带电粒子加速器。发明和生产的历史

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带电粒子加速器。发明和生产的历史

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现代物理学有一种久经考验的方法来穿透原子核的秘密——用粒子轰击它或照射它，看看它会发生什么。对于原子及其原子核的最初研究，放射性元素自然衰变产生的辐射能量就足够了。但很快这种能量就不够用了，为了更深入地“观察”原子核，物理学家不得不思考如何人工制造出一股高能粒子流。

众所周知，带电粒子，例如电子或质子，落在具有不同电荷的电极之间，在电力的作用下加速运动。这种现象在 1930 年代引发了创建所谓直线加速器的想法。

根据设计，直线加速器是一个长而直的管腔，内部保持真空。大量金属管电极沿腔室的整个长度放置。从一个特殊的高频发生器，一个交流电压被施加到电极上——这样当第一个电极充电时，比如说正极，第二个电极就会带负电。然后是正极，然后是负极。

粒子加速器
带飞行管的 Wideroe 加速器示意图： 1 - 飞行管； 2——交流电压源； 3 - 电场作用面积E。

一束电子从电子“枪”射入腔室，在第一个正极电位的作用下，开始加速，进一步滑过它。同时，电源电压的相位发生变化，刚刚带正电的电极变为负电。现在他排斥自己的电子，就好像从背后推动它们一样。而第二个电极，在此期间变为正电，将电子吸引到自身，进一步加速它们。然后，当电子飞过它时，它会再次变为负值并将它们推向第三个电极。

因此，随着电子向前移动，它们逐渐加速，在腔室末端达到近光速，并获得数亿电子伏特的能量。通过安装在管子末端的窗口，空气无法穿透，一部分加速电子落在微观世界的研究对象 - 原子及其原子核上。

很容易理解，我们想要赋予粒子的能量越多，直线加速管就应该越长——几十米甚至几百米。但这并不总是可能的。现在，如果你把管子卷成一个紧凑的螺旋。然后这样的加速器可以自由地放置在实验室中。

另一种物理现象帮助实现了这个想法。带电粒子一旦进入磁场，就开始不是直线运动，而是围绕磁场线“卷曲”。于是，出现了另一种加速器——回旋加速器。第一个回旋加速器由美国的 E. Lawrence 于 1930 年建造。

粒子加速器
回旋加速器

回旋加速器的主要部分是一个强大的电磁铁，在其两极之间放置一个扁平的圆柱形腔室。它由两个半圆形的金属盒子组成，中间有一个小缝隙。这些盒子 - dees - 用作电极并连接到交流电压发生器的电极。在腔室的中心是带电粒子源 - 类似于电子“枪”。

粒子加速器
回旋加速器示意图

从源中飞出后，粒子（假设它现在是带正电的质子）立即被吸引到当前带负电的电极上。电极内部没有电场，因此粒子通过惯性在其中飞行。在磁场的影响下，其力线垂直于轨迹平面，粒子描述一个半圆形并飞到电极之间的间隙。在此期间，第一个电极变为正极，现在将粒子推出，而另一个将粒子吸入。因此，从一个dee传递到另一个dee，粒子会加快速度并描述一个展开的螺旋。在实验者目标上的特殊磁铁的帮助下，将粒子从腔室中移除。

回旋加速器中粒子的速度越接近光速，它们就会变得越重，并开始逐渐落后于电极上电压的变化符号。它们不再随着电力及时下降并停止加速。回旋加速器中可以传递给粒子的限制能量为 25-30 MeV。

为了克服这个障碍，交替施加到电极上的电压频率逐渐降低，使其适应“较重”粒子的节拍。这种类型的加速器称为同步回旋加速器。

杜布纳（莫斯科附近）联合核研究所最大的同步回旋加速器之一产生能量为 680 MeV 的质子和能量为 380 MeV 的氘核（重氢核 - 氘）。为此，需要建造一个直径3米的真空室和一个重达7000吨的电磁铁！

随着物理学家深入到原子核的结构中，需要越来越高的能量粒子。有必要建造更强大的加速器 - 同步加速器和同步加速器，其中粒子不是以螺旋方式移动，而是在环形室中以封闭的圆圈移动。 1944 年，苏联物理学家 V.I. 维克斯勒和美国物理学家 E.M. 麦克米伦发现了自动定相的原理。该方法的本质是：如果以某种方式选择场，粒子将自动落入与加速电压的相位。 1952 年，美国科学家 E. Courant、M. Livingston 和 H. Snyder 提出了所谓的硬聚焦，将粒子压在运动轴上。在这些发现的帮助下，有可能制造出任意高能量的同步加速器。

加速器还有另一种分类系统——根据加速电场的类型。高压加速器的工作是由于加速空间的电极之间的高电位差，当粒子在电极之间飞行时，它一直在运行。在感应加速器中，涡旋电场“起作用”，它在粒子当前所在的位置被感应（激发）。最后，共振加速器使用随时间和幅度变化的电加速场，与此同步，“进入共振”，整个粒子“集合”被加速。当人们谈论现代高能粒子加速器时，他们主要指的是环形共振加速器。

