Urychlovač nabitých částic je třída zařízení pro výrobu nabitých částic ( elementárních částic , iontů ) o vysokých energiích. Největšími urychlovači jsou drahá zařízení vyžadující mezinárodní spolupráci. Například Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu , což je prstenec dlouhý téměř 27 kilometrů, je výsledkem práce desítek tisíc vědců z více než stovky zemí. LