Urychlovač částic je zařízení, které vytváří svazek elektricky nabitých atomárních nebo subatomárních částic pohybujících se rychlostí blízkou rychlosti světla. Jeho práce je založena na zvýšení jejich energie elektrickým polem a změně trajektorie - o magnetické.
K čemu jsou urychlovače částic?
Tato zařízení jsou široce používána v různých oblastech vědy a průmyslu. Dnes jich je po celém světě více než 30 tisíc. Pro fyzika slouží urychlovače částic jako nástroj pro základní výzkum struktury atomů, povahy jaderných sil a vlastností jader, která se v přírodě nevyskytují. Mezi ty druhé patří transuran a další nestabilní prvky.
Pomocí výbojky bylo možné určit specifický náboj. Urychlovače částic se také používají při výrobě radioizotopů, v průmyslové radiografii, v radiační terapii, při sterilizaci biologických materiálů a v radiokarbonuanalýza. Největší instalace se používají při studiu základních interakcí.
Životnost nabitých částic v klidu vzhledem k urychlovači je kratší než životnost částic urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla. To potvrzuje relativitu časových intervalů SRT. Například v CERNu bylo dosaženo 29násobného prodloužení životnosti mionů při rychlosti 0,9994c.
Tento článek pojednává o tom, jak funguje urychlovač částic, jeho vývoji, různých typech a charakteristických vlastnostech.
Principy zrychlení
Bez ohledu na to, které urychlovače částic znáte, všechny mají společné prvky. Za prvé, všechny musí mít zdroj elektronů v případě televizní kineskopu nebo elektrony, protony a jejich antičástice v případě větších instalací. Kromě toho musí mít všechny elektrická pole pro urychlení částic a magnetická pole pro řízení jejich trajektorie. K zajištění dlouhé životnosti paprsků je navíc nutné vakuum v urychlovači částic (10-11 mm Hg), tj. minimální množství zbytkového vzduchu. A konečně, všechna zařízení musí mít prostředky pro registraci, počítání a měření urychlených částic.
Generace
Elektrony a protony, které se v urychlovačích nejčastěji používají, se nacházejí ve všech materiálech, ale nejprve je z nich třeba izolovat. Obvykle se generují elektronystejně jako v kineskopu – v zařízení zvaném „pistole“. Jde o katodu (zápornou elektrodu) ve vakuu, která se zahřeje až do bodu, kdy se elektrony začnou oddělovat od atomů. Záporně nabité částice jsou přitahovány k anodě (kladná elektroda) a procházejí výstupem. Samotná pistole je také nejjednodušším urychlovačem, protože elektrony se pohybují pod vlivem elektrického pole. Napětí mezi katodou a anodou je obvykle mezi 50-150 kV.
Kromě elektronů všechny materiály obsahují protony, ale pouze jádra atomů vodíku se skládají z jednotlivých protonů. Zdrojem částic pro protonové urychlovače je proto plynný vodík. V tomto případě je plyn ionizován a protony unikají otvorem. Ve velkých urychlovačích jsou protony často produkovány jako záporné vodíkové ionty. Jsou to atomy s elektronem navíc, které jsou produktem ionizace dvouatomového plynu. V počátečních fázích je snazší pracovat se záporně nabitými ionty vodíku. Poté projdou tenkou fólií, která je zbaví elektronů před konečnou fází zrychlení.
Zrychlení
Jak fungují urychlovače částic? Klíčovou vlastností každého z nich je elektrické pole. Nejjednodušším příkladem je rovnoměrné statické pole mezi kladnými a zápornými elektrickými potenciály, podobné tomu, které existuje mezi svorkami elektrické baterie. V takovépole, elektron nesoucí záporný náboj je vystaven síle, která jej nasměruje ke kladnému potenciálu. Zrychluje ho, a pokud tomu nic nebrání, jeho rychlost a energie se zvyšují. Elektrony pohybující se směrem ke kladnému potenciálu v drátu nebo dokonce ve vzduchu se srážejí s atomy a ztrácejí energii, ale pokud jsou ve vakuu, zrychlují se, když se přibližují k anodě.
Napětí mezi počáteční a konečnou polohou elektronu určuje energii, kterou elektron získá. Při pohybu přes potenciálový rozdíl 1 V se rovná 1 elektronvoltu (eV). To odpovídá 1,6 × 10-19 joulů. Energie létajícího komára je bilionkrát větší. V kineskopu jsou elektrony urychlovány napětím přes 10 kV. Mnoho urychlovačů dosahuje mnohem vyšších energií, měřeno v mega-, giga- a teraelektronvoltech.
Odrůdy
Některé z nejstarších typů urychlovačů částic, jako je násobič napětí a Van de Graaffův generátor, využívaly konstantní elektrická pole generovaná potenciály až do milionu voltů. S tak vysokými napětími není snadné pracovat. Praktičtější alternativou je opakované působení slabých elektrických polí generovaných nízkými potenciály. Tento princip je využíván ve dvou typech moderních urychlovačů – lineárním a cyklickém (hlavně v cyklotronech a synchrotronech). Lineární urychlovače částic je zkrátka jednou projdou sekvencíurychlovací pole, zatímco v cyklickém se opakovaně pohybují po kruhové dráze přes relativně malá elektrická pole. V obou případech závisí konečná energie částic na kombinovaném účinku polí, takže mnoho malých „šoků“se sčítá a dává kombinovaný účinek jednoho velkého.
Opakující se struktura lineárního urychlovače k vytváření elektrických polí přirozeně zahrnuje použití střídavého spíše než stejnosměrného napětí. Kladně nabité částice jsou urychlovány směrem k zápornému potenciálu a dostávají nový impuls, pokud projdou kolem kladného. V praxi by se napětí mělo měnit velmi rychle. Například při energii 1 MeV se proton pohybuje velmi vysokou rychlostí 0,46 rychlosti světla, přičemž urazí 1,4 m za 0,01 ms. To znamená, že v opakujícím se vzoru dlouhém několik metrů musí elektrická pole měnit směr při frekvenci alespoň 100 MHz. Lineární a cyklické urychlovače nabitých částic je zpravidla urychlují pomocí střídavých elektrických polí o frekvenci 100 až 3000 MHz, tedy v rozsahu od rádiových vln po mikrovlny.
Elektromagnetická vlna je kombinací střídavých elektrických a magnetických polí, která oscilují navzájem kolmo. Klíčovým bodem urychlovače je upravit vlnu tak, aby při příchodu částice bylo elektrické pole směrováno v souladu s vektorem zrychlení. To lze provést stojatou vlnou - kombinací vln, které se pohybují v opačných směrech v uzavřené smyčce.prostoru, jako zvukové vlny ve varhanní píšťale. Alternativou pro velmi rychle se pohybující elektrony blížící se rychlosti světla je putující vlna.
Autophasing
Důležitým efektem při zrychlování ve střídavém elektrickém poli je „autophasing“. V jednom cyklu kmitání jde střídavé pole z nuly přes maximální hodnotu opět na nulu, klesá na minimum a stoupá k nule. Projde tedy hodnotu potřebnou ke zrychlení dvakrát. Pokud urychlující částice dorazí příliš brzy, nebude ovlivněna polem dostatečné síly a tlak bude slabý. Když dosáhne další sekce, opozdí se a zažije silnější dopad. V důsledku toho dojde k autofázování, částice budou ve fázi s polem v každé urychlovací oblasti. Dalším efektem by bylo jejich seskupení v průběhu času do shluků spíše než do souvislého proudu.
Směr paprsku
Magnetická pole také hrají důležitou roli v tom, jak funguje urychlovač nabitých částic, protože mohou měnit směr jejich pohybu. To znamená, že je lze použít k „ohnutí“paprsků po kruhové dráze tak, aby několikrát prošly stejnou zrychlující sekcí. V nejjednodušším případě je nabitá částice pohybující se v pravém úhlu ke směru rovnoměrného magnetického pole vystavena sílekolmé jak na vektor jeho posunutí, tak na pole. To způsobí, že se paprsek pohybuje po kruhové trajektorii kolmé k poli, dokud neopustí svou oblast působení nebo na něj nezačne působit jiná síla. Tento efekt se využívá u cyklických urychlovačů, jako je cyklotron a synchrotron. V cyklotronu je konstantní pole generováno velkým magnetem. Částice, jak jejich energie roste, se spirálovitě pohybují směrem ven a zrychlují se s každou otáčkou. V synchrotronu se shluky pohybují kolem prstence s konstantním poloměrem a pole vytvořené elektromagnety kolem prstence se zvyšuje, jak se částice zrychlují. "Ohýbací" magnety jsou dipóly se severním a jižním pólem ohnutým do tvaru podkovy, takže paprsek může procházet mezi nimi.
Druhou důležitou funkcí elektromagnetů je soustředit paprsky tak, aby byly co nejužší a nejintenzivnější. Nejjednodušší forma zaostřovacího magnetu je se čtyřmi póly (dva severní a dva jižní) proti sobě. Tlačí částice směrem ke středu v jednom směru, ale umožňují jim šířit se v kolmém směru. Čtyřpólové magnety zaostřují paprsek vodorovně, což mu umožňuje vertikálně rozostřit. K tomu je třeba je používat ve dvojicích. Pro přesnější ostření se používají i složitější magnety s více póly (6 a 8).
S rostoucí energií částic se zvyšuje síla magnetického pole, které je vede. To udržuje paprsek na stejné dráze. Sraženina je zavedena do prstence a urychlenapotřebnou energii, než ji lze odebrat a použít v experimentech. Zatažení je dosaženo elektromagnety, které se zapnou, aby vytlačily částice ven ze synchrotronového prstence.
Collision
Urychlovače částic používané v lékařství a průmyslu produkují hlavně paprsek pro specifické účely, jako je radiační terapie nebo iontová implantace. To znamená, že částice jsou použity jednou. Dlouhá léta totéž platilo pro urychlovače používané v základním výzkumu. Ale v 70. letech 20. století byly vyvinuty prstence, ve kterých dva paprsky obíhají v opačných směrech a srážejí se podél celého okruhu. Hlavní výhodou takových instalací je, že při čelní srážce přechází energie částic přímo do energie vzájemného působení mezi nimi. To kontrastuje s tím, co se stane, když se paprsek srazí s materiálem v klidu: v tomto případě je většina energie vynaložena na uvedení cílového materiálu do pohybu v souladu s principem zachování hybnosti.
Některé stroje se srážkou paprsků jsou konstruovány se dvěma prstenci protínajícími se na dvou nebo více místech, ve kterých částice stejného typu cirkulují v opačných směrech. Častější jsou urychlovače s částicemi a antičásticemi. Antičástice má opačný náboj než její asociovaná částice. Například pozitron je nabitý kladně, zatímco elektron je nabitý záporně. To znamená, že pole, které urychluje elektron, zpomaluje pozitron,pohybující se stejným směrem. Pokud se ale pohybuje opačným směrem, zrychlí. Podobně se elektron pohybující se magnetickým polem ohne doleva a pozitron se ohne doprava. Pokud se však pozitron pohybuje směrem k němu, jeho dráha se bude stále odchylovat doprava, ale po stejné křivce jako elektron. Společně to znamená, že se tyto částice mohou pohybovat po synchrotronovém prstenci díky stejným magnetům a být urychlovány stejnými elektrickými poli v opačných směrech. Podle tohoto principu bylo vytvořeno mnoho z nejvýkonnějších srážečů na srážejících se paprscích, protože je zapotřebí pouze jeden urychlovací prstenec.
Paprsek v synchrotronu se nepohybuje nepřetržitě, ale je sloučen do "shluků". Mohou být dlouhé několik centimetrů a desetina milimetru v průměru a obsahovat asi 1012 částic. To je malá hustota, protože látka této velikosti obsahuje asi 1023 atomů. Proto, když se paprsky protnou s protijedoucími paprsky, existuje jen malá šance, že částice budou vzájemně interagovat. V praxi se trsy dále pohybují po prstenci a znovu se setkávají. Hluboké vakuum v urychlovači částic (10-11 mmHg) je nezbytné k tomu, aby částice mohly cirkulovat po mnoho hodin, aniž by se srazily s molekulami vzduchu. Proto se prsteny také nazývají akumulační, protože svazky jsou v nich skutečně uloženy několik hodin.
Registrace
Urychlovače částic většinou dokážou registrovat, co se kdy stanekdyž částice narazí na cíl nebo jiný paprsek pohybující se v opačném směru. V televizní kineskopu dopadají elektrony z pistole na fosfor na vnitřním povrchu obrazovky a emitují světlo, které tak znovu vytváří přenášený obraz. V urychlovačích tyto specializované detektory reagují na rozptýlené částice, ale obvykle jsou navrženy tak, aby generovaly elektrické signály, které lze převést na počítačová data a analyzovat pomocí počítačových programů. Pouze nabité prvky vytvářejí elektrické signály průchodem materiálem, například excitací nebo ionizací atomů, a lze je přímo detekovat. Neutrální částice, jako jsou neutrony nebo fotony, lze detekovat nepřímo prostřednictvím chování nabitých částic, které uvádějí do pohybu.
Existuje mnoho specializovaných detektorů. Některé z nich, stejně jako Geigerův počítač, jednoduše počítají částice, jiné slouží například k záznamu stop, měření rychlosti nebo množství energie. Moderní detektory sahají co do velikosti a technologie, od malých zařízení s nábojovou vazbou až po velké drátem plněné komory naplněné plynem, které detekují ionizované stopy vytvořené nabitými částicemi.
Historie
Urychlovače částic byly vyvinuty hlavně ke studiu vlastností atomových jader a elementárních částic. Od objevu reakce mezi jádrem dusíku a částice alfa britským fyzikem Ernestem Rutherfordem v roce 1919, veškerý výzkum v jaderné fyzice až po1932 byl stráven s jádry helia uvolněnými z rozpadu přírodních radioaktivních prvků. Přírodní částice alfa mají kinetickou energii 8 MeV, ale Rutherford věřil, že aby bylo možné pozorovat rozpad těžkých jader, musí být uměle urychleny na ještě větší hodnoty. V té době se to zdálo obtížné. Výpočet, který v roce 1928 provedl Georgy Gamow (na univerzitě v Göttingenu, Německo) však ukázal, že lze použít ionty s mnohem nižšími energiemi, a to podnítilo pokusy vybudovat zařízení, které by poskytovalo paprsek dostatečný pro jaderný výzkum.
Další události tohoto období demonstrovaly principy, podle kterých jsou urychlovače částic stavěny dodnes. První úspěšné experimenty s uměle urychlenými ionty provedli Cockcroft a W alton v roce 1932 na univerzitě v Cambridge. Pomocí násobiče napětí urychlili protony na 710 keV a ukázali, že ty reagují s jádrem lithia za vzniku dvou částic alfa. V roce 1931 sestrojil Robert van de Graaff na Princetonské univerzitě v New Jersey první vysokopotenciální pásový elektrostatický generátor. Cockcroft-W altonovy násobiče napětí a Van de Graaffovy generátory se stále používají jako zdroje energie pro urychlovače.
Princip lineárního rezonančního urychlovače demonstroval Rolf Wideröe v roce 1928. Na Technologické univerzitě Rýn-Vestfálska v Aachenu v Německu použil vysoké střídavé napětí k urychlení sodíkových a draselných iontů na energie dvakrátpřevyšující jimi hlášené. V roce 1931 ve Spojených státech Ernest Lawrence a jeho asistent David Sloan z Kalifornské univerzity v Berkeley použili vysokofrekvenční pole k urychlení iontů rtuti na energie přesahující 1,2 MeV. Tato práce doplnila urychlovač těžkých částic Wideröe, ale iontové paprsky nebyly v jaderném výzkumu užitečné.
Urychlovač magnetické rezonance, neboli cyklotron, vymyslel Lawrence jako modifikaci instalace Wideröe. Student Lawrence Livingstona demonstroval princip cyklotronu v roce 1931 produkcí 80 keV iontů. V roce 1932 Lawrence a Livingston oznámili zrychlení protonů na více než 1 MeV. Později ve 30. letech dosáhla energie cyklotronů asi 25 MeV a energie Van de Graaffových generátorů asi 4 MeV. V roce 1940 Donald Kerst na základě výsledků pečlivých orbitálních výpočtů na konstrukci magnetů postavil první betatron, urychlovač elektronů s magnetickou indukcí, na University of Illinois.
Moderní fyzika: urychlovače částic
Po druhé světové válce udělala věda o urychlování částic na vysoké energie rychlý pokrok. Začali to Edwin Macmillan v Berkeley a Vladimir Veksler v Moskvě. V roce 1945 oba nezávisle popsali princip fázové stability. Tento koncept nabízí prostředek pro udržení stabilních drah částic v cyklickém urychlovači, který odstranil omezení energie protonů a umožnil vytvořit urychlovače magnetické rezonance (synkrotrony) pro elektrony. Po výstavbě bylo potvrzeno automatické fázování, implementace principu fázové stabilitymalý synchrocyklotron na University of California a synchrotron v Anglii. Krátce nato vznikl první protonový lineární rezonanční urychlovač. Tento princip byl od té doby použit ve všech velkých protonových synchrotronech.
V roce 1947 William Hansen na Stanfordské univerzitě v Kalifornii postavil první lineární urychlovač elektronů s postupujícími vlnami pomocí mikrovlnné technologie, která byla vyvinuta pro radary během druhé světové války.
Pokrok ve výzkumu byl umožněn zvýšením energie protonů, což vedlo ke konstrukci stále větších urychlovačů. Tento trend zastavily vysoké náklady na výrobu obrovských prstencových magnetů. Největší váží asi 40 000 tun. Způsoby, jak zvýšit energii bez zvětšování velikosti strojů, předvedli v roce 1952 Livingston, Courant a Snyder v technice střídavého zaostřování (někdy nazývané silné zaostřování). Synchrotrony založené na tomto principu využívají magnety 100x menší než dříve. Takové zaostřování se používá ve všech moderních synchrotronech.
V roce 1956 si Kerst uvědomil, že pokud by se dvě sady částic udržely na protínajících se drahách, bylo by možné pozorovat jejich srážku. Aplikace této myšlenky vyžadovala akumulaci urychlených paprsků v cyklech nazývaných skladování. Tato technologie umožnila dosáhnout maximální interakční energie částic.
