شتاب دهنده ذرات وسیله ای است که پرتوی از ذرات اتمی یا زیراتمی باردار الکتریکی ایجاد می کند که با سرعت نزدیک به نور حرکت می کنند. کار آن بر اساس افزایش انرژی آنها توسط یک میدان الکتریکی و تغییر در مسیر - توسط یک میدان مغناطیسی است.
شتاب دهنده های ذرات برای چیست؟
این دستگاه ها در زمینه های مختلف علمی و صنعتی کاربرد فراوانی دارند. امروزه بیش از 30 هزار مورد در سراسر جهان وجود دارد. برای یک فیزیکدان، شتاب دهنده های ذرات به عنوان ابزاری برای تحقیقات اساسی در مورد ساختار اتم ها، ماهیت نیروهای هسته ای، و خواص هسته هایی که در طبیعت وجود ندارند، عمل می کنند. دومی شامل ترانس اورانیوم و سایر عناصر ناپایدار است.
با کمک یک لوله تخلیه، تعیین شارژ خاص ممکن شد. همچنین از شتاب دهنده های ذرات در تولید رادیو ایزوتوپ ها، رادیوگرافی صنعتی، پرتودرمانی، عقیم سازی مواد بیولوژیکی و رادیو کربن استفاده می شود.تحلیل و بررسی. بزرگترین تاسیسات در مطالعه فعل و انفعالات اساسی استفاده می شود.
طول عمر ذرات باردار در حالت سکون نسبت به شتاب دهنده کمتر از ذراتی است که به سرعت های نزدیک به سرعت نور شتاب می گیرند. این نسبیت فواصل زمانی SRT را تایید می کند. به عنوان مثال، در سرن، افزایش 29 برابری در طول عمر میون ها با سرعت 0.9994c به دست آمد.
این مقاله نحوه عملکرد یک شتاب دهنده ذرات، توسعه آن، انواع مختلف و ویژگی های متمایز را مورد بحث قرار می دهد.
اصول شتاب
صرف نظر از اینکه کدام شتاب دهنده ذرات را می شناسید، همه آنها عناصر مشترکی دارند. اول، همه آنها باید منبعی از الکترون در مورد کینسکوپ تلویزیونی یا الکترون ها، پروتون ها و پادذرات آنها در مورد تاسیسات بزرگتر داشته باشند. علاوه بر این، همه آنها باید دارای میدان های الکتریکی برای شتاب بخشیدن به ذرات و میدان های مغناطیسی برای کنترل مسیر آنها باشند. علاوه بر این، خلاء موجود در شتاب دهنده ذرات (10-11mmHg)، یعنی حداقل مقدار هوای باقیمانده، برای اطمینان از طول عمر طولانی پرتوها ضروری است. و در نهایت، همه تاسیسات باید ابزاری برای ثبت، شمارش و اندازه گیری ذرات شتاب دار داشته باشند.
نسل
الکترون ها و پروتون ها که بیشتر در شتاب دهنده ها استفاده می شوند، در همه مواد یافت می شوند، اما ابتدا باید از آنها جدا شوند. الکترون ها معمولا تولید می شونددرست مانند یک کینسکوپ - در دستگاهی به نام "تفنگ". این یک کاتد (الکترود منفی) در خلاء است که تا جایی گرم می شود که الکترون ها شروع به جدا شدن از اتم می کنند. ذرات باردار منفی به سمت آند (الکترود مثبت) جذب می شوند و از خروجی عبور می کنند. خود اسلحه همچنین ساده ترین شتاب دهنده است، زیرا الکترون ها تحت تأثیر میدان الکتریکی حرکت می کنند. ولتاژ بین کاتد و آند معمولا بین 50-150 کیلوولت است.
علاوه بر الکترون ها، همه مواد حاوی پروتون هستند، اما فقط هسته اتم های هیدروژن از تک پروتون تشکیل شده است. بنابراین منبع ذرات برای شتاب دهنده های پروتونی هیدروژن گازی است. در این حالت گاز یونیزه می شود و پروتون ها از سوراخ خارج می شوند. در شتاب دهنده های بزرگ، پروتون ها اغلب به صورت یون هیدروژن منفی تولید می شوند. آنها اتم هایی با یک الکترون اضافی هستند که حاصل یونیزاسیون یک گاز دو اتمی هستند. کار با یون های هیدروژن با بار منفی در مراحل اولیه آسان تر است. سپس آنها را از یک ورقه نازک عبور می دهند که آنها را قبل از مرحله نهایی شتاب از الکترون محروم می کند.
شتاب
شتاب دهنده های ذرات چگونه کار می کنند؟ ویژگی کلیدی هر یک از آنها میدان الکتریکی است. ساده ترین مثال یک میدان ثابت یکنواخت بین پتانسیل الکتریکی مثبت و منفی است، شبیه به میدانی که بین پایانه های یک باتری الکتریکی وجود دارد. در چنیندر میدان، یک الکترون حامل بار منفی در معرض نیرویی است که آن را به سمت پتانسیل مثبت هدایت می کند. او به او شتاب می دهد و اگر چیزی برای جلوگیری از این کار نباشد، سرعت و انرژی او افزایش می یابد. الکترون هایی که به سمت پتانسیل مثبت در یک سیم یا حتی در هوا حرکت می کنند با اتم ها برخورد می کنند و انرژی خود را از دست می دهند، اما اگر در خلاء باشند، با نزدیک شدن به آند شتاب می گیرند.
ولتاژ بین موقعیت اولیه و نهایی یک الکترون، تعیین کننده انرژی به دست آمده توسط آن است. هنگام حرکت از طریق اختلاف پتانسیل 1 ولت، برابر با 1 الکترون ولت (eV) است. این معادل 1.6 × 10-19 ژول است. انرژی یک پشه پرنده یک تریلیون برابر بیشتر است. در کینسکوپ، الکترون ها با ولتاژی بیش از 10 کیلو ولت شتاب می گیرند. بسیاری از شتاب‌دهنده‌ها به انرژی‌های بسیار بالاتری دست می‌یابند که در مگا، گیگا و ترال‌الکترون ولت اندازه‌گیری می‌شوند.
انواع
برخی از قدیمی ترین انواع شتاب دهنده های ذرات، مانند ضرب کننده ولتاژ و ژنراتور Van de Graaff، از میدان های الکتریکی ثابت تولید شده توسط پتانسیل های تا یک میلیون ولت استفاده می کردند. کار با چنین ولتاژهای بالایی کار آسانی نیست. یک جایگزین عملی تر، عمل مکرر میدان های الکتریکی ضعیف تولید شده توسط پتانسیل های کم است. این اصل در دو نوع شتاب دهنده مدرن - خطی و چرخه ای (به طور عمده در سیکلوترون ها و سنکروترون ها) استفاده می شود. به طور خلاصه، شتاب دهنده های ذرات خطی، آنها را یک بار از یک دنباله عبور می دهندمیدان‌های شتاب‌دهنده، در حالی که در میدان چرخه‌ای، مکرراً در یک مسیر دایره‌ای از میان میدانهای الکتریکی نسبتاً کوچک حرکت می‌کنند. در هر دو مورد، انرژی نهایی ذرات به اثر ترکیبی میدان‌ها بستگی دارد، به طوری که بسیاری از "شوک‌های" کوچک با هم جمع می‌شوند تا اثر ترکیبی یک بزرگ را ایجاد کنند.
ساختار تکرار شونده یک شتاب دهنده خطی برای ایجاد میدان های الکتریکی به طور طبیعی شامل استفاده از ولتاژ AC به جای ولتاژ DC است. ذرات با بار مثبت به سمت پتانسیل منفی شتاب می گیرند و اگر از کنار مثبت عبور کنند انگیزه جدیدی دریافت می کنند. در عمل، ولتاژ باید خیلی سریع تغییر کند. به عنوان مثال، با انرژی 1 مگا ولت، یک پروتون با سرعت های بسیار بالا 0.46 سرعت نور حرکت می کند و 1.4 متر در 0.01 میلی ثانیه حرکت می کند. این بدان معناست که در یک الگوی تکراری به طول چندین متر، میدان های الکتریکی باید در فرکانس حداقل 100 مگاهرتز تغییر جهت دهند. شتاب دهنده های خطی و چرخه ای ذرات باردار، به طور معمول، آنها را با استفاده از میدان های الکتریکی متناوب با فرکانس 100 تا 3000 مگاهرتز، یعنی از امواج رادیویی تا امواج مایکروویو، شتاب می دهند.
موج الکترومغناطیسی ترکیبی از میدان های الکتریکی و مغناطیسی متناوب است که عمود بر یکدیگر نوسان می کنند. نکته کلیدی شتاب دهنده این است که موج را طوری تنظیم کند که وقتی ذره می رسد، میدان الکتریکی مطابق با بردار شتاب هدایت شود. این را می توان با یک موج ایستاده انجام داد - ترکیبی از امواجی که در جهت مخالف در یک حلقه بسته حرکت می کنند.فضا، مانند امواج صوتی در لوله ارگان. یک جایگزین برای الکترون های بسیار سریع که به سرعت نور نزدیک می شوند، موج در حال حرکت است.
فازینگ خودکار
یک اثر مهم هنگام شتاب گیری در یک میدان الکتریکی متناوب "اتوفاز شدن" است. در یک چرخه نوسان، میدان متناوب از صفر تا یک مقدار حداکثر دوباره به صفر می‌رود، به حداقل می‌رسد و به صفر می‌رسد. بنابراین مقدار مورد نیاز برای افزایش سرعت را دو برابر می کند. اگر ذره شتاب‌دهنده خیلی زود برسد، تحت تأثیر میدانی با قدرت کافی قرار نمی‌گیرد و فشار ضعیف خواهد بود. هنگامی که او به بخش بعدی می رسد، او دیر می شود و تاثیر قوی تری را تجربه می کند. در نتیجه، فاز خودکار اتفاق می افتد، ذرات در هر ناحیه شتاب دهنده با میدان هم فاز خواهند بود. اثر دیگر این است که آنها را در طول زمان به صورت توده ای به جای یک جریان پیوسته دسته بندی کنیم.
جهت پرتو
میدانهای مغناطیسی نیز نقش مهمی در نحوه عملکرد یک شتاب دهنده ذرات باردار دارند، زیرا می توانند جهت حرکت خود را تغییر دهند. این بدان معنی است که می توان از آنها برای "خم کردن" تیرها در طول یک مسیر دایره ای استفاده کرد تا چندین بار از یک بخش شتاب دهنده عبور کنند. در ساده ترین حالت، یک ذره باردار که در زوایای قائم به جهت میدان مغناطیسی یکنواخت حرکت می کند، تحت تأثیر نیرویی قرار می گیرد.هم بر بردار جابجایی آن و هم بر میدان عمود است. این امر باعث می شود که پرتو در امتداد یک مسیر دایره ای عمود بر میدان حرکت کند تا جایی که از منطقه عمل خود خارج شود یا نیروی دیگری شروع به اعمال بر روی آن کند. این اثر در شتاب دهنده های چرخه ای مانند سیکلوترون و سینکروترون استفاده می شود. در یک سیکلوترون، یک میدان ثابت توسط یک آهنربای بزرگ ایجاد می شود. ذرات، با افزایش انرژی، به سمت بیرون می روند و با هر چرخش شتاب می گیرند. در یک سنکروترون، دسته ها در اطراف حلقه ای با شعاع ثابت حرکت می کنند و میدان ایجاد شده توسط الکترومغناطیس های اطراف حلقه با شتاب گرفتن ذرات افزایش می یابد. آهنرباهای "خم شونده" دوقطبی هستند که قطب شمال و جنوب آن به شکل نعل اسبی خم شده است تا پرتو از بین آنها عبور کند.
دومین عملکرد مهم آهنرباهای الکترومغناطیسی این است که پرتوها را به گونه ای متمرکز کنند که تا حد امکان باریک و شدید باشند. ساده ترین شکل یک آهنربای متمرکز با چهار قطب (دو قطب شمالی و دو قطب جنوبی) در مقابل یکدیگر است. آنها ذرات را در یک جهت به سمت مرکز هل می دهند، اما به آنها اجازه می دهند در جهت عمود بر هم انتشار یابند. آهنرباهای چهار قطبی پرتو را به صورت افقی متمرکز می کنند و به آن اجازه می دهند به صورت عمودی از فوکوس خارج شود. برای انجام این کار، آنها باید به صورت جفت استفاده شوند. آهنرباهای پیچیده تر با قطب های بیشتر (6 و 8) نیز برای فوکوس دقیق تر استفاده می شوند.
با افزایش انرژی ذرات، قدرت میدان مغناطیسی هدایت کننده آنها افزایش می یابد. این پرتو را در همان مسیر نگه می دارد. لخته وارد حلقه شده و تسریع می یابدانرژی مورد نیاز قبل از برداشت و استفاده در آزمایشات. عقب نشینی توسط آهنرباهای الکترونی به دست می آید که برای بیرون راندن ذرات از حلقه سنکروترون روشن می شوند.
برخورد
شتاب دهنده های ذرات مورد استفاده در پزشکی و صنعت عمدتاً یک پرتو برای یک هدف خاص مانند پرتو درمانی یا کاشت یون تولید می کنند. این بدان معنی است که ذرات یک بار استفاده می شوند. برای سال‌های متمادی، همین امر در مورد شتاب‌دهنده‌های مورد استفاده در تحقیقات پایه صادق بود. اما در دهه 1970، حلقه هایی ساخته شد که در آن دو پرتو در جهت مخالف به گردش در می آیند و در طول کل مدار با هم برخورد می کنند. مزیت اصلی چنین تاسیساتی این است که در یک برخورد رو به رو، انرژی ذرات مستقیماً به انرژی برهمکنش بین آنها می رود. این در تضاد با آنچه که هنگام برخورد پرتو با مواد در حالت سکون اتفاق می‌افتد، است: در این حالت، بیشتر انرژی صرف به حرکت درآوردن ماده مورد نظر مطابق با اصل بقای تکانه می‌شود.
برخی از ماشین‌های پرتو برخوردی با دو حلقه متقاطع در دو یا چند مکان ساخته می‌شوند که در آن ذرات از همان نوع در جهت مخالف در گردش هستند. برخورد کننده با ذرات و پاد ذرات رایج تر است. یک پادذره دارای بار مخالف ذره مرتبط با خود است. به عنوان مثال، یک پوزیترون دارای بار مثبت است، در حالی که یک الکترون دارای بار منفی است. این بدان معنی است که میدانی که الکترون را شتاب می دهد پوزیترون را کند می کند.در همان جهت حرکت می کند. اما اگر دومی در جهت مخالف حرکت کند، شتاب می گیرد. به طور مشابه، یک الکترون که در یک میدان مغناطیسی حرکت می کند به سمت چپ خم می شود و یک پوزیترون به سمت راست خم می شود. اما اگر پوزیترون به سمت آن حرکت کند، مسیر آن همچنان به سمت راست منحرف خواهد شد، اما در امتداد همان منحنی الکترون. با هم، این بدان معناست که این ذرات می توانند در امتداد حلقه سینکروترون به دلیل آهنرباهای یکسان حرکت کنند و توسط همان میدان های الکتریکی در جهات مخالف شتاب بگیرند. بسیاری از قوی‌ترین برخورددهنده‌ها در پرتوهای برخوردی بر اساس این اصل ایجاد شده‌اند، زیرا تنها به یک حلقه شتاب‌دهنده نیاز است.
پرتو در سنکروترون به طور پیوسته حرکت نمی کند، بلکه به صورت "کلوپ" ترکیب می شود. آنها می توانند چندین سانتی متر طول و یک دهم میلی متر قطر داشته باشند و حاوی حدود 10 12 ذره باشند. این چگالی کمی است، زیرا ماده ای به این اندازه حاوی حدود 1023 اتم است. بنابراین، هنگامی که پرتوها با پرتوهای روبروی متلاشی می شوند، تنها یک شانس کوچک وجود دارد که ذرات با یکدیگر برهمکنش کنند. در عمل، دسته ها به حرکت در امتداد حلقه ادامه می دهند و دوباره به هم می رسند. خلاء عمیق در شتاب دهنده ذرات (10-11mmHg) ضروری است تا ذرات بتوانند ساعت‌های زیادی بدون برخورد با مولکول‌های هوا در گردش باشند. بنابراین، حلقه ها را تجمعی نیز می نامند، زیرا بسته ها در واقع برای چندین ساعت در آنها ذخیره می شوند.
ثبت نام
شتاب‌دهنده‌های ذرات در بیشتر موارد می‌توانند ثبت کنند که چه اتفاقی می‌افتدهنگامی که ذرات به هدف یا پرتو دیگری که در جهت مخالف حرکت می کند برخورد می کنند. در یک کینسکوپ تلویزیونی، الکترون های تفنگ با فسفر به سطح داخلی صفحه نمایش برخورد می کنند و نور ساطع می کنند که در نتیجه تصویر ارسال شده را بازسازی می کند. در شتاب دهنده ها، چنین آشکارسازهای تخصصی به ذرات پراکنده پاسخ می دهند، اما معمولاً برای تولید سیگنال های الکتریکی طراحی شده اند که می توانند به داده های رایانه ای تبدیل شوند و با استفاده از برنامه های رایانه ای تجزیه و تحلیل شوند. فقط عناصر باردار با عبور از یک ماده، به عنوان مثال با تحریک یا یونیزه کردن اتم ها، سیگنال های الکتریکی ایجاد می کنند و می توانند مستقیماً شناسایی شوند. ذرات خنثی مانند نوترون ها یا فوتون ها را می توان به طور غیرمستقیم از طریق رفتار ذرات باردار که به حرکت در می آورند، شناسایی کرد.
آشکارسازهای تخصصی زیادی وجود دارد. برخی از آنها، مانند شمارنده گایگر، به سادگی ذرات را می شمارند، در حالی که برخی دیگر، به عنوان مثال، برای ضبط آهنگ، اندازه گیری سرعت، یا اندازه گیری مقدار انرژی استفاده می شوند. آشکارسازهای مدرن از نظر اندازه و فناوری از دستگاه‌های کوچک متصل به شارژ گرفته تا اتاقک‌های پر از گاز پر از سیم بزرگ که مسیرهای یونیزه ایجاد شده توسط ذرات باردار را تشخیص می‌دهند.
تاریخ
شتاب دهنده های ذرات عمدتاً برای مطالعه خواص هسته اتم و ذرات بنیادی ساخته شده اند. از کشف واکنش بین هسته نیتروژن و ذره آلفا توسط فیزیکدان انگلیسی ارنست رادرفورد در سال 1919، تمام تحقیقات در فیزیک هسته ای تاسال 1932 با هسته های هلیوم آزاد شده از فروپاشی عناصر رادیواکتیو طبیعی سپری شد. ذرات آلفای طبیعی دارای انرژی جنبشی 8 مگا الکترون ولت هستند، اما رادرفورد معتقد بود که برای مشاهده فروپاشی هسته‌های سنگین، باید به‌طور مصنوعی به مقادیر بیشتر شتاب داده شوند. در آن زمان سخت به نظر می رسید. با این حال، محاسبه‌ای که در سال 1928 توسط گئورگی گاموف (در دانشگاه گوتینگن، آلمان) انجام شد، نشان داد که یون‌هایی با انرژی بسیار پایین‌تر می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند، و این تلاش‌ها را برای ساختن تأسیساتی تحریک کرد که پرتوی کافی برای تحقیقات هسته‌ای فراهم کند.
سایر رویدادهای این دوره اصولی را نشان دادند که بر اساس آن شتاب دهنده های ذرات تا به امروز ساخته می شوند. اولین آزمایش های موفقیت آمیز با یون های شتاب مصنوعی توسط کاکرافت و والتون در سال 1932 در دانشگاه کمبریج انجام شد. آنها با استفاده از یک ضرب کننده ولتاژ، پروتون ها را تا 710 کو شتاب دادند و نشان دادند که دومی با هسته لیتیوم واکنش داده و دو ذره آلفا را تشکیل می دهد. در سال 1931، در دانشگاه پرینستون در نیوجرسی، رابرت ون دو گراف اولین ژنراتور الکترواستاتیک تسمه ای با پتانسیل بالا را ساخت. ضرب‌کننده‌های ولتاژ Cockcroft-W alton و ژنراتورهای Van de Graaff هنوز به‌عنوان منبع تغذیه برای شتاب‌دهنده‌ها استفاده می‌شوند.
اصل یک شتاب دهنده تشدید خطی توسط رولف ویدرو در سال 1928 نشان داده شد. در دانشگاه فناوری راین-وستفالن در آخن، آلمان، او از یک ولتاژ متناوب بالا برای شتاب دادن یون های سدیم و پتاسیم به انرژی دو بار استفاده کرد.فراتر از آنچه توسط آنها گزارش شده است. در سال 1931 در ایالات متحده، ارنست لارنس و دستیارش دیوید اسلون از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی از میدان های فرکانس بالا برای شتاب دادن یون های جیوه به انرژی های بیش از 1.2 مگا ولت استفاده کردند. این کار شتاب‌دهنده ذرات سنگین Wideröe را تکمیل کرد، اما پرتوهای یونی در تحقیقات هسته‌ای مفید نبودند.
شتاب دهنده تشدید مغناطیسی، یا سیکلوترون، توسط لارنس به عنوان اصلاحیه نصب Wideröe تصور شد. شاگرد لارنس لیوینگستون اصل سیکلوترون را در سال 1931 با تولید یون 80 کو نشان داد. در سال 1932 لارنس و لیوینگستون شتاب پروتون ها را به بیش از 1 مگا ولت اعلام کردند. بعداً در دهه 1930، انرژی سیکلوترون ها به حدود 25 مگا ولت و ژنراتورهای وان دو گراف به حدود 4 مگا ولت رسید. در سال 1940، دونالد کرست، با استفاده از نتایج محاسبات مداری دقیق در طراحی آهنرباها، اولین بتاترون، یک شتاب دهنده الکترون القایی مغناطیسی را در دانشگاه ایلینویز ساخت.
فیزیک مدرن: شتاب دهنده های ذرات
بعد از جنگ جهانی دوم، علم شتاب دهنده ذرات به انرژی های بالا به سرعت پیشرفت کرد. توسط ادوین مک میلان در برکلی و ولادیمیر وکسلر در مسکو آغاز شد. در سال 1945، هر دوی آنها به طور مستقل اصل پایداری فاز را توصیف کردند. این مفهوم وسیله ای برای حفظ مدارهای ذرات پایدار در یک شتاب دهنده حلقوی ارائه می دهد که محدودیت انرژی پروتون ها را از بین می برد و امکان ایجاد شتاب دهنده های تشدید مغناطیسی (سینکروترون) برای الکترون ها را فراهم می کند. Autophasing، اجرای اصل پایداری فاز، پس از ساخت تایید شده استیک سینکروسیکلوترون کوچک در دانشگاه کالیفرنیا و یک سینکروترون در انگلستان. اندکی پس از آن، اولین شتاب دهنده تشدید خطی پروتون ایجاد شد. این اصل در تمام سنکروترون های پروتون بزرگ ساخته شده از آن زمان استفاده شده است.
در سال 1947، ویلیام هانسن، در دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا، اولین شتاب دهنده الکترونی موج سیر خطی را با استفاده از فناوری مایکروویو ساخت که برای رادار در طول جنگ جهانی دوم توسعه داده شد.
پیشرفت در تحقیقات با افزایش انرژی پروتون ها امکان پذیر شد که منجر به ساخت شتاب دهنده های بزرگتر شد. این روند به دلیل هزینه بالای ساخت آهنرباهای حلقه ای عظیم متوقف شده است. بزرگترین آن حدود 40000 تن وزن دارد. راه های افزایش انرژی بدون افزایش اندازه ماشین ها در سال 1952 توسط لیوینگستون، کورانت و اسنایدر در تکنیک فوکوس متناوب (که گاهی فوکوس قوی نامیده می شود) نشان داده شد. سنکروترون های مبتنی بر این اصل از آهنرباهایی 100 برابر کوچکتر از قبل استفاده می کنند. چنین تمرکزی در تمام سنکروترون های مدرن استفاده می شود.
در سال 1956، کرست متوجه شد که اگر دو مجموعه از ذرات در مدارهای متقاطع نگه داشته شوند، می توان برخورد آنها را مشاهده کرد. کاربرد این ایده مستلزم تجمع پرتوهای شتابدار در چرخه هایی به نام ذخیره سازی بود. این فناوری دستیابی به حداکثر انرژی برهمکنش ذرات را ممکن کرد.
