Vipelektroniki vya nambari za chembe za kushtakiwa. Je, vibali vya chembechembe za chembe zinafanya kazi. Kwa nini tunahitaji kasi ya chembe za kushtakiwa?

Chembechembe ya chembe za kushtakiwa ni kifaa ambacho ni boriti ya chembe za atomiki au ya subatomic zilizopigwa umeme, zinazotembea na kasi ya karibu. Msingi wa kazi yake ni kuongeza nishati yao kwa shamba la umeme na kubadilisha trajectory - magnetic.

Kwa nini tunahitaji kusafirishwa kwa chembe?

Vifaa hivi vilipata matumizi kamili katika maeneo mbalimbali ya sayansi na sekta. Hadi sasa, kuna zaidi ya 30,000 duniani kote. Kwa fizikia, kasi ya kutosha ya chembe hutumika kama chombo cha masomo ya msingi ya muundo wa atomi, asili ya vikosi vya nyuklia, na mali ya nuclei ambazo hazifanyiki katika asili. Ya pili ni pamoja na transurani na mambo mengine yasiyotambulika.

Kwa msaada wa tube ya kutokwa, ikawa inawezekana kuamua malipo maalum. Vipelerators vya nyenzo hutumiwa pia kwa ajili ya uzalishaji wa radioisotopes, radiography ya viwanda, tiba ya mionzi, sterilization ya vifaa vya kibiolojia, na uchambuzi wa radiocarbon. Mipangilio kubwa hutumiwa katika masomo ya ushirikiano wa msingi.

Kipindi cha maisha cha chembe za kushtakiwa, ambazo zimepumzika na kasi ya kasi, ni ndogo zaidi kuliko chembe zinazoenea kwa kasi inayo karibu na kasi ya mwanga. Hii inathibitisha uwiano wa vipindi vya muda vya SRT. Kwa mfano, katika CERN, uhai wa muon uliongezeka kwa sababu ya 29 kwa kiwango cha 0.9994c.

Kifungu hiki kinazungumzia jinsi kasi ya chembechembe iliyotumiwa, maendeleo yake, aina mbalimbali na sifa tofauti zinapangwa na kufanya kazi.

Kanuni za kasi

Bila kujali ni wapi wa chembe za kushtakiwa ambao hujulikana kwako, wote wana mambo ya kawaida. Kwanza, wote wanapaswa kuwa na chanzo cha electron katika kesi ya tube ya televisheni au elektroni, protoni na vipande vyao vya kupambana na vidonge kwa ajili ya mitambo kubwa. Aidha, wote wanapaswa kuwa na mashamba ya umeme ili kuharakisha chembe na mashamba ya magnetic ili kudhibiti trajectory yao. Kwa kuongeza, utupu katika kasi ya chembe za kushtakiwa (10 ^-11 mm Hg), yaani, kiwango cha chini cha hewa ya mabaki, ni muhimu kuhakikisha maisha ya muda mrefu ya mihimili. Na, hatimaye, vituo vyote vinapaswa kuwa na njia za kurekodi, kuhesabu na kupima chembe za kasi.

Uzazi

Electron na protoni, ambazo hutumiwa mara nyingi kwa kasi, zinapatikana katika vifaa vyote, lakini kwanza zinahitaji kutengwa kutoka kwao. Electron, kama sheria, huzalishwa kwa njia sawa na katika kinescope - katika kifaa kinachoitwa "bunduki". Ni cathode (electrode hasi) katika utupu, ambayo huwaka kwa hali ambako elektroni huanza kuvunja kutoka kwa atomi. Vipengele vilivyotumiwa vibaya vinapendekezwa na anode (electrode chanya) na hupita kupitia bandari. Bunduki yenyewe pia ni accelerator rahisi, kwani elektroni huhamia chini ya hatua ya shamba la umeme. Vita kati ya cathode na anode, kama sheria, ni ndani ya 50-150 kV.

