Línuleg Accelerators hlaðinna agna. Eins og particle accelerators vinnu. Hvers vegna ögn eldsneytisgjöf?

The eldsneytisgjöf hlaðinna agna - tæki þar sem geisla af rafhlaðnar lotukerfinu eða subatomic agna ferðast á næstum samstundis við hraða. Grunnur verk hans er nauðsynlegt aukning þeirra orku með rafsviði og breyta braut - segulmagnaðir.

Hvað eru ögn eldsneytisgjöf?

Þessi tæki eru mikið notaðar í ýmsum sviðum vísinda og iðnaðar. Hingað allan heim eru meira en 30 þúsund. Fyrir eðlisfræði innheimt ögn eldsneytisgjöf þjóna sem tæki af grunnrannsóknum á uppbyggingu frumeinda, eðli kjarnorku herafla og kjarnorkuvopn eiginleika, sem ekki eiga sér stað náttúrulega. Síðarnefndu eru transuranic og önnur óstöðug þætti.

Með útskrift rör hefur orðið mögulegt að ákvarða sérstakt gjald. Hlaðinn ögn eldsneytisgjöf eru einnig notuð til framleiðslu á geislasamsætur, í iðnaði myndgreiningu, geislameðferð, við dauðhreinsun á lífrænna efna, og í radiocarbon greiningu. Stærstu einingar eru notaðar í rannsókninni grundvallar samskiptum.

Líftími á hlaðinna agna í hvíld með tilliti til eldsneytisgjöf er minni en agnir hraða til að hraða nærri ljóshraða. Þetta staðfestir tiltölulega lítið magn af tíma stöðvar. Til dæmis, í CERN hefur náðst aukningu í líftíma Muôn 0,9994c hraða 29 sinnum.

Þessi grein fjallar um hvað er inni og vinna ögn eldsneytisgjöf, þróun hennar, mismunandi tegundir og mismunandi lögun.

hröðun meginreglur

Óháð því hvers konar hlaðinna agna eldsneytisgjöf þú veist, þeir hafa allir sameiginlega þætti. Í fyrsta lagi verða þeir að hafa fengið rafeinda í tilviki sjónvarp mynd rör eða rafeinda, róteinda og antiparticles þeirra í að ræða stærri stöðvar. Ennfremur þeir verða allir að hafa rafsvið til að flýta agnir og segulsviði til að stjórna braut sinni. Að auki, lofttæmt hlaðinn ögn inngjöfinni (10 ^-11 mm Hg. V.), M. E. lágmarks magni af afgangsloft, er nauðsynlegt til að tryggja langt líf tíma geislar. Loks verður að hafa öll mannvirki skráningu hætti, talningu og mælingu hraðari agna.

kynslóð

Rafeindir og róteindir, oftast sem notuð eru í eldsneytisgjöf, er að finna í öllum efnum, en fyrst þeir verða að velja úr þeim. Rafeindir yfirleitt eru búnir á sama hátt eins og á myndinni rör - í tæki sem kallast "byssu". Það er bakskaut (neikvæð rafskaut) í tómarúmi, sem er hitaður upp f ríkis þar rafeindir byrja að koma burt atóm. Neikvætt hlaðnar agnir eru dregist að forskautsins (jákvæða rafskaut) og fara í gegnum úttakið. The byssu sjálft er einfaldasta og eldsneytisgjöf vegna þess að rafeindirnar eru að flytja undir áhrifum rafmagns sviði. The spenna á milli bakskauts og forskautsins, venjulega á bilinu 50-150 kV.

Burtséð frá rafeinda úr hvers kyns efni innihélt róteindir, en aðeins einn róteind kjarni samanstendur af vetnisatómum. Þess vegna, sem ögnin uppspretta fyrir róteindir accelerators er vetni gas. Í þessu tilviki er gas er jónað og róteindir eru staðsett í holu. Í stórum accelerators róteindir eru oft myndast í formi af neikvæðum vetnisjónir. Þeir tákna til viðbótar rafeindir úr atómum sem eru framleiddir samkvæmt tvıatóma gas jónun. Þar sem neikvætt hlaðin vetnisjöna í fyrstu stigum af the vinna auðveldari. Þá þeir fara í gegnum þunnt himnur, sem sviptir þá rafeinda áður lokastigi hröðun.

