uchun magnit-rezonans tezlatgichlarini (sinkrotronlarni) yaratishga imkon berdi. Avtofazalash, faza barqarorligi tamoyilini amalga oshirish, qurilishdan keyin tasdiqlanganKaliforniya universitetidagi kichik sinkrotsiklotron va Angliyadagi sinxrotron. Ko'p o'tmay, birinchi protonli chiziqli rezonans tezlatgich yaratildi. Bu tamoyil oʻshandan beri yaratilgan barcha yirik proton sinxrotronlarida qoʻllanilgan.
1947-yilda Kaliforniyadagi Stenford universitetida Uilyam Xansen Ikkinchi jahon urushi paytida radar uchun ishlab chiqilgan mikrotoʻlqinli texnologiyadan foydalangan holda birinchi chiziqli harakatlanuvchi elektron tezlatgichni qurdi.
Tadqiqotdagi muvaffaqiyatga protonlar energiyasini oshirish orqali erishildi, bu esa tobora kattaroq tezlatgichlar qurilishiga olib keldi. Ushbu tendentsiya ulkan halqali magnitlarni tayyorlashning yuqori narxi bilan to'xtatildi. Eng kattasining og'irligi taxminan 40 000 tonnani tashkil qiladi. Mashinalarning hajmini oshirmasdan energiyani oshirish yo'llari 1952 yilda Livingston, Courant va Snayder tomonidan o'zgaruvchan fokuslash (ba'zan kuchli fokuslash deb ataladi) texnikasida namoyish etilgan. Ushbu printsipga asoslangan sinxrotronlar avvalgidan 100 marta kichikroq magnitlardan foydalanadi. Bunday fokuslash barcha zamonaviy sinxrotronlarda qo'llaniladi.
1956 yilda Kerst agar ikkita zarrachalar to'plami kesishuvchi orbitalarda saqlansa, ularning to'qnashuvini kuzatish mumkinligini tushundi. Ushbu g'oyani qo'llash saqlash deb ataladigan davrlarda tezlashtirilgan nurlarning to'planishini talab qildi. Bu texnologiya zarrachalarning maksimal oʻzaro taʼsir energiyasiga erishish imkonini berdi.