Mbali na elektroni, vifaa vyote vyenye protoni, lakini nusu moja ya atomi za hidrojeni inajumuisha protoni moja. Kwa hiyo, chanzo cha chembe kwa kasi ya proton ni gesi ya hidrojeni. Katika kesi hiyo, gesi ni ionized na protoni hutoka kupitia shimo. Katika accelerators kubwa, protoni mara nyingi huundwa kwa aina ya ions hasi hidrojeni. Wao ni atomi yenye elektroni ya ziada, ambayo ni bidhaa ya ionization ya gesi ya diatomu. Na ions hidrojeni kushtakiwa vibaya katika hatua ya awali ni rahisi kufanya kazi. Kisha wao hupitia kwenye karatasi nyembamba, ambayo inawazuia wa elektroni kabla ya hatua ya mwisho ya kuongeza kasi.

Overclocking

Je, vibali vya chembechembe za chembe zinafanya kazi? Kipengele muhimu cha yoyote ya hizi ni uwanja wa umeme. Mfano rahisi ni safu ya safu ya safu kati ya uwezekano wa uwezekano na hasi wa umeme, sawa na ule ulio kati ya vituo vya betri ya umeme. Katika shamba kama hilo, elektroni yenye malipo hasi ni chini ya hatua ya nguvu inayoongoza kwa uwezo mzuri. Inaharakisha, na ikiwa hakuna kitu cha kuzuia, kasi yake na ongezeko la nishati. Electron huenda kwa uwezo mzuri pamoja na waya au hata katika hewa huchanganyikiwa na atomi na kupoteza nishati, lakini ikiwa ni katika utupu, huharakisha wanapokuwa wanakaribia anode.

Jukumu kati ya nafasi ya kwanza na ya mwisho ya elektroni huamua nishati ambayo imepata. Wakati wa kusonga kwa njia tofauti ya 1 V, ni 1 electron-volt (eV). Hii ni sawa na 1.6 × 10 ^-19 joules. Nishati ya mbu ya kuruka ni mara trilioni kubwa. Katika kinescope, elektroni huharakishwa na voltage ya zaidi ya 10 kV. Accelerators nyingi hufikia nguvu nyingi zaidi, kupimwa na mega, giga, na tiractron volts.

Aina

Baadhi ya aina za kwanza za kasi za chembe zilizochapishwa, kama vile mgawanyiko wa voltage na jenereta ya Van de Graaff, kutumika mara kwa mara mashamba ya umeme yaliyotokana na uwezekano wa hadi volts milioni. Kwa voltage hizo za juu si rahisi kufanya kazi. Alternative zaidi mbadala ni hatua ya mara kwa mara ya mashamba dhaifu ya umeme yaliyoundwa na uwezekano mdogo. Kanuni hii hutumiwa katika aina mbili za kasi za kisasa - za mstari na za mzunguko (hasa katika cyclotrons na synchrotrons). Vipelelezi vya mstari wa chembe za kushtakiwa, kwa muda mfupi, wazipe mara moja kwa njia ya mlolongo wa mashamba ya kasi, wakati wa mzunguko wao huhamia mara kwa mara kwenye trajectory ya mviringo kwa njia ndogo za umeme. Katika matukio hayo yote, nishati ya mwisho ya chembe hutegemea hatua ya jumla ya mashamba, hivyo kwamba ndogo "jerks" ndogo huongezwa pamoja ili kutoa athari ya jumla ya kubwa moja.

Muundo wa mara kwa mara wa accelerator linalojitokeza kwa ajili ya kuundwa kwa mashamba ya umeme kwa kawaida ina maana ya matumizi ya voltage mbadala, sio voltage ya mara kwa mara. Vipengele vyema vya kushtakiwa vinaharakishwa na uwezo mbaya na kupata kushinikiza mpya ikiwa hupita kwa chanya. Katika mazoezi, voltage inapaswa kubadilika haraka sana. Kwa mfano, kwa nishati ya MeV 1, proton huenda kwa kasi ya juu sana, ikilinganisha na 0.46 mara kasi ya mwanga, ikilinganisha na m 1.4 kwa 0.01 ms. Hii inamaanisha kwamba katika muundo wa kurudia wa mita kadhaa kwa urefu, mashamba ya umeme yanapaswa kubadili mwelekeo na mzunguko wa angalau 100 MHz. Vipelerator ya mstari na baiskeli ya chembe za kushtakiwa, kama sheria, huwatangaza kwa msaada wa mashamba ya umeme na mzunguko kutoka kwa 100 hadi 3000 MHz, yaani, kutoka mawimbi ya redio kwa microwaves.

Mchanganyiko wa umeme ni mchanganyiko wa mashamba ya umeme na magnetic yanayobadilishana, kusonga mbele kwa kila mmoja. Kipengele muhimu cha kasi ni kasi ya wimbi ili wakati chembe itafika shamba la umeme linalongozwa kwa mujibu wa vector ya kasi. Hii inaweza kufanyika kwa msaada wa wimbi la msimamo - mchanganyiko wa mawimbi ya kusonga mbele katika nafasi iliyofungwa, kama mawimbi ya sauti katika tube ya chombo. Chaguo mbadala kwa elektroni za kusonga haraka sana, ambazo kasi yake inakaribia kasi ya mwanga, ni wimbi la kusafiri.

Kupitisha

Athari muhimu katika kuongeza kasi katika uwanja mwingine wa umeme ni "kujitegemea". Katika mzunguko mmoja wa oscillation, uwanja wa kubadilisha unapita kutoka sifuri kupitia thamani ya juu tena hadi sifuri, matone kwa kiwango cha chini, na huongezeka hadi sifuri. Hivyo, hupita mara mbili kupitia thamani inayohitajika ili kuongeza kasi. Ikiwa chembe ambayo kasi inakua, inakuja mapema sana, basi haitakuwa na shamba la kutosha, na kushinikiza itakuwa dhaifu. Iwapo itafikia sehemu inayofuata, itachelewa na itaathirika zaidi. Matokeo yake, kujitegemea kutatokea, chembe zitakuwa katika awamu na uwanja katika kila eneo la kuharakisha. Mwingine athari itakuwa kikundi chao kwa wakati na kuunda vifungo, badala ya mtiririko wa kuendelea.

Mwelekeo wa boriti

Jukumu muhimu katika jinsi kasi ya chembe za kushtakiwa imewekwa na kuendeshwa inachezwa na maeneo ya magnetic, kwani wanaweza kubadilisha mwelekeo wa mwendo wao. Hii inamaanisha kwamba wanaweza kutumika "kupiga" mihimili kwenye njia ya mviringo ili waweze kusafiri mara kadhaa kupitia sehemu hiyo ya kuharakisha. Katika kesi rahisi, nguvu inayofanya kila aina ya vector ya uhamisho na shamba inachukua chembe iliyopakiwa kusonga kwenye pembe za kulia kwa uongozi wa uwanja wa magnetic sare. Hii inasababisha boriti kuhamia kando ya njia ya mviringo kwa pande zote kwa shamba, mpaka inatoka eneo la hatua yake, au nguvu nyingine huanza kuitikia. Athari hii hutumiwa kwa kasi za kasi, kama vile cyclotron na synchrotron. Katika cyclotron, shamba daima magnetic inajenga shamba magnetic mara kwa mara. Vipande kama wao kukua nguvu zao kusonga spirally nje, kuharakisha na kila upande. Katika synchrotron, magugu huzunguka pete na radius ya mara kwa mara, na uwanja uliotengenezwa na umeme huzunguka pete huongezeka huku chembe zinazidisha. Magniti ambayo hutoa "bend" ni dipoles na miti ya kaskazini na kusini imetengenezwa kwa njia ya farasi kwa njia ambayo boriti inaweza kupita kati yao.