在另一种类型的加速器 - 质子 - 对于非常高的能量，在加速期结束时，粒子的速度接近光速。它们以恒定频率在圆形轨道上循环。用于高能质子的加速器称为质子同步加速器。最大的三个位于美国、瑞士和俄罗斯。

当前运行的加速器的能量达到数十和数百千兆电子伏特（1 GeV = 1000 MeV）。世界上最大的一台是位于莫斯科附近普罗维诺市的高能物理研究所的 U-70 质子同步加速器，它于 1967 年投入运行。加速环直径一公里半，120个磁区总质量达20000万吨。每两秒钟，加速器以 10 GeV 能量（世界第四指标）的 76 次方质子的 400000 次方的齐射向目标射击。要达到这种能量，粒子必须完成60000万转，覆盖XNUMX万公里的距离！在这里还为新的加速器建造了一条长达 XNUMX 公里的地下环形隧道。

有趣的是，苏联时期在杜布纳或普罗特维诺发射加速器仅在夜间进行，因为它们不仅在莫斯科而且在邻近地区都获得了几乎所有的电力！

1973 年，美国物理学家在巴达维亚市投入运行加速器，其中粒子设法传递 400 GeV 的能量，然后将其提高到 500 GeV。今天，最强大的加速器位于美国。它被称为“Tevatron”，因为在其超过 1 公里长的环中，在超导磁体的帮助下，质子获得了大约 1 太电子伏特的能量（1000 TeV 等于 XNUMX GeV）。

粒子加速器
美国费米实验室加速器中心视图。 Tevatron（背景中的环）和环注射器

为了获得更高能量的加速粒子束与所研究的物理对象的材料的相互作用，有必要将“目标”分散到“射弹”。为此，请在特殊的加速器 - 对撞机中组织粒子束的碰撞。当然，碰撞光束中的粒子密度不如静止“目标”的材料中那么高，因此使用了所谓的蓄能器来增加它。这些是环形真空室，粒子从加速器“分部分”抛入其中。蓄能器配备有加速系统，可补偿粒子的能量损失。科学家将加速器的进一步发展与对撞机联系起来。到目前为止，只建造了少数几个，它们位于世界上最发达的国家——美国、日本、德国，以及位于瑞士的欧洲核研究中心。

现代加速器是生产强粒子束的“工厂”——电子或质子重 2000 倍。来自加速器的粒子束被引导到根据实验任务选择的“目标”。与它碰撞时，会产生各种次级粒子。新粒子的诞生是实验的目的。

借助特殊设备 - 探测器 - 记录这些粒子或其轨迹，恢复运动轨迹，确定粒子的质量、电荷、速度和其他特性。然后，通过对从探测器接收到的信息进行复杂的数学处理，在计算机上还原整个交互“历史”，并通过将测量结果与理论模型进行比较，得出实际过程是否与构建的模型一致的结论. 这就是获得关于核内粒子特性的新知识的方式。

加速器中粒子获得的能量越高，对“目标”原子或对撞机中的反粒子的影响越强，“碎片”就越小。

例如，在美国的对撞机的帮助下，正在进行实验，目的是在实验室条件下重现大爆炸，我们的宇宙应该从大爆炸开始。来自 2000 个国家的物理学家参与了这项大胆的实验，其中有俄罗斯的代表。 XNUMX年夏天俄罗斯组直接参与实验，在加速器值班，取数据。

以下是一位俄罗斯科学家 - 该实验的参与者 - 物理和数学科学候选人，MEPhI Valery Mikhailovich Emelyanov 副教授说：“距离纽约 60 英里的长岛，RHIC 加速器 - 相对论重离子对撞机 -建立在重相对论离子的基础上。“重”-从今年开始，他就开始研究金原子核束。“相对论”-也可以理解，我们谈论的是狭义相对论的影响在所有它们中表现出来的速度。荣耀。而“对撞机”（来自碰撞 - 碰撞）之所以被称为是因为在它的环中存在碰撞核束的碰撞。顺便说一句，在我们国家没有这种类型的加速器。落在一个核子是 100 GeV。这是很多——几乎是以前的两倍。第一次物理碰撞记录在 25 年 2000 月 XNUMX 日。科学家的任务是试图记录一种新的核物质状态——夸克胶子等离子体。

“这项任务非常复杂，”Emelyanov 继续说道，“从数学上讲，它通常是不正确的：二次粒子在动量和速度方面的相同固定分布可能有完全不同的原因。而且只有在涉及大量探测器的详细实验中，热量计，多重传感器带电粒子，记录过渡辐射的计数器等，有希望记录夸克 - 胶子等离子体中固有的最细微差异。在如此高能量下的核相互作用机制本身很有趣，但更重要的是，第一次在实验室探索我们宇宙的起源。”

作者：Musskiy S.A.

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