hröðun

Eins ögn eldsneytisgjöf vinnu? A lykill lögun af öllum þeim er rafsviðið. Einfaldasta dæmið - samræmda truflanir sviði milli jákvæðra og neikvæðra rafspennu, svipað því sem er á milli skautanna rafmagns rafhlöðu. Þessi rafeinda sviði vopnaður neikvæða hleðslu kemst í snertingu við afl sem stýrir henni í jákvæða möguleika. Það flýtir það, og ef það er eitthvað sem myndi standa í vegi, hraða og kraft hans aukast. Rafeindir færa í átt að jákvœða spennu á vírinn eða í lofti, og rekast með atóminu missa orku, en ef þeir eru staðsettir í lofttæmi, þá var flýta eins og þeir nálgast forskautinu.

Spennan milli byrjun og endir stöðu rafeinda Tilgreinir keypt þá orku. Þegar færa í gegnum spennuna af 1 v er jafnt og 1 rafeinda-volt (EV). Þetta jafngildir 1,6 × 10 ^-19 Joule. Orka fljúgandi fluga trilljón sinnum meiri. Í kinescope rafeindir eru hraðari spennu meiri en 10 kV. Margir eldsneytisgjöf ná miklu meiri orku mældur mega, giga og Tera-rafeinda-volt.

tegundir

Sumir af elstu tegundum eldsneytisgjöf ögn, svo sem spenna margfaldað og rafall Van de Graaff rafall, með því að nota stöðugt rafsvið mynda af möguleikum allt að milljón volt. Með slíkum háa vinna auðvelt. A hagnýt val er endurtekin aðgerð veikburða rafsvið sem framleidd lágt möguleikar. Þessi regla er notað í tveimur gerðum af nútíma accelerators - línuleg og sýklískri (einkum cyclotrons og synchrotrons). Línuleg ögn eldsneytisgjöf, í stuttu máli, fór þá einu sinni í gegnum röð af bæði hraðar sviðum, en lotubundið oft þeir fara í hringlaga braut í gegnum tiltölulega litla rafmagns sviði. Í báðum tilvikum, endanleg orka agna veltur á heildar sviði aðgerða, svo sem mörg lítil "högg" eru lagðar saman til að fá að samanlögð áhrif einn stór.

Endurteknar Uppbygging línulegri eldsneytisgjöf til að búa til rafmagn sviðum á eðlilegan hátt er að nota AC, ekki DC. Að jákvætt hlaðnar agnir eru hraðari við neikvæða möguleika og fá nýja hvati, ef standast jákvæð. Í reynd, spennuna þarf að breyta mjög fljótt. Til dæmis, með orkukostnað um 1 MeV róteindagjafar færist á mjög miklum hraða er að hraði ljóss, 0.46, sem liggur 1,4 M sem nemur 0,01 ms. Þetta þýðir að í endurteknu uppbyggingu nokkurra metra langur, rafmagns sviðum verður að breyta um stefnu í tíðni amk 100 MHz. Línuleg og hringlaga accelerators agnir dreifa yfirleitt þá með skiptis rafsviðsins tíðni frá 100 MHz til 3000, t. E-hluta hans bilinu útvarpsbylgjum við örbylgjuofni.

The rafsegulbylgja er a samsetning af oscillating rafmagns og segulsviðs sveiflast hornrétt hvor aðra. Lykilatriðið er að stilla eldsneytisgjöf bylgju þannig að við komu agna rafsviðið er beint í samræmi við hröðun vektor. Þetta er hægt að gera með því að nota standandi bylgja - blöndu af bylgjum ferðast í gagnstæðar áttir í lokuðu rými, hljóðbylgjur í pípa orgel. Önnur útfærsla á hratt að flytja rafeindir hverra er hraði nálgast hraða ljóssins, ferðasýningu öldu.

autophasing

Mikilvægt áhrif hröðun á breytilegu rafsviði er "áfanga stöðugleika". Í einu oscillation hringrás skiptis reit fer um núllið frá hámarksgildi aftur í núll, það minnkar í lágmarki og rís núll. Þannig fer það tvisvar í gegnum gildið sem þarf til hröðun. Ef ögn sem hraða eykst, kemur of snemma, það mun ekki virka akur nægilegs styrks og ýta verða veik. Þegar það nær næsta svæði, prófið seint og meiri áhrif. Þar af leiðandi, sjálf-áföngum á sér stað, munu agnimar í fasa við hverju svæði í vaxandi svæðinu. Önnur áhrif er að flokka þá í tíma til að mynda blóðtappa frekar en samfellda straum.

Átt geisla

Mikilvægt hlutverk í því hvernig virkar og ögn eldsneytisgjöf, spila og segulsvið, eins og þeir geta breytt akstursstefnu þeirra. Þetta þýðir að þeir geta vera notaður fyrir "beygja" á geisla í hringlaga braut, svo að þeir fóru ítrekað í gegnum sömu vaxandi hluta. Í einföldustu tilvikum, á hlaðna ögn á rétt horn við stefnu einsleitu segulsviði, afl vektor hornrétt bæði hreyfingu hennar, og á sviði. Þetta veldur því að geisla til að fara í hringlaga braut hornrétt á sviði, þar til hún kemur út úr sínu sviði aðgerða eða önnur gildi byrjar að bregðast við því. Þessi áhrif er notað í hringlaga accelerators svo sem synchrotron og cyclotron. Í cyclotron, stöðug sviði er framleitt af stórum segli. Agnir með vaxandi orku þeirra sem flytjast á gormlaga út á hraða með hverri byltingu. The synchrotron blóðtappa fara í kringum hringinn með stöðugum radíus, og svæðið mynda af electromagnets kringum hringinn eykst sem agnir eru hraðari. Seglum veita "beygja", tákna dipoles með norður og suður skautunum, Bent í kví þannig að stoðin getur framhjá lokanna.

Annað mikilvægt hlutverk þessara electromagnets er að einblína geislar þannig að þeir eru svo þröngar og mikil og hægt er. Einfaldasta form a áherslu segull - með fjórum stöngum (tveggja norðurhluta og tveir Southern) sem staðsett beint á móti hvort öðru. Þeir ýta agnir til miðju í eina átt, en leyfa þeim að vera dreift í hornrétt. Fjórpóla seglum beina geisla lárétt, leyfa honum að fara út úr fókus á hæðina. Til að gera þetta, verður að nota í pörum. Fyrir nákvæmari áherslu einnig notað flóknari seglum með fjölda Pólverja (6 og 8).

Þar sem orka agnarinnar eykst, styrk segulsviðs, beina þeim eykst. Þetta heldur geisla á sama braut. The ystingur er færður inn í hringinn og verður enn hraðari fram að vissu orku áður það er hægt að draga og nota í tilraunum. Inndráttur er náð með því að electromagnets sem eru gerðir virkir til að ýta agnir úr synchrotron hringnum.

árekstur

Hlaðinn ögn eldsneytisgjöf sem notuð eru í læknisfræði og iðnaði, aðallega framleiða geisla fyrir tiltekinn tilgang, til dæmis á geislun eða jón ísetningu. Þetta þýðir að agnimar sem fara notuð einu sinni. Hið sama var að segja um eldsneytisgjöf sem notuð eru í grunnrannsóknum í mörg ár. En hringir voru þróaðar árið 1970, þar sem tveir bitar blóðrás í gagnstæðar áttir og rekast kringum rásinni. Helstu kostur slíkra kerfa er að í árekstri að framan orka agna fer beint til milliverkana orku milli þeirra. Þetta andstæður með hvað gerist þegar geisla rekst með kyrrstæðum myndum, en þá mest af orku fer til lækkunar á miða efni í hreyfingu, í samræmi við meginregluna um varðveislu skriðþunga.

Sumir vélar með rekast geislar eru smíðaðir með tveimur hringjum, sker í tveimur eða fleiri stöðum, þar sem dreift í gagnstæða átt, agnir af sömu tegund. Algengari Collider agnar-antiparticle. Antiparticle hefur öfug gjald af tengslum agna. Til dæmis er sneiðmyndatöku, er jákvætt hlaðin, og rafeindir - neikvæð. Þetta þýðir að reit sem flýtir rafeind, sem sneiðmyndatöku hægir, flytja í sömu átt. En ef hún hreyfist í gagnstæða átt, það mun flýta. Á sama hátt, rafeind flytja í segulsviði will ferlinum til vinstri, og sneiðmyndatöku - hægri. En ef sneiðmyndatöku er áfram, þá leið hans mun halda áfram að víkja til hægri, en á sama ferlinum og það rafeindarinnar. Hins vegar þýðir þetta að agnir geta fara í gegnum hringinn á synchrotron sömu seglum og hraðað með sömu rafmagns sviðum í gagnstæðar áttir. Á þessari meginreglu búin marga öfluga colliders rekast geislar, t. Til. The þarf aðeins einn hringur flýtilykla.

Geisla í synchrotron er ekki að flytja stöðugt og samþætt inn í "dreifður". Þeir geta verið nokkrir cm í lengd og tíunda hluta úr millímetra í þvermál, og ná yfir að minnsta ^{12 október} agnir. Þetta low density, vegna þess að stærð af slíku efni inniheldur um það bil ^{23. október} frumeindir. Þess vegna, þegar rekast geislar skerast, það er aðeins lítill líkur á því að agnir hvarfast hver við aðra. Í reynd blóðtappa áfram að færa í kringum hringinn og hittast aftur. High lofttæmt inngjöfinni hlaðinna agna (10 ^-11 mm Hg. V.) Ekki er þörf til þess að agnimar sem fara fyrir umferð í margar klukkustundir án árekstra þær á loftsameindir. Því hringurinn er einnig kallað uppsöfnuð, því geislar í raun geymdar þar í nokkrar klukkustundir.

skráning

Gjaldfærður ögn eldsneytisgjöf í meirihluta getur skráð gerist þegar agnir ná takmarki eða annan geisla, áhrifamikill í gagnstæða átt. Í sjónvarp mynd rör, rafeindir frá byssu til að slá fosfór skjár á innra yfirborði og gefa frá sér ljós, sem þannig endurskapa send myndina. Í eldsneytisgjöf slíkum sérhæfðum skynjari bregðast við dreifður agnir, en þeir eru yfirleitt hönnuð til að búa til rafboð sem hægt er að breyta í gögnunum og greind með tölvuforrit. Only skuldfært þættir framleiða rafmerki sem fara um efni, til dæmis með því að jónun eða örvun á atóm, og er hægt að greina beint. The hlutlaus agnir, til dæmis nifteindir eða Ijóseinda er hægt að uppgötva óbeint í gegnum hegðun hlaðinna agna sem þeir eru á hreyfingu.

Það eru mörg sérhæfð skynjari. Sumir þeirra, eins og Geiger teljara, ögn telja, og önnur not, t.d., fyrir upptöku lögin eða hraða mælingar á orku. Modern skynjari í stærð og tækni, getur verið á bilinu lítil hlaða tengd með hjálp tæki til stórum gas-fyllt hólf með vír er komið fyrirtil jónað lög framleidd af hlaðinna agna.

saga

Hlaðinn ögn eldsneytisgjöf aðallega þróuð fyrir rannsóknir af þeim eiginleikum lotukerfinu kjarna og grunn agnir. Frá opnun breska eðlisfræðingnum Ernest Rutherford árið 1919, er efnahvarfið af köfnunarefni kjarna og alfa ögn, allar rannsóknir á sviði kjarneðlisfræði til 1932 voru framkvæmdar með helíum kjama, þar með út við hrörnun náttúrulegra geislavirkra frumefna. Náttúruleg alfa-agnir hafa hreyfiorku 8 MeV en Rutherford taldi að þeir verða að vera tilbúnar hraða til enn hærri gildi til að fylgjast með rotnun þungur kjarna. Á þeim tíma virtist erfitt. Hins vegar útreikningar gerðar árið 1928 eftir Georgiem Gamovym (við Háskólann í Göttingen, Þýskalandi), sýndi að jónir hægt er að nota á mun lægra orku, og þetta hefur ýtt tilraunir til að byggja upp aðstöðu sem veitir geisla nægilega for Nuclear Research.

Aðrir atburðir af þessu tímabili sýnt meginreglur sem hlöðnu agna eldsneytisgjöf eru byggð í dag. Fyrsta árangursríka tilraun með tilbúnar flýta jóna voru haldin Cockroft og Walton 1932 við Cambridge-háskóla. Með því að nota spenna margfaldað, eru róteindir hraða til 710 keV, og sýndi að hið síðarnefnda hvarfast við litíum til að mynda tvö alfaeindum. By 1931, við Princeton háskólann í New Jersey, Robert Van de Graaff rafstöðueiginleikar belti byggði fyrsta hár-hugsanlega rafall. Spenna margfaldað Cockcroft-Walton rafala og Van de Graaff rafall er enn notað sem orkugjafa fyrir eldsneytisgjöf.

Sýnt var fram meginreglan um línulega resonant bensíngjöfina Rolf Wideroe árið 1928. The Rhine-Westphalian Technical University í Aachen, Þýskalandi, notaði hann mikla riðspennu að flýta fyrir natríum og kalíum jónir til orku umfram tveimur tímum til að segja þeim. Árið 1931 í Bandaríkjunum Ernest Lourens og aðstoðarmaður hans, David Sloan við University of California, Berkeley, notað hár-tíðni reiti til að flýta fyrir kvikasilfur jónir til orku meiri en 1,2 MeV. Þetta starf er uppfylling bensíngjöfina þykkar hlaðinna agna Wideroe, en jón geislar eru ekki gagnlegt í kjarnorkurannsóknum.

Magnetic resonance inngjöfina eða cyclotron, var hugsuð sem breytingu á Lawrence Wideroe uppsetningu. Student Lawrence Livingston sýnt fram um þá meginreglu að cyclotron árið 1931, sem gerir af jónunum með orku 80 keV. Árið 1932, Lawrence og Livingston tilkynnti hröðun róteinda upp á meira en 1 MeV. Síðar í 1930, orka cyclotrons náð um 25 MeV, og Van de Graaff - um 4 MeV. Árið 1940, Donald Kerst, beita niðurstöður vönduðum útreikningum sporbraut við segull uppbyggingu, byggð við Háskólann í Illinois, fyrsta betatron, segulmagnaðir framkalla rafeind bensíngjöfina.

Nútíma eðlisfræði: ögn ° lar

Eftir síðari heimsstyrjöldina var skjótum framförum í vísindum á hraða agnir af háum orku. Það byrjaði Edwin McMillan í Berkeley og Vladimir Veksler í Moskvu. Árið 1945, þeir eru báðir óháð hver öðrum hafa lýst þeirri grundvallarreglu að stöðugleika fasa. Þetta hugtak býður upp á leiðir til að viðhalda stöðugu brautir agnir í hringlaga eldsneytisgjöf sem fjarlægður takmarkanir á róteindar orku og hjálpaði búa til magnetic resonance eldsneytisgjöf (synchrotrons) fyrir rafeindir. Autophasing, framkvæmd meginreglunnar um stöðugleika áfanga var staðfest eftir að byggingu litlu synchrocyclotron við University of California og synchrotron í Englandi. Stuttu eftir það, í fyrsta róteind línulegur resonant eldsneytisgjöf var búin til. Þessi meginregla er notað í öllum helstu róteindagjafar synchrotrons byggð síðan.

Árið 1947, William Hansen, við Stanford háskólann í Kaliforníu, byggði fyrsta rafeinda línulega eldsneytisgjöf á ferðast veifa, sem er notað örbylgjuofn tækni sem hefur verið þróuð fyrir radar í seinni heimsstyrjöldinni.

Framfarir í rannsókninni var gert mögulegt með því að auka róteind orku, sem leiddi til byggingu sífellt stærri eldsneytisgjöf. Þessi þróun er mikil framleiðsla kostnaður gríðarstór segull hringurinn hefur verið hætt. Stærsta vega um 40.000 tonn. Aðferðir til að auka orku án vaxtar vél stærð var sýnd í um 1952 godu Livingstone, Courant og Snyder tækni skiptis áherslu (stundum kallað sterkt áherslu). Synchrotrons vinna á þessari meginreglu, að nota seglum 100 sinnum minni en áður. Slík fókusinn er notað í öllum nútíma synchrotrons.

1956 Kerst ljóst að ef tvö sett af ögnum er haldið á sker orbits, getur þú horfa á þá rekast. Beiting þessa hugmynd þarf að uppsöfnun hraðað geislar í lotum, sem kallast uppsöfnuð. Þessi tækni hefur náð hámarks orku af ögnum milliverkunum.