Kazi ya pili ya umeme ya umeme ni mkusanyiko wa mihimili, ili wawe nyembamba na makali iwezekanavyo. Aina rahisi ya sumaku ya kulenga ni na miti minne (mbili kaskazini na mbili kusini) ziko kinyume. Wanachochea chembe kuelekea katikati katika mwelekeo mmoja, lakini waache kueneza kwa mwelekeo wa perpendicular. Sumaku za Quadrupole zinazingatia boriti kwa usawa, na kuruhusu ziondoke kwenye mwelekeo. Kwa hili lazima kutumika katika jozi. Kwa kulenga sahihi zaidi, sumaku zaidi ngumu na idadi kubwa ya miti (6 na 8) pia hutumiwa.

Kama nishati ya chembe huongezeka, nguvu ya shamba la magnetic inayowaongoza inaongezeka. Hii inaendelea boriti kwenye njia ile ile. Kikundi kinaletwa ndani ya pete na kasi kwa nishati inayotakiwa kabla ya kuondolewa na kutumika katika majaribio. Uondoaji unafanikiwa na umeme, ambao huchaguliwa kuondosha chembe kutoka pete ya synchrotron.

Ushindano

Vipelerators vya dawa kutumika katika dawa na sekta kwa ujumla huzalisha boriti kwa madhumuni fulani, kwa mfano, kwa tiba ya radiation au implantation ya ioni. Hii ina maana kwamba chembe hutumiwa mara moja. Kwa miaka mingi, vivyo hivyo vilikuwa hivyo kwa kasi za kutumia kasi katika utafiti wa msingi. Lakini katika miaka ya 1970, pete zilianzishwa ambapo mihimili miwili inashirikiana na kuelekea kinyume chake. Faida kuu ya mitambo hiyo ni kwamba, katika mgongano wa kichwa, nishati ya chembe hupita moja kwa moja katika nishati ya mahusiano kati yao. Hii inatofautiana na kile kinachotokea wakati boriti inakabiliana na nyenzo za kupumzika: katika kesi hii, nishati nyingi huenda kuleta vifaa vyenye lengo katika mwendo, kwa mujibu wa kanuni ya uhifadhi wa kasi.

Baadhi ya mashine zilizo na mihimili ya kupigana zimejengwa na pete mbili zilizounganisha katika sehemu mbili au zaidi ambazo chembe za aina hiyo huzunguka kwa njia tofauti. Colliders na chembe na antiparticles ni zaidi ya kawaida. Vipande vinavyo na malipo ya kinyume cha chembe inayotokana nayo. Kwa mfano, positron ni kushtakiwa vizuri, na elektroni ni hasi. Hii ina maana kwamba shamba ambalo linaharakisha elektroni hupungua positron kusonga mwelekeo huo. Lakini ikiwa mwisho huenda kwa mwelekeo kinyume, utaharakisha. Vile vile, elektroni inayohamia kupitia shamba la magnetic itainama upande wa kushoto, na positron kwa haki. Lakini kama positron inakwenda kukutana, njia yake itaendelea kupotea kwa haki, lakini kwa kondoo sawa kama electron. Kwa pamoja, hii ina maana kwamba chembe hizi zinaweza kusonga pete ya synchrotron kutokana na sumaku sawa na kuharakishwa na mashamba sawa ya umeme katika maelekezo kinyume. Kwa kanuni hii, colliders wengi wenye nguvu huundwa kwenye mihimili ya kupindana, kwa kuwa pete moja tu ya kasi inahitajika.

Miti katika synchrotron haipitiki kuendelea, lakini imeunganishwa kuwa "vipande". Wanaweza kuwa na sentimita kadhaa kwa urefu na moja ya kumi ya kipenyo cha mlimita, na yana takriban 10 ¹² . Hii ni wiani ndogo, kwa sababu katika dutu ya vipimo sawa vina kuhusu atomi 10. Kwa hiyo, wakati mihimili ikitembea na mihimili ya kupigana, kuna uwezekano mdogo tu kwamba chembe zitaingiliana. Kwa mazoezi, vifungo vinaendelea kusonga pete na kukutana tena. Utoaji wa kina katika kasi ya chembe iliyotumiwa (10 ^-11 mm Hg) ni muhimu kuruhusu chembe kuenea kwa saa nyingi bila kupigana na molekuli za hewa. Kwa hiyo, pete pia huitwa pete za ziada, kwani mihimili huhifadhiwa ndani yao kwa saa kadhaa.

Fomu ya usajili

Wengi wa chembe za kushtakiwa kwa wengi wanaweza kujiandikisha tukio wakati wa kuguswa kwa chembe kwenye lengo au katika kifungu kingine cha kusonga mbele. Katika tube televisheni, elektroni kutoka bunduki ni akampiga katika phosphor juu ya uso wa ndani ya screen na kutoa mwanga, ambayo kwa hiyo recreates picha iliyoambukizwa. Katika kasi ya kupima kasi, detectors hizi maalum huguswa na chembe zilizotawanyika, lakini kwa kawaida hutengenezwa ili kuzalisha ishara ya umeme ambayo inaweza kubadilishwa kuwa data ya kompyuta na kuchambuliwa kwa kutumia programu za kompyuta. Vipengele tu vilivyopigwa huunda ishara za umeme zinazopitia nyenzo, kwa mfano, kwa atomi za kusisimua au za ionizing, na zinaweza kugunduliwa moja kwa moja. Vipande vya neutral, kama vile neutrons au photons, vinaweza kuonekana kwa njia ya moja kwa moja kwa njia ya tabia ya chembe za kushtakiwa zinazoongozwa nao.

Kuna detectors wengi maalumu. Baadhi yao, kama counter counter Geiger, tu kuhesabu chembe, wakati wengine hutumiwa, kwa mfano, kurekodi tracks, kasi kasi au wingi wa nishati. Vipengele vya teknolojia ya kisasa na teknolojia huanzia vifaa vidogo vilivyounganishwa na vifaa vya kamera kubwa zinazojaa gesi na waya ambazo huchunguza athari za ionized zilizoundwa na chembe za kushtakiwa.

Historia

Kushtakiwa chembe accelerators hasa maendeleo kwa ajili ya masomo ya tabia za viini atomia na chembe ya msingi. Tangu ufunguzi wa mwanafizikia British Ernest Rutherford mwaka wa 1919, hisia za nitrojeni kiini na alpha chembe, utafiti wote katika uwanja wa fizikia ya nyuklia kwa 1932 yalifanywa na viini heli, iliyotolewa na uharibifu wa mambo ya asili mionzi. Asili alpha-chembe na nishati kinetic ya 8 SUV, lakini Rutherford aliamini kuwa ni lazima kuwa artificially kasi thamani za juu zaidi kwa ajili ya kufuatilia kwa meno ya viini nzito. Wakati huo ilionekana ngumu. Hata hivyo, hesabu kufanywa mwaka 1928 na Georgiem Gamovym (katika Chuo Kikuu cha Gottingen, Ujerumani), ilionyesha kuwa ioni inaweza kutumika katika nguvu ya chini sana, na hii ina drivas majaribio ya kujenga kituo inayotoa boriti kutosha kwa ajili ya Utafiti wa nyuklia.

Matukio mengine ya kipindi hiki alionyesha misingi ambayo kushtakiwa chembe accelerators ni kujengwa hadi leo. kwanza ya majaribio ya mafanikio na ioni artificially kasi ilifanyika Cockroft na Walton mwaka 1932 katika Chuo Kikuu cha Cambridge. Kwa kutumia voltage multiplier, protons ni kuharakisha kwa 710 Kev, na ilionyesha kwamba mwisho kuguswa na lithiamu kuunda chembe mbili alpha. By 1931, katika Chuo Kikuu cha Princeton katika New Jersey, Robert Van de Graaff umeme ukanda kujengwa kwanza high-uwezo generator. Voltage multiplier Cockcroft-Walton jenereta na Van de Graaff jenereta bado kutumika kama vyanzo vya nishati kwa accelerators.

kanuni ya linear resonant accelerator ulionyeshwa Rolf Widerøe katika 1928. The Rhine-Westphalian Chuo Kikuu cha Kitaaluma Aachen, Germany, alitumia high AC voltage kuongeza kasi ya sodiamu na potasiamu ions nguvu zaidi ya mara mbili ya kuwaambia. 1931 nchini Marekani Ernest Lourens na msaidizi wake David Sloan wa Chuo Kikuu cha California, Berkeley, kutumika mashamba high-frequency kuongeza kasi ya zebaki ions nguvu kubwa kuliko 1.2 Mev. Kazi hii ni kompletteras accelerator ya nzito kushtakiwa chembe Wideröe, lakini ion mihimili si muhimu katika utafiti wa kinuklia.

Sumaku wa upigaji accelerator au cyclotron, alikuwa mimba kama urekebishaji wa Lawrence Wideröe ufungaji. Mwanafunzi Lawrence Livingston alionyesha kanuni ya cyclotron 1931, na kufanya ioni kwa nishati ya 80 Kev. Katika mwaka wa 1932, Lawrence na Livingston alitangaza kuongeza kasi ya protoni hadi zaidi ya 1 SUV. Baadaye katika miaka ya 1930, nishati cyclotrons kufikiwa 25 SUV, na Van de Graaff - kuhusu 4 SUV. Katika mwaka wa 1940, Donald Kerst, kuomba matokeo ya hesabu kwa makini obiti na muundo sumaku, umejengwa katika Chuo Kikuu cha Illinois, betatron kwanza, magnetic shamba elektroni accelerator.

fizikia ya kisasa: chembe accelerators

Baada ya Vita Kuu ya II kulikuwa na maendeleo ya haraka katika sayansi ya kasi chembe ya nguvu ya juu. Ilianza Edwin McMillan saa Berkeley na Vladimir Veksler katika Moscow. Mnamo mwaka wa 1945, ni wote kujitegemea kutoka kwa kila mmoja wameelezea kanuni ya utulivu awamu. Dhana hii inatoa njia ya kudumisha mizunguko imara wa chembe katika mzunguko accelerator aliyeondoa vikwazo juu ya nishati protoni na kusaidiwa kujenga sumaku wa upigaji accelerators (synchrotrons) kwa ajili ya elektroni. Autophasing, utekelezaji wa kanuni ya utulivu awamu, lilithibitishwa baada ya ujenzi wa synchrocyclotron ndogo katika Chuo Kikuu cha California na synchrotron nchini Uingereza. Muda mfupi baadaye, kwanza protoni linear resonant accelerator iliundwa. kanuni hii ni kutumika katika yote makubwa synchrotrons protoni kujengwa tangu wakati huo.

Mwaka 1947, William Hansen, katika Chuo Kikuu cha Stanford California, kujengwa kwanza elektroni linear accelerator katika wimbi kusafiri, ambayo hutumiwa microwave teknolojia ambayo imekuwa maendeleo kwa ajili ya rada katika Vita ya Pili ya Dunia.

Maendeleo katika Utafiti huo inawezekana kwa kuongeza protoni nishati, ambayo imesababisha ujenzi wa accelerators milele kubwa. Hali hii ni ya juu ya viwanda gharama kubwa sumaku pete imekuwa kusimamishwa. kubwa ina uzito karibu 40,000 tani. Mbinu kwa ajili ya kuongeza nguvu bila ukuaji mashine ukubwa walikuwa kupimwa katika kuhusu 1952 godu Livingstone, Courant na Snyder mbinu ya alternating kulenga (wakati mwingine huitwa nguvu kulenga). Synchrotrons kazi ya kanuni hii, kutumia sumaku mara 100 ndogo kuliko kabla. Kama umakini wa hali ya kutumika katika synchrotrons kisasa.

Mwaka 1956 Kerst alitambua kwamba ili seti mbili za chembe ni kubakia katika hupishana mizunguko, unaweza kutazama wao collide. matumizi ya wazo hili required mkusanyiko kasi mihimili katika mzunguko, aitwaye nyongeza. Teknolojia hii imepata nguvu upeo wa chembechembe mwingiliano.