Pemecut zarah ialah peranti yang menghasilkan pancaran zarah atom atau subatom bercas elektrik yang bergerak pada kelajuan hampir cahaya. Kerjanya adalah berdasarkan peningkatan tenaga mereka oleh medan elektrik dan perubahan dalam trajektori - oleh satu magnet.
Untuk apa pemecut zarah?
Peranti ini digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang sains dan industri. Hari ini, terdapat lebih daripada 30 ribu daripada mereka di seluruh dunia. Bagi seorang ahli fizik, pemecut zarah berfungsi sebagai alat untuk penyelidikan asas ke dalam struktur atom, sifat daya nuklear, dan sifat nukleus yang tidak berlaku dalam alam semula jadi. Yang terakhir termasuk transuranium dan unsur tidak stabil lain.
Dengan bantuan tiub nyahcas, anda boleh menentukan caj tertentu. Pemecut zarah juga digunakan dalam penghasilan radioisotop, dalam radiografi industri, dalam terapi sinaran, dalam pensterilan bahan biologi, dan dalam radiokarbon.analisis. Pemasangan terbesar digunakan dalam kajian interaksi asas.
Hayat zarah bercas dalam keadaan rehat berbanding dengan pemecut adalah kurang daripada zarah yang dipercepatkan kepada kelajuan yang hampir dengan kelajuan cahaya. Ini mengesahkan kerelatifan selang masa SRT. Contohnya, di CERN, peningkatan 29 kali ganda dalam hayat muon pada kelajuan 0.9994c telah dicapai.
Artikel ini membincangkan cara pemecut zarah berfungsi, perkembangannya, jenis yang berbeza dan ciri tersendiri.
Prinsip pecutan
Tidak kira pemecut zarah yang anda tahu, kesemuanya mempunyai unsur yang sama. Pertama, mereka semua mesti mempunyai sumber elektron dalam kes kinescope televisyen, atau elektron, proton, dan antizarahnya dalam kes pemasangan yang lebih besar. Di samping itu, mereka semua mesti mempunyai medan elektrik untuk mempercepatkan zarah dan medan magnet untuk mengawal trajektori mereka. Selain itu, vakum dalam pemecut zarah (10-11 mm Hg), iaitu jumlah minimum sisa udara, adalah perlu untuk memastikan jangka hayat rasuk. Dan, akhirnya, semua pemasangan mesti mempunyai cara untuk mendaftar, mengira dan mengukur zarah dipercepatkan.
Generasi
Elektron dan proton, yang paling biasa digunakan dalam pemecut, terdapat dalam semua bahan, tetapi pertama sekali ia perlu diasingkan daripadanya. Elektron biasanya dihasilkansama seperti dalam kinescope - dalam peranti yang dipanggil "pistol". Ia adalah katod (elektrod negatif) dalam vakum, yang dipanaskan ke titik di mana elektron mula berpisah daripada atom. Zarah bercas negatif tertarik ke anod (elektrod positif) dan melalui alur keluar. Pistol itu sendiri juga merupakan pemecut paling mudah, kerana elektron bergerak di bawah pengaruh medan elektrik. Voltan antara katod dan anod biasanya antara 50-150 kV.
Selain elektron, semua bahan mengandungi proton, tetapi hanya nukleus atom hidrogen terdiri daripada proton tunggal. Oleh itu, sumber zarah untuk pemecut proton ialah hidrogen gas. Dalam kes ini, gas terion dan proton melarikan diri melalui lubang. Dalam pemecut besar, proton sering dihasilkan sebagai ion hidrogen negatif. Mereka adalah atom dengan elektron tambahan, yang merupakan hasil pengionan gas diatomik. Lebih mudah untuk bekerja dengan ion hidrogen bercas negatif pada peringkat awal. Kemudian ia disalurkan melalui kerajang nipis yang menghalang mereka daripada elektron sebelum peringkat pecutan terakhir.
Pecutan
Bagaimanakah pemecut zarah berfungsi? Ciri utama mana-mana daripada mereka ialah medan elektrik. Contoh paling mudah ialah medan statik seragam antara potensi elektrik positif dan negatif, sama seperti yang wujud di antara terminal bateri elektrik. Dalam apa-apamedan, elektron yang membawa cas negatif tertakluk kepada daya yang mengarahkannya ke arah potensi positif. Dia mempercepatkannya, dan jika tiada apa-apa untuk menghalangnya, kelajuan dan tenaganya meningkat. Elektron yang bergerak ke arah potensi positif dalam wayar atau bahkan dalam udara berlanggar dengan atom dan kehilangan tenaga, tetapi jika ia berada dalam vakum, ia memecut apabila ia mendekati anod.
Voltan antara kedudukan awal dan akhir elektron menentukan tenaga yang diperolehi olehnya. Apabila bergerak melalui beza keupayaan 1 V, ia adalah sama dengan 1 elektron volt (eV). Ini bersamaan dengan 1.6 × 10-19 joule. Tenaga nyamuk terbang adalah trilion kali ganda lebih besar. Dalam kinescope, elektron dipercepatkan dengan voltan melebihi 10 kV. Banyak pemecut mencapai tenaga yang lebih tinggi, diukur dalam mega-, giga- dan teraelektronvolt.
Pelbagai
Beberapa jenis pemecut zarah yang terawal, seperti pengganda voltan dan penjana Van de Graaff, menggunakan medan elektrik malar yang dijana oleh potensi sehingga satu juta volt. Tidak mudah untuk bekerja dengan voltan tinggi sedemikian. Alternatif yang lebih praktikal ialah tindakan berulang medan elektrik lemah yang dihasilkan oleh potensi rendah. Prinsip ini digunakan dalam dua jenis pemecut moden - linear dan kitaran (terutamanya dalam cyclotrons dan synchrotrons). Pemecut zarah linear, ringkasnya, melepasinya sekali melalui urutanmedan memecut, manakala dalam satu kitaran mereka berulang kali bergerak di sepanjang laluan bulat melalui medan elektrik yang agak kecil. Dalam kedua-dua kes, tenaga akhir zarah bergantung pada kesan gabungan medan, supaya banyak "kejutan" kecil bertambah untuk memberikan kesan gabungan satu yang besar.
Struktur berulang pemecut linear untuk mencipta medan elektrik secara semula jadi melibatkan penggunaan AC dan bukannya voltan DC. Zarah bercas positif dipercepatkan ke arah potensi negatif dan mendapat dorongan baru jika ia melepasi yang positif. Dalam amalan, voltan harus berubah dengan cepat. Contohnya, pada tenaga 1 MeV, sebuah proton bergerak pada kelajuan yang sangat tinggi iaitu 0.46 kelajuan cahaya, bergerak 1.4 m dalam 0.01 ms. Ini bermakna bahawa dalam corak berulang beberapa meter panjang, medan elektrik mesti menukar arah pada frekuensi sekurang-kurangnya 100 MHz. Pemecut linear dan kitaran zarah bercas, sebagai peraturan, mempercepatkannya menggunakan medan elektrik berselang-seli dengan frekuensi 100 hingga 3000 MHz, iaitu, daripada gelombang radio hingga gelombang mikro.
Gelombang elektromagnet ialah gabungan antara medan elektrik dan magnet berselang-seli yang berayun berserenjang antara satu sama lain. Titik utama pemecut adalah untuk melaraskan gelombang supaya apabila zarah tiba, medan elektrik diarahkan mengikut vektor pecutan. Ini boleh dilakukan dengan gelombang berdiri - gabungan gelombang bergerak dalam arah yang bertentangan dalam gelung tertutup.ruang, seperti gelombang bunyi dalam paip organ. Alternatif untuk elektron yang bergerak sangat pantas menghampiri kelajuan cahaya ialah gelombang perjalanan.
Autofasa
Kesan penting apabila memecut dalam medan elektrik berselang-seli ialah "mengautopfasa". Dalam satu kitaran ayunan, medan berselang-seli pergi dari sifar melalui nilai maksimum sekali lagi kepada sifar, jatuh ke minimum dan meningkat kepada sifar. Jadi ia melalui nilai yang diperlukan untuk mempercepatkan dua kali. Jika zarah yang memecut tiba terlalu cepat, maka ia tidak akan terjejas oleh medan kekuatan yang mencukupi, dan tolakan akan menjadi lemah. Apabila dia sampai ke bahagian seterusnya, dia akan lewat dan akan mengalami kesan yang lebih kuat. Akibatnya, autofasa akan berlaku, zarah akan berada dalam fasa dengan medan di setiap kawasan pecutan. Kesan lain ialah mengelompokkannya dari semasa ke semasa dalam rumpun dan bukannya aliran berterusan.
Arah pancaran
Medan magnet juga memainkan peranan penting dalam cara pemecut zarah bercas berfungsi, kerana ia boleh mengubah arah pergerakannya. Ini bermakna ia boleh digunakan untuk "membengkokkan" rasuk di sepanjang laluan bulat supaya ia melalui bahagian pecutan yang sama beberapa kali. Dalam kes yang paling mudah, zarah bercas yang bergerak pada sudut tepat ke arah medan magnet seragam tertakluk kepada daya.berserenjang dengan vektor sesarannya dan dengan medan. Ini menyebabkan rasuk bergerak sepanjang trajektori bulat berserenjang dengan medan sehingga ia meninggalkan kawasan tindakannya atau daya lain mula bertindak ke atasnya. Kesan ini digunakan dalam pemecut kitaran seperti siklotron dan synchrotron. Dalam siklotron, medan malar dihasilkan oleh magnet yang besar. Zarah-zarah, apabila tenaga mereka berkembang, berputar ke luar, memecut dengan setiap revolusi. Dalam synchrotron, tandan bergerak mengelilingi gelang dengan jejari malar, dan medan yang dicipta oleh elektromagnet di sekeliling gelang bertambah apabila zarah memecut. Magnet "lentur" ialah dipol dengan kutub utara dan selatan dibengkokkan dalam bentuk ladam supaya rasuk boleh lalu di antara mereka.
Fungsi elektromagnet kedua yang penting ialah untuk menumpukan rasuk supaya ia menjadi sempit dan sengit yang mungkin. Bentuk termudah bagi magnet fokus ialah dengan empat kutub (dua utara dan dua selatan) bertentangan antara satu sama lain. Mereka menolak zarah ke arah pusat dalam satu arah, tetapi membenarkan mereka merambat dalam arah serenjang. Magnet quadrupole memfokuskan rasuk secara mendatar, membolehkan ia keluar dari fokus secara menegak. Untuk melakukan ini, mereka mesti digunakan secara berpasangan. Magnet yang lebih kompleks dengan lebih banyak tiang (6 dan 8) juga digunakan untuk pemfokusan yang lebih tepat.
Apabila tenaga zarah bertambah, kekuatan medan magnet yang membimbingnya meningkat. Ini mengekalkan rasuk pada laluan yang sama. Gumpalan itu dimasukkan ke dalam cincin dan dipercepatkan ketenaga yang diperlukan sebelum ia boleh ditarik balik dan digunakan dalam eksperimen. Penarikan balik dicapai dengan elektromagnet yang dihidupkan untuk menolak zarah keluar dari gelang segerak.
Perlanggaran
Pemecut zarah yang digunakan dalam perubatan dan industri terutamanya menghasilkan pancaran untuk tujuan tertentu, seperti terapi sinaran atau implantasi ion. Ini bermakna zarah digunakan sekali. Selama bertahun-tahun, perkara yang sama berlaku untuk pemecut yang digunakan dalam penyelidikan asas. Tetapi pada tahun 1970-an, gelang telah dibangunkan di mana kedua-dua rasuk beredar dalam arah yang bertentangan dan berlanggar di sepanjang keseluruhan litar. Kelebihan utama pemasangan sedemikian ialah dalam perlanggaran secara langsung, tenaga zarah masuk terus ke dalam tenaga interaksi antara mereka. Ini berbeza dengan apa yang berlaku apabila rasuk berlanggar dengan bahan dalam keadaan diam: dalam kes ini, kebanyakan tenaga dibelanjakan untuk menetapkan pergerakan bahan sasaran, mengikut prinsip pengekalan momentum.
Sesetengah mesin rasuk berlanggar dibina dengan dua gelang bersilang di dua atau lebih tempat, di mana zarah daripada jenis yang sama beredar dalam arah yang bertentangan. Pelanggar dengan zarah dan antizarah adalah lebih biasa. Antizarah mempunyai cas yang bertentangan dengan zarah yang berkaitan. Sebagai contoh, positron bercas positif, manakala elektron bercas negatif. Ini bermakna medan yang mempercepatkan elektron memperlahankan positron,bergerak ke arah yang sama. Tetapi jika yang terakhir bergerak ke arah yang bertentangan, ia akan mempercepatkan. Begitu juga, elektron yang bergerak melalui medan magnet akan bengkok ke kiri, dan positron akan bengkok ke kanan. Tetapi jika positron bergerak ke arahnya, maka laluannya masih akan menyimpang ke kanan, tetapi sepanjang lengkung yang sama dengan elektron. Bersama-sama, ini bermakna zarah-zarah ini boleh bergerak sepanjang gelang synchrotron disebabkan oleh magnet yang sama dan dipercepatkan oleh medan elektrik yang sama dalam arah yang bertentangan. Banyak pelanggar paling berkuasa pada rasuk berlanggar telah dicipta mengikut prinsip ini, kerana hanya satu gelang pemecut diperlukan.
Rasuk dalam synchrotron tidak bergerak secara berterusan, tetapi digabungkan menjadi "gumpalan". Panjangnya boleh beberapa sentimeter dan diameter sepersepuluh milimeter, dan mengandungi kira-kira 1012 zarah. Ini adalah ketumpatan kecil, kerana bahan bersaiz ini mengandungi kira-kira 1023 atom. Oleh itu, apabila rasuk bersilang dengan rasuk yang datang, hanya terdapat sedikit peluang bahawa zarah akan berinteraksi antara satu sama lain. Dalam amalan, tandan terus bergerak di sepanjang gelanggang dan bertemu semula. Vakum dalam dalam pemecut zarah (10-11 mmHg) adalah perlu supaya zarah boleh beredar selama berjam-jam tanpa berlanggar dengan molekul udara. Oleh itu, gelang juga dipanggil terkumpul, kerana berkas sebenarnya disimpan di dalamnya selama beberapa jam.
Daftar
Pemecut zarah sebahagian besarnya boleh mendaftarkan perkara yang berlaku apabilaapabila zarah mengenai sasaran atau rasuk lain yang bergerak ke arah yang bertentangan. Dalam kinescope televisyen, elektron daripada pistol menyerang fosfor pada permukaan dalaman skrin dan memancarkan cahaya, yang dengan itu mencipta semula imej yang dihantar. Dalam pemecut, pengesan khusus seperti itu bertindak balas terhadap zarah yang bertaburan, tetapi ia biasanya direka untuk menjana isyarat elektrik yang boleh ditukar kepada data komputer dan dianalisis menggunakan program komputer. Hanya unsur bercas yang mencipta isyarat elektrik dengan melalui bahan, contohnya dengan atom yang mengujakan atau mengion, dan boleh dikesan secara langsung. Zarah neutral seperti neutron atau foton boleh dikesan secara tidak langsung melalui kelakuan zarah bercas yang mereka tetapkan dalam gerakan.
Terdapat banyak pengesan khusus. Sesetengah daripada mereka, seperti pembilang Geiger, hanya mengira zarah, manakala yang lain digunakan, sebagai contoh, untuk merekod trek, mengukur kelajuan atau mengukur jumlah tenaga. Pengesan moden terdiri daripada saiz dan teknologi daripada peranti berganding cas kecil hingga ke ruang besar yang diisi dengan wayar yang mengesan jejak terion yang dihasilkan oleh zarah bercas.
Sejarah
Pemecut zarah terutamanya dibangunkan untuk mengkaji sifat nukleus atom dan zarah asas. Daripada penemuan tindak balas antara nukleus nitrogen dan zarah alfa oleh ahli fizik British Ernest Rutherford pada tahun 1919, semua penyelidikan dalam fizik nuklear sehingga1932 dibelanjakan dengan nukleus helium yang dibebaskan daripada pereputan unsur radioaktif semula jadi. Zarah alfa semulajadi mempunyai tenaga kinetik 8 MeV, tetapi Rutherford percaya bahawa untuk memerhatikan pereputan nukleus berat, ia mesti dipercepatkan secara buatan kepada nilai yang lebih besar. Pada masa itu ia kelihatan sukar. Walau bagaimanapun, pengiraan yang dibuat pada tahun 1928 oleh Georgy Gamow (di Universiti Göttingen, Jerman) menunjukkan bahawa ion dengan tenaga yang jauh lebih rendah boleh digunakan, dan ini merangsang percubaan untuk membina kemudahan yang menyediakan pancaran yang mencukupi untuk penyelidikan nuklear.
