Partikkelakselerator -Particle accelerator

Tevatron (bakgrunnssirkel) , en partikkelakselerator av synkrotronkollidertype ved Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Batavia, Illinois, USA. Lagt ned i 2011, frem til 2007 var den den kraftigste partikkelakseleratoren i verden, og akselererte protoner til en energi på over 1  TeV (tera elektronvolt). Stråler av protoner og antiprotoner, som sirkulerte i motsatte retninger i ringens enkeltvakuumkammer, kolliderte ved to magnetisk induserte skjæringspunkter.
Animasjon som viser driften av en lineær akselerator , mye brukt i både fysikkforskning og kreftbehandling.

En partikkelakselerator er en maskin som bruker elektromagnetiske felt til å drive ladede partikler til svært høye hastigheter og energier, og for å inneholde dem i veldefinerte stråler .

Store akseleratorer brukes til grunnforskning innen partikkelfysikk . Den største akseleratoren som for tiden er i drift er Large Hadron Collider (LHC) nær Genève, Sveits, operert av CERN . Det er en kolliderende akselerator, som kan akselerere to stråler med protoner til en energi på 6,5  TeV og få dem til å kollidere front mot front, og skaper massesenterenergier på 13 TeV. Andre kraftige akseleratorer er RHIC ved Brookhaven National Laboratory i New York og tidligere Tevatron i Fermilab , Batavia, Illinois. Akseleratorer brukes også som synkrotronlyskilder for studiet av kondensert materiefysikk . Mindre partikkelakseleratorer brukes i en lang rekke bruksområder, inkludert partikkelterapi for onkologiske formål, radioisotopproduksjon for medisinsk diagnostikk, ioneimplantatorer for fremstilling av halvledere og akseleratormassespektrometre for målinger av sjeldne isotoper som radiokarbon . Det er for tiden mer enn 30 000 akseleratorer i drift rundt om i verden.

Det er to grunnleggende klasser av akseleratorer: elektrostatiske og elektrodynamiske (eller elektromagnetiske) akseleratorer. Elektrostatiske partikkelakseleratorer bruker statiske elektriske felt for å akselerere partikler. De vanligste typene er Cockcroft–Walton-generatoren og Van de Graaff-generatoren . Et lite eksempel på denne klassen er katodestrålerøret i et vanlig gammelt fjernsynsapparat. Den oppnåelige kinetiske energien for partikler i disse enhetene bestemmes av akselerasjonsspenningen , som begrenses av elektrisk sammenbrudd . Elektrodynamiske eller elektromagnetiske akseleratorer, derimot, bruker skiftende elektromagnetiske felt (enten magnetisk induksjon eller oscillerende radiofrekvensfelt ) for å akselerere partikler. Siden partiklene i disse typene kan passere gjennom det samme akselererende feltet flere ganger, er utgangsenergien ikke begrenset av styrken til det akselererende feltet. Denne klassen, som først ble utviklet på 1920-tallet, er grunnlaget for de fleste moderne storskala akseleratorer.

Rolf Widerøe , Gustav Ising , Leó Szilárd , Max Steenbeck og Ernest Lawrence regnes som pionerer innen dette feltet, etter å ha unnfanget og bygget den første operative lineære partikkelakseleratoren , betatronen og syklotronen .

Fordi målet for partikkelstrålene til tidlige akseleratorer vanligvis var atomene til et stykke materie, med målet å skape kollisjoner med kjernene deres for å undersøke kjernefysisk struktur, ble akseleratorer ofte referert til som atomknusere på 1900-tallet. Begrepet vedvarer til tross for at mange moderne akseleratorer skaper kollisjoner mellom to subatomære partikler , snarere enn en partikkel og en atomkjerne.

Bruker

Strålelinjer som fører fra Van de Graaff-akseleratoren til forskjellige eksperimenter, i kjelleren på Jussieu Campus i Paris .
Bygning som dekker det 3,2 km lange strålerøret til Stanford Linear Accelerator (SLAC) ved Menlo Park, California, den nest kraftigste linacen i verden.

Stråler av høyenergipartikler er nyttige for grunnleggende og anvendt forskning innen vitenskapene, og også i mange tekniske og industrielle felt som ikke er relatert til grunnleggende forskning. Det er anslått at det er omtrent 30 000 akseleratorer over hele verden. Av disse er kun ca. 1 % forskningsmaskiner med energier over 1 GeV , mens ca. 44 % er for strålebehandling, 41 % for ioneimplantasjon , 9 % for industriell prosessering og forskning, og 4 % for biomedisinsk og annen lavenergiforskning.

Partikkelfysikk

For de mest grunnleggende undersøkelsene om dynamikken og strukturen til materie, rom og tid, søker fysikere de enkleste typene interaksjoner med høyest mulig energi. Disse innebærer vanligvis partikkelenergier av mange GeV , og interaksjoner av de enkleste typer partikler: leptoner (f.eks. elektroner og positroner ) og kvarker for saken, eller fotoner og gluoner for feltkvantene . Siden isolerte kvarker er eksperimentelt utilgjengelige på grunn av fargebegrensning , involverer de enkleste tilgjengelige eksperimentene interaksjonene mellom for det første leptoner med hverandre, og for det andre av leptoner med nukleoner , som er sammensatt av kvarker og gluoner. For å studere kollisjoner av kvarker med hverandre, tyr forskerne til kollisjoner av nukleoner, som ved høy energi med fordel kan betraktes som i hovedsak 2-kroppsinteraksjoner av kvarkene og gluonene de er sammensatt av. Denne elementære partikkelfysikere har en tendens til å bruke maskiner som lager stråler av elektroner, positroner, protoner og antiprotoner , som interagerer med hverandre eller med de enkleste kjernene (f.eks. hydrogen eller deuterium ) ved høyest mulig energi, vanligvis hundrevis av GeV eller mer.

Den største og mest energirike partikkelakseleratoren brukt for elementær partikkelfysikk er Large Hadron Collider (LHC) ved CERN , som har vært i drift siden 2009.

Kjernefysikk og isotopproduksjon

Kjernefysikere og kosmologer kan bruke stråler av nakne atomkjerner , strippet for elektroner, for å undersøke strukturen, interaksjonene og egenskapene til selve kjernene, og av kondensert materiale ved ekstremt høye temperaturer og tettheter, slik som kan ha skjedd i de første øyeblikkene av Big Bang . Disse undersøkelsene involverer ofte kollisjoner av tunge kjerner - av atomer som jern eller gull  - ved energier på flere GeV per nukleon . Den største slike partikkelakselerator er Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory .

Partikkelakseleratorer kan også produsere protonstråler, som kan produsere protonrike medisinske eller forskningsisotoper i motsetning til de nøytronrike som lages i fisjonsreaktorer ; nyere arbeid har imidlertid vist hvordan man kan lage 99 Mo , vanligvis laget i reaktorer, ved å akselerere isotoper av hydrogen, selv om denne metoden fortsatt krever en reaktor for å produsere tritium . Et eksempel på denne typen maskiner er LANSCE i Los Alamos .

Synkrotronstråling

Elektroner som forplanter seg gjennom et magnetfelt sender ut veldig lyse og koherente fotonstråler via synkrotronstråling . Den har mange bruksområder i studiet av atomstruktur, kjemi, kondensert materiefysikk, biologi og teknologi. Et stort antall synkrotronlyskilder finnes over hele verden. Eksempler i USA er SSRL ved SLAC National Accelerator Laboratory , APS ved Argonne National Laboratory, ALS ved Lawrence Berkeley National Laboratory og NSLS ved Brookhaven National Laboratory . I Europa er det MAX IV i Lund, Sverige, BESSY i Berlin, Tyskland, Diamond i Oxfordshire, Storbritannia, ESRF i Grenoble , Frankrike, sistnevnte har blitt brukt til å trekke ut detaljerte 3-dimensjonale bilder av insekter fanget i rav.

Frielektronlasere (FELs) er en spesiell klasse lyskilder basert på synkrotronstråling som gir kortere pulser med høyere tidsmessig koherens . En spesialdesignet FEL er den mest strålende kilden til røntgenstråler i det observerbare universet. De mest fremtredende eksemplene er LCLS i USA og europeiske XFEL i Tyskland. Mer oppmerksomhet rettes mot myke røntgenlasere, som sammen med pulsforkorting åpner for nye metoder for attosekundvitenskap . Bortsett fra røntgenstråler brukes FEL-er til å sende ut terahertz-lys , f.eks. FELIX i Nijmegen, Nederland, TELBE i Dresden, Tyskland og NovoFEL i Novosibirsk, Russland.

Det er derfor stor etterspørsel etter elektronakseleratorer med moderat ( GeV ) energi, høy intensitet og høy strålekvalitet for å drive lyskilder.

Lavenergimaskiner og partikkelterapi

Daglige eksempler på partikkelakseleratorer er katodestrålerør som finnes i TV-apparater og røntgengeneratorer . Disse lavenergiakseleratorene bruker et enkelt par elektroder med en likespenning på noen få tusen volt mellom seg. I en røntgengenerator er selve målet en av elektrodene. En lavenergipartikkelakselerator kalt en ionimplantator brukes til fremstilling av integrerte kretser .

Ved lavere energier brukes stråler av akselererte kjerner også i medisin som partikkelterapi , for behandling av kreft.

DC-akseleratortyper som er i stand til å akselerere partikler til hastigheter som er tilstrekkelige til å forårsake kjernefysiske reaksjoner, er Cockcroft-Walton-generatorer eller spenningsmultiplikatorer , som konverterer AC til høyspennings-DC, eller Van de Graaff-generatorer som bruker statisk elektrisitet båret av belter.

Strålingssterilisering av medisinsk utstyr

Elektronstrålebehandling brukes ofte til sterilisering. Elektronstråler er en på-av-teknologi som gir en mye høyere dosehastighet enn gamma- eller røntgenstråler som sendes ut av radioisotoper som kobolt-60 ( 60 Co) eller cesium-137 ( 137 Cs). På grunn av den høyere dosehastigheten kreves kortere eksponeringstid og polymernedbrytning reduseres. Fordi elektroner bærer en ladning, er elektronstråler mindre penetrerende enn både gamma- og røntgenstråler.

Elektrostatiske partikkelakseleratorer

En etrinns 2 MeV lineær Van de Graaff-akselerator fra 1960-tallet, her åpnet for vedlikehold

Historisk sett brukte de første akseleratorene enkel teknologi med en enkelt statisk høyspenning for å akselerere ladede partikler. Den ladede partikkelen ble akselerert gjennom et evakuert rør med en elektrode i hver ende, med det statiske potensialet over seg. Siden partikkelen bare passerte én gang gjennom potensialforskjellen, var utgangsenergien begrenset til maskinens akselererende spenning. Selv om denne metoden fortsatt er ekstremt populær i dag, med de elektrostatiske akseleratorene som er langt flere enn alle andre typer, er de mer egnet til lavere energistudier på grunn av den praktiske spenningsgrensen på omtrent 1 MV for luftisolerte maskiner, eller 30 MV når akseleratoren drives i en tank med trykkgass med høy dielektrisk styrke , for eksempel svovelheksafluorid . I en tandemakselerator brukes potensialet to ganger for å akselerere partiklene, ved å reversere ladningen til partiklene mens de er inne i terminalen. Dette er mulig med akselerasjon av atomkjerner ved å bruke anioner (negativt ladede ioner ), og deretter føre strålen gjennom en tynn folie for å fjerne elektroner fra anionene inne i høyspenningsterminalen, og konvertere dem til kationer (positivt ladede ioner), som blir akselerert igjen når de forlater terminalen.

De to hovedtypene av elektrostatisk akselerator er Cockcroft-Walton-akseleratoren , som bruker en diode-kondensatorspenningsmultiplikator for å produsere høyspenning, og Van de Graaff-akseleratoren , som bruker et bevegelig stoffbelte for å føre ladning til høyspentelektroden. Selv om elektrostatiske akseleratorer akselererer partikler langs en rett linje, brukes begrepet lineær akselerator oftere for akseleratorer som bruker oscillerende i stedet for statiske elektriske felt.

Elektrodynamiske (elektromagnetiske) partikkelakseleratorer

På grunn av høyspenningstaket pålagt av elektrisk utladning, for å akselerere partikler til høyere energier, brukes teknikker som involverer dynamiske felt i stedet for statiske felt. Elektrodynamisk akselerasjon kan oppstå fra en av to mekanismer: ikke-resonant magnetisk induksjon , eller resonanskretser eller hulrom eksitert av oscillerende RF- felt. Elektrodynamiske akseleratorer kan være lineære , med partikler som akselererer i en rett linje, eller sirkulære , ved å bruke magnetiske felt for å bøye partikler i en omtrent sirkulær bane.

Magnetiske induksjonsakseleratorer

Magnetiske induksjonsakseleratorer akselererer partikler ved induksjon fra et økende magnetfelt, som om partiklene var sekundærviklingen i en transformator. Det økende magnetfeltet skaper et sirkulerende elektrisk felt som kan konfigureres til å akselerere partiklene. Induksjonsakseleratorer kan enten være lineære eller sirkulære.

Lineære induksjonsakseleratorer

Lineære induksjonsakseleratorer bruker ferrittlastede, ikke-resonante induksjonshulrom. Hvert hulrom kan betraktes som to store skiveformede skiver forbundet med et ytre sylindrisk rør. Mellom skivene er en ferritttoroid. En spenningspuls påført mellom de to skivene forårsaker et økende magnetfelt som induktivt kobler kraft inn i den ladede partikkelstrålen.

Den lineære induksjonsakseleratoren ble oppfunnet av Christofilos på 1960-tallet. Lineære induksjonsakseleratorer er i stand til å akselerere svært høye strålestrømmer (>1000 A) i en enkelt kort puls. De har blitt brukt til å generere røntgenstråler for flashradiografi (f.eks . DARHT ved LANL ), og har blitt betraktet som partikkelinjektorer for magnetisk inneslutningsfusjon og som drivere for frie elektronlasere .

Betatroner

Betatron er en sirkulær magnetisk induksjonsakselerator, oppfunnet av Donald Kerst i 1940 for å akselerere elektroner . Konseptet stammer til syvende og sist fra den norsk-tyske vitenskapsmannen Rolf Widerøe . Disse maskinene, som synkrotroner, bruker en smultringformet ringmagnet (se nedenfor) med et syklisk økende B-felt, men akselererer partiklene ved induksjon fra det økende magnetfeltet, som om de var sekundærviklingen i en transformator, pga. endre magnetisk fluks gjennom banen.

For å oppnå konstant baneradius samtidig som det tilføres det riktige akselererende elektriske feltet, kreves det at den magnetiske fluksen som forbinder banen er noe uavhengig av magnetfeltet på banen, og bøyer partiklene til en kurve med konstant radius. Disse maskinene har i praksis vært begrenset av de store strålingstapene som påføres elektronene som beveger seg med nesten lysets hastighet i en relativt liten radiusbane.

Lineære akseleratorer

Moderne superledende radiofrekvens , flercellet lineær akseleratorkomponent.

I en lineær partikkelakselerator (linac) akselereres partikler i en rett linje med et mål av interesse i den ene enden. De brukes ofte til å gi et innledende lavenergi-kick til partikler før de injiseres i sirkulære akseleratorer. Den lengste linacen i verden er Stanford Linear Accelerator , SLAC, som er 3 km (1,9 mi) lang. SLAC var opprinnelig en elektron - positron kolliderer, men er nå en X-ray Free-electron laser .

Lineære høyenergiakseleratorer bruker en lineær rekke plater (eller drivrør) som et vekslende høyenergifelt påføres. Når partiklene nærmer seg en plate, akselereres de mot den av en ladning med motsatt polaritet påført platen. Når de passerer gjennom et hull i platen, byttes polariteten slik at platen nå frastøter dem og de blir nå akselerert av den mot neste plate. Normalt akselereres en strøm av "bunter" av partikler, så en nøye kontrollert AC-spenning påføres hver plate for kontinuerlig å gjenta denne prosessen for hver haug.

Når partiklene nærmer seg lysets hastighet, blir vekslingshastigheten til de elektriske feltene så høy at de opererer ved radiofrekvenser , og derfor brukes mikrobølgehulrom i maskiner med høyere energi i stedet for enkle plater.

Lineære akseleratorer er også mye brukt i medisin , for strålebehandling og strålekirurgi . Linacs av ​​medisinsk kvalitet akselererer elektroner ved hjelp av en klystron og et komplekst bøyningsmagnetarrangement som produserer en stråle på 6-30  MeV energi. Elektronene kan brukes direkte eller de kan kollideres med et mål for å produsere en stråle med røntgenstråler . Påliteligheten, fleksibiliteten og nøyaktigheten til den produserte strålestrålen har i stor grad erstattet den eldre bruken av kobolt-60- terapi som behandlingsverktøy.

Sirkulære eller sykliske RF-akseleratorer

I den sirkulære akseleratoren beveger partikler seg i en sirkel til de når tilstrekkelig energi. Partikkelsporet bøyes vanligvis til en sirkel ved hjelp av elektromagneter . Fordelen med sirkulære akseleratorer fremfor lineære akseleratorer ( linacs ) er at ringtopologien tillater kontinuerlig akselerasjon, da partikkelen kan passere i det uendelige. En annen fordel er at en sirkulær akselerator er mindre enn en lineær akselerator med sammenlignbar kraft (dvs. en linac må være ekstremt lang for å ha tilsvarende kraft til en sirkulær akselerator).

Avhengig av energien og partikkelen som akselereres, har sirkulære akseleratorer en ulempe ved at partiklene sender ut synkrotronstråling . Når en ladet partikkel akselereres, sender den ut elektromagnetisk stråling og sekundære utslipp . Siden en partikkel som beveger seg i en sirkel alltid akselererer mot sentrum av sirkelen, stråler den kontinuerlig mot sirkeltangensen. Denne strålingen kalles synkrotronlys og avhenger sterkt av massen til den akselererende partikkelen. Av denne grunn er mange høyenergielektronakseleratorer linacer. Enkelte akseleratorer ( synkrotroner ) er imidlertid bygget spesielt for å produsere synkrotronlys ( røntgenstråler ).

Siden den spesielle relativitetsteorien krever at materie alltid beveger seg langsommere enn lysets hastighet i et vakuum , i høyenergiakseleratorer, når energien øker, nærmer partikkelhastigheten seg lysets hastighet som en grense, men når den aldri. Derfor tenker ikke partikkelfysikere generelt i form av hastighet, men snarere i form av en partikkels energi eller momentum , vanligvis målt i elektronvolt (eV). Et viktig prinsipp for sirkulære akseleratorer, og partikkelstråler generelt, er at krumningen til partikkelbanen er proporsjonal med partikkelladningen og magnetfeltet, men omvendt proporsjonal med det (typisk relativistiske ) momentumet .

Syklotroner

Lawrences 60 tommers syklotron, med magnetpoler 60 tommer (5 fot, 1,5 meter) i diameter, ved University of California Lawrence Radiation Laboratory , Berkeley, i august 1939, den kraftigste akseleratoren i verden på den tiden. Glenn T. Seaborg og Edwin McMillan (til høyre) brukte det til å oppdage plutonium , neptunium og mange andre transuraniske elementer og isotoper, som de mottok Nobelprisen i kjemi i 1951 for.

De tidligste operative sirkulære akseleratorene var syklotroner , oppfunnet i 1929 av Ernest Lawrence ved University of California, Berkeley . Syklotroner har et enkelt par hule "D"-formede plater for å akselerere partiklene og en enkelt stor dipolmagnet for å bøye banen deres inn i en sirkulær bane. Det er en karakteristisk egenskap for ladede partikler i et jevnt og konstant magnetfelt B at de går i bane med en konstant periode, med en frekvens som kalles syklotronfrekvensen , så lenge hastigheten deres er liten sammenlignet med lysets hastighet c . Dette betyr at de akselererende D-ene til en syklotron kan drives ved en konstant frekvens av en radiofrekvens (RF) akselererende kraftkilde, ettersom strålen spiraler utover kontinuerlig. Partiklene injiseres i midten av magneten og trekkes ut i ytterkanten med maksimal energi.

Syklotroner når en energigrense på grunn av relativistiske effekter der partiklene effektivt blir mer massive, slik at deres syklotronfrekvens faller ut av synkronisering med den akselererende RF. Derfor kan enkle syklotroner akselerere protoner bare til en energi på rundt 15 millioner elektronvolt (15 MeV, tilsvarende en hastighet på omtrent 10 % av c ), fordi protonene kommer ut av fase med det drivende elektriske feltet. Hvis den ble akselerert videre, ville strålen fortsette å spiralere utover til en større radius, men partiklene ville ikke lenger få nok hastighet til å fullføre den større sirkelen i takt med den akselererende RF. For å imøtekomme relativistiske effekter må magnetfeltet økes til høyere radier, slik det gjøres i isokrone syklotroner . Et eksempel på en isokron syklotron er PSI Ring-sykklotronen i Sveits, som gir protoner med en energi på 590 MeV som tilsvarer omtrent 80 % av lysets hastighet. Fordelen med en slik syklotron er den maksimalt oppnåelige ekstraherte protonstrømmen som for tiden er 2,2 mA. Energien og strømmen tilsvarer 1,3 MW stråleeffekt, som er den høyeste av alle eksisterende akseleratorer.

Synkrosyklotroner og isokrone syklotroner

En magnet i synkrosykklotronen ved Orsay protonterapisenter

En klassisk syklotron kan modifiseres for å øke energigrensen. Den historisk første tilnærmingen var synkrosykklotronen , som akselererer partiklene i bunter. Den bruker et konstant magnetfelt , men reduserer akselerasjonsfeltets frekvens for å holde partiklene i takt når de spirerer utover, og matcher deres masseavhengige syklotronresonansfrekvens . Denne tilnærmingen lider av lav gjennomsnittlig stråleintensitet på grunn av samlingen, og igjen av behovet for en enorm magnet med stor radius og konstant felt over den større banen som kreves av høy energi.

Den andre tilnærmingen til problemet med akselererende relativistiske partikler er den isokrone syklotronen . I en slik struktur holdes akselerasjonsfeltets frekvens (og syklotronresonansfrekvensen) konstant for alle energier ved å forme magnetpolene slik at magnetfeltet øker med radius. Dermed blir alle partikler akselerert i isokrone tidsintervaller. Partikler med høyere energi reiser en kortere avstand i hver bane enn de ville gjort i en klassisk syklotron, og forblir dermed i fase med det akselererende feltet. Fordelen med den isokrone syklotronen er at den kan levere kontinuerlige stråler med høyere gjennomsnittlig intensitet, noe som er nyttig for noen bruksområder. De største ulempene er størrelsen og kostnaden for den store magneten som trengs, og vanskeligheten med å oppnå de høye magnetfeltverdiene som kreves ved ytterkanten av strukturen.

Synkrosyklotroner har ikke blitt bygget siden den isokrone syklotronen ble utviklet.

Synkrotroner

Flyfoto av Tevatron ved Fermilab , som ligner en åttefigur. Hovedakseleratoren er ringen over; den nedenfor (omtrent halve diameteren, til tross for utseende) er for foreløpig akselerasjon, strålekjøling og lagring osv.

For å nå enda høyere energier, med relativistisk masse som nærmer seg eller overstiger partiklenes hvilemasse (for protoner, milliarder av elektronvolt eller GeV ), er det nødvendig å bruke en synkrotron . Dette er en akselerator der partiklene akselereres i en ring med konstant radius. En umiddelbar fordel fremfor syklotroner er at magnetfeltet bare trenger å være tilstede over det faktiske området av partikkelbanene, som er mye smalere enn ringens. (Den største syklotronen bygget i USA hadde en magnetpol på 184 tommer i diameter (4,7 m), mens diameteren til synkrotroner som LEP og LHC er nesten 10 km. Blenderåpningen til de to strålene til LHC er på størrelsesorden en centimeter.) LHC inneholder 16 RF-hulrom, 1232 superledende dipolmagneter for strålestyring og 24 kvadrupoler for strålefokusering. Selv i denne størrelsen er LHC begrenset av dens evne til å styre partiklene uten at de går i drift. Denne grensen er teoretisert å oppstå ved 14TeV.

Men siden partikkelmomentet øker under akselerasjon, er det nødvendig å skru opp magnetfeltet B i forhold til å opprettholde konstant krumning av banen. Som en konsekvens kan ikke synkrotroner akselerere partikler kontinuerlig, slik syklotroner kan, men må operere syklisk, og tilføre partikler i bunter, som leveres til et mål eller en ekstern stråle i stråle "søl" typisk med noen sekunders mellomrom.

Siden høyenergisynkrotroner gjør mesteparten av arbeidet sitt på partikler som allerede beveger seg med nesten lyshastigheten c , er tiden for å fullføre en bane av ringen nesten konstant, og det samme er frekvensen til RF-hulromsresonatorene som brukes til å drive akselerasjonen .

I moderne synkrotroner er stråleåpningen liten og magnetfeltet dekker ikke hele arealet av partikkelbanen slik det gjør for en syklotron, så flere nødvendige funksjoner kan skilles. I stedet for en enorm magnet, har man en linje med hundrevis av bøyemagneter, som omslutter (eller omsluttet av) vakuumforbindelsesrør. Utformingen av synkrotroner ble revolusjonert på begynnelsen av 1950-tallet med oppdagelsen av det sterke fokuseringskonseptet . Fokuseringen av strålen håndteres uavhengig av spesialiserte quadrupole magneter , mens selve akselerasjonen oppnås i separate RF-seksjoner, ganske lik korte lineære akseleratorer. Det er heller ingen nødvendighet at sykliske maskiner skal være sirkulære, men snarere kan strålerøret ha rette seksjoner mellom magneter hvor stråler kan kollidere, avkjøles osv. Dette har utviklet seg til et helt eget fag, kalt "strålefysikk" eller "stråle" optikk".

Mer komplekse moderne synkrotroner som Tevatron, LEP og LHC kan levere partikkelbuntene til lagringsringer av magneter med et konstant magnetfelt, hvor de kan fortsette å gå i bane i lange perioder for eksperimentering eller ytterligere akselerasjon. Maskinene med høyest energi som Tevatron og LHC er faktisk akseleratorkomplekser, med en kaskade av spesialiserte elementer i serie, inkludert lineære akseleratorer for initial stråleoppretting, en eller flere lavenergisynkrotroner for å nå middels energi, lagringsringer der stråler kan være akkumulert eller "avkjølt" (reduserer den nødvendige magnetåpningen og tillater tettere fokusering; se strålekjøling ), og en siste stor ring for endelig akselerasjon og eksperimentering.

Segment av en elektronsynkrotron ved DESY
Elektronsynkrotroner

Sirkulære elektronakseleratorer falt noe i unåde for partikkelfysikk rundt tiden da SLACs lineære partikkelakselerator ble konstruert, fordi synkrotrontapene deres ble ansett som økonomisk uoverkommelige og fordi stråleintensiteten deres var lavere enn for de upulsede lineære maskinene. Cornell Electron Synchrotron , bygget til lave kostnader på slutten av 1970-tallet, var den første i en serie høyenergiske sirkulære elektronakseleratorer bygget for grunnleggende partikkelfysikk, den siste var LEP , bygget på CERN, som ble brukt fra 1989 til 2000.

Et stort antall elektronsynkrotroner har blitt bygget de siste to tiårene, som en del av synkrotronlyskilder som sender ut ultrafiolett lys og røntgenstråler; se nedenfor.

Oppbevaringsringer

For noen bruksområder er det nyttig å lagre stråler av høyenergipartikler i noen tid (med moderne høyvakuumteknologi , opptil mange timer) uten ytterligere akselerasjon. Dette gjelder spesielt for kolliderende stråleakseleratorer , der to stråler som beveger seg i motsatte retninger er laget for å kollidere med hverandre, med en stor gevinst i effektiv kollisjonsenergi . Fordi relativt få kollisjoner forekommer ved hver passering gjennom skjæringspunktet mellom de to strålene, er det vanlig å først akselerere strålene til ønsket energi, og deretter lagre dem i lagringsringer, som i hovedsak er synkrotronringer av magneter, uten signifikant RF kraft for akselerasjon.

Synkrotronstrålingskilder

Noen sirkulære akseleratorer er bygget for bevisst å generere stråling (kalt synkrotronlys ) som røntgenstråler også kalt synkrotronstråling, for eksempel Diamond Light Source som er bygget ved Rutherford Appleton Laboratory i England eller Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory i Illinois , USA. Høyenergi røntgenstråler er nyttige for røntgenspektroskopi av proteiner eller røntgenabsorpsjon finstruktur (XAFS), for eksempel.

Synkrotronstråling sendes kraftigere ut av lettere partikler, så disse akseleratorene er alltid elektronakseleratorer . Synkrotronstråling gir mulighet for bedre bildebehandling som forsket på og utviklet ved SLACs SPEAR .

Fast-felt alternerende gradient akseleratorer

Fixed-Field Alternating Gradient Acceleratorer (FFA) , der et magnetfelt som er fast i tid, men med en radiell variasjon for å oppnå sterk fokusering , gjør at strålen kan akselereres med høy repetisjonshastighet, men med mye mindre radiell spredning enn i syklotronsaken. Isokrone FFAer, som isokrone syklotroner, oppnår kontinuerlig stråledrift, men uten behov for en enorm dipolbøyningsmagnet som dekker hele radiusen til banene. Noen nye utviklinger i FFAer er dekket inn.

Historie

Ernest Lawrences første syklotron var bare 100 mm i diameter. Senere, i 1939, bygde han en maskin med en 60-tommers diameter stangflate, og planla en med en 184-tommers diameter i 1942, som imidlertid ble overtatt for andre verdenskrigsrelaterte arbeid knyttet til uranisotopseparasjon ; etter krigen fortsatte den i tjeneste for forskning og medisin over mange år.

Den første store protonsynkrotronen var Cosmotron ved Brookhaven National Laboratory , som akselererte protoner til omtrent 3  GeV (1953–1968). Bevatronen ved Berkeley, ferdigstilt i 1954, ble spesielt designet for å akselerere protoner til tilstrekkelig energi til å lage antiprotoner , og verifisere partikkel-antipartikkel-symmetrien til naturen, da bare teoretisert. Alternating Gradient Synchrotron (AGS) ved Brookhaven (1960–) var den første store synkrotronen med alternerende gradient, " sterke fokuserende " magneter, som i stor grad reduserte den nødvendige blenderåpningen til strålen, og tilsvarende størrelsen og kostnadene til bøyemagnetene. Proton Synchrotron , bygget på CERN (1959–), var den første store europeiske partikkelakseleratoren og generelt lik AGS.

Stanford Linear Accelerator , SLAC, ble operativ i 1966, og akselererte elektroner til 30 GeV i en 3 km lang bølgeleder, begravd i en tunnel og drevet av hundrevis av store klystroner . Det er fortsatt den største lineære akseleratoren som finnes, og har blitt oppgradert med tillegg av lagringsringer og en elektron-positron kolliderer. Det er også en røntgen- og UV-synkrotronfotonkilde.

Fermilab Tevatron har en ring med en strålebane på 6,4 km. Den har fått flere oppgraderinger, og har fungert som en proton-antiproton kolliderer frem til den ble stengt på grunn av budsjettkutt 30. september 2011. Den største sirkulære akseleratoren som noen gang er bygget var LEP - synkrotronen ved CERN med en omkrets på 26,6 kilometer, som var en elektron/ positron kolliderer. Den oppnådde en energi på 209 GeV før den ble demontert i 2000 slik at tunnelen kunne brukes til Large Hadron Collider (LHC). LHC er en protonkolliderer, og for tiden verdens største og høyeste energiakselerator, og oppnår 6,5 TeV energi per stråle (13 TeV totalt).

Den aborterte Superconducting Super Collider (SSC) i Texas ville ha hatt en omkrets på 87 km. Byggingen ble påbegynt i 1991, men ble forlatt i 1993. Svært store sirkulære akseleratorer bygges alltid i tunneler på noen få meters bredde for å minimere forstyrrelsene og kostnadene ved å bygge en slik struktur på overflaten, og for å gi skjerming mot intense sekundære strålinger som oppstår, som er ekstremt gjennomtrengende ved høye energier.

Gjeldende akseleratorer som Spallation Neutron Source inkluderer superledende kryomoduler . Relativistic Heavy Ion Collider og Large Hadron Collider bruker også superledende magneter og RF-hulromsresonatorer for å akselerere partikler.

Mål

Utgangen fra en partikkelakselerator kan generelt rettes mot flere linjer med eksperimenter, en på et gitt tidspunkt, ved hjelp av en avvikende elektromagnet . Dette gjør det mulig å utføre flere eksperimenter uten å måtte flytte rundt på ting eller slå av hele akseleratorstrålen. Bortsett fra synkrotronstrålingskilder, er formålet med en akselerator å generere høyenergipartikler for interaksjon med materie.

Dette er vanligvis et fast mål, for eksempel fosforbelegget på baksiden av skjermen i tilfelle av et fjernsynsrør; et stykke uran i en akselerator designet som en nøytronkilde; eller et wolframmål for en røntgengenerator. I en linac er målet ganske enkelt montert på enden av gasspedalen. Partikkelsporet i en syklotron er en spiral utover fra midten av den sirkulære maskinen, slik at de akselererte partiklene kommer ut fra et fast punkt som for en lineær akselerator.

For synkrotroner er situasjonen mer kompleks. Partikler akselereres til ønsket energi. Deretter brukes en hurtigvirkende dipolmagnet for å bytte partiklene ut av det sirkulære synkrotronrøret og mot målet.

En variant som vanligvis brukes for partikkelfysikkforskning er en kolliderer , også kalt en lagringsringkolliderer . To sirkulære synkrotroner er bygget i umiddelbar nærhet – vanligvis oppå hverandre og bruker de samme magnetene (som da er av mer komplisert design for å romme begge strålerørene). Bunter av partikler beveger seg i motsatte retninger rundt de to akseleratorene og kolliderer i skjæringspunktene mellom dem. Dette kan øke energien enormt; Mens i et eksperiment med fast mål er energien som er tilgjengelig for å produsere nye partikler proporsjonal med kvadratroten av stråleenergien, i en kolliderer er den tilgjengelige energien lineær.

Detektorer

Høyere energier

For tiden er de høyeste energiakseleratorene alle sirkulære kolliderere, men både hadronakseleratorer og elektronakseleratorer går mot grenser. Hadron- og ionsykliske akseleratorer med høyere energi vil kreve akseleratortunneler av større fysisk størrelse på grunn av den økte strålestivheten .