Peristiwa lain dalam tempoh ini menunjukkan prinsip yang digunakan oleh pemecut zarah dibina sehingga hari ini. Eksperimen pertama yang berjaya dengan ion dipercepatkan secara buatan telah dijalankan oleh Cockcroft dan W alton pada tahun 1932 di Universiti Cambridge. Menggunakan pengganda voltan, mereka mempercepatkan proton kepada 710 keV dan menunjukkan bahawa yang terakhir bertindak balas dengan nukleus litium untuk membentuk dua zarah alfa. Menjelang 1931, di Universiti Princeton di New Jersey, Robert van de Graaff telah membina penjana elektrostatik tali pinggang berpotensi tinggi yang pertama. Pengganda voltan Cockcroft-W alton dan penjana Van de Graaff masih digunakan sebagai sumber kuasa untuk pemecut.
Prinsip pemecut resonans linear telah ditunjukkan oleh Rolf Wideröe pada tahun 1928. Di Universiti Teknologi Rhine-Westphalian di Aachen, Jerman, beliau menggunakan voltan ulang-alik tinggi untuk mempercepatkan ion natrium dan kalium kepada tenaga dua kalimelebihi yang dilaporkan oleh mereka. Pada tahun 1931 di Amerika Syarikat, Ernest Lawrence dan pembantunya David Sloan dari University of California, Berkeley menggunakan medan frekuensi tinggi untuk mempercepatkan ion merkuri kepada tenaga melebihi 1.2 MeV. Kerja ini menambah pemecut zarah berat Wideröe, tetapi pancaran ion tidak berguna dalam penyelidikan nuklear.
Pemecut resonan magnetik, atau siklotron, diilhamkan oleh Lawrence sebagai pengubahsuaian pemasangan Wideröe. Pelajar Lawrence Livingston menunjukkan prinsip siklotron pada tahun 1931 dengan menghasilkan 80 ion keV. Pada tahun 1932 Lawrence dan Livingston mengumumkan pecutan proton kepada lebih 1 MeV. Kemudian pada tahun 1930-an, tenaga siklotron mencapai kira-kira 25 MeV, dan tenaga penjana Van de Graaff mencapai kira-kira 4 MeV. Pada tahun 1940, Donald Kerst, menggunakan hasil pengiraan orbit yang teliti pada reka bentuk magnet, membina betatron pertama, pemecut elektron aruhan magnet, di Universiti Illinois.
Fizik moden: pemecut zarah
Selepas Perang Dunia II, sains mempercepatkan zarah kepada tenaga tinggi mencapai kemajuan pesat. Ia dimulakan oleh Edwin Macmillan di Berkeley dan Vladimir Veksler di Moscow. Pada tahun 1945, kedua-duanya secara bebas menerangkan prinsip kestabilan fasa. Konsep ini menawarkan cara untuk mengekalkan orbit zarah yang stabil dalam pemecut kitaran, yang menghilangkan had tenaga proton dan memungkinkan untuk mencipta pemecut resonans magnetik (syncrotrons) untuk elektron. Autophasing, pelaksanaan prinsip kestabilan fasa, telah disahkan selepas pembinaansynchrocyclotron kecil di University of California dan synchrotron di England. Tidak lama selepas itu, pemecut resonans linear proton pertama telah dicipta. Prinsip ini telah digunakan dalam semua penyegerakan proton besar yang dibina sejak itu.
Pada tahun 1947, William Hansen, di Universiti Stanford di California, membina pemecut elektron gelombang bergerak linear pertama menggunakan teknologi gelombang mikro yang dibangunkan untuk radar semasa Perang Dunia II.
Kemajuan dalam penyelidikan dimungkinkan dengan meningkatkan tenaga proton, yang membawa kepada pembinaan pemecut yang lebih besar. Trend ini telah dihentikan oleh kos yang tinggi untuk membuat magnet cincin yang besar. Yang terbesar beratnya kira-kira 40,000 tan. Cara untuk meningkatkan tenaga tanpa menambah saiz mesin telah ditunjukkan pada tahun 1952 oleh Livingston, Courant dan Snyder dalam teknik pemfokusan berselang-seli (kadang-kadang dipanggil fokus kuat). Synchrotron berdasarkan prinsip ini menggunakan magnet 100 kali lebih kecil daripada sebelumnya. Pemfokusan sedemikian digunakan dalam semua penyegerakan moden.
Pada tahun 1956, Kerst menyedari bahawa jika dua set zarah disimpan dalam orbit bersilang, ia boleh diperhatikan berlanggar. Aplikasi idea ini memerlukan pengumpulan rasuk dipercepat dalam kitaran yang dipanggil penyimpanan. Teknologi ini memungkinkan untuk mencapai tenaga interaksi maksimum zarah.