For sykliske elektronakseleratorer settes en grense for praktisk bøyeradius av synkrotronstrålingstap og neste generasjon vil trolig være lineære akseleratorer 10 ganger gjeldende lengde. Et eksempel på en slik neste generasjons elektronakselerator er den foreslåtte 40 km lange International Linear Collider .

Det antas at plasma-wakefield-akselerasjon i form av elektronstråle-"etterbrennere" og frittstående laserpulsere kan være i stand til å gi dramatiske økninger i effektivitet i forhold til RF-akseleratorer innen to til tre tiår. I plasma-wakefield-akseleratorer er strålehulen fylt med et plasma (i stedet for vakuum). En kort puls av elektroner eller laserlys utgjør enten eller går umiddelbart foran partiklene som akselereres. Pulsen forstyrrer plasmaet, og får de ladede partiklene i plasmaet til å integreres i og bevege seg mot baksiden av flokken med partikler som akselereres. Denne prosessen overfører energi til partikkelhaugen, akselererer den ytterligere, og fortsetter så lenge pulsen er koherent.

Energigradienter så bratte som 200 GeV/m er oppnådd over avstander i millimeterskala ved bruk av laserpulsere og gradienter som nærmer seg 1 GeV/m produseres på multicentimeterskalaen med elektronstrålesystemer, i motsetning til en grense på ca. 0,1 GeV/m for radiofrekvensakselerasjon alene. Eksisterende elektronakseleratorer som SLAC kan bruke elektronstråleetterbrennere for å øke energien til partikkelstrålene deres, på bekostning av stråleintensiteten. Elektronsystemer generelt kan gi tett kollimerte, pålitelige stråler; lasersystemer kan tilby mer kraft og kompakthet. Dermed kan plasma-wakefield-akseleratorer brukes – hvis tekniske problemer kan løses – både for å øke den maksimale energien til de største akseleratorene og for å bringe høy energi inn i universitetslaboratorier og medisinske sentre.

Høyere enn 0,25 GeV/m gradienter har blitt oppnådd med en dielektrisk laserakselerator, som kan presentere en annen levedyktig tilnærming til å bygge kompakte høyenergiakseleratorer. Ved å bruke femtosekund-laserpulser ble det registrert en elektronakselerasjonsgradient på 0,69 Gev/m for dielektriske laserakseleratorer. Høyere gradienter i størrelsesorden 1 til 6 GeV/m forventes etter ytterligere optimaliseringer.

Produksjon av svarte hull og bekymringer for offentlig sikkerhet

I fremtiden kan muligheten for en sort hullproduksjon ved de høyeste energiakseleratorene oppstå hvis visse spådommer fra superstrengteori er nøyaktige. Dette og andre muligheter har ført til bekymringer for offentlig sikkerhet som har blitt mye rapportert i forbindelse med LHC , som startet driften i 2008. De ulike mulige farlige scenariene har blitt vurdert til å presentere "ingen tenkelig fare" i den siste risikovurderingen produsert av LHC Safety Assessment Group. Hvis det produseres sorte hull, er det teoretisk spådd at slike små sorte hull skal fordampe ekstremt raskt via Bekenstein-Hawking-stråling , men som foreløpig er eksperimentelt ubekreftet. Hvis kollidere kan produsere sorte hull, må kosmiske stråler (og spesielt ultra-høyenergi kosmiske stråler , UHECRs) ha produsert dem i evigheter, men de har ennå ikke skadet noen. Det har blitt hevdet at for å spare energi og momentum, vil alle sorte hull som skapes i en kollisjon mellom en UHECR og lokal materie nødvendigvis bli produsert i relativistisk hastighet i forhold til jorden, og bør rømme ut i verdensrommet, ettersom deres akkresjon og veksthastighet. bør være veldig sakte, mens sorte hull produsert i kollidere (med komponenter av lik masse) ville ha en viss sjanse for å ha en hastighet mindre enn jordens unnslippingshastighet, 11,2 km per sek, og vil kunne fange opp og påfølgende vekst. Men selv i slike scenarier ville kollisjoner av UHECR-er med hvite dverger og nøytronstjerner føre til deres raske ødeleggelse, men disse kroppene er observert å være vanlige astronomiske objekter. Hvis det derfor skulle produseres stabile mikrosvarte hull, må de vokse altfor sakte til å forårsake merkbare makroskopiske effekter innenfor solsystemets naturlige levetid.

Akseleratoroperatør

Bruken av avanserte teknologier som superledning, kryogenikk og høydrevne radiofrekvensforsterkere, samt tilstedeværelsen av ioniserende stråling, utgjør utfordringer for sikker drift av akseleratoranlegg. En akseleratoroperatør kontrollerer driften av en partikkelakselerator, justerer driftsparametere som sideforhold , strømintensitet og posisjon på målet. De kommuniserer med og bistår akseleratorvedlikeholdspersonell for å sikre beredskap for støttesystemer, som vakuum , magneter , magnetiske og radiofrekvente strømforsyninger og kontroller, og kjølesystemer. I tillegg fører akseleratoroperatøren en oversikt over akseleratorrelaterte hendelser.

Se også

Referanser

Eksterne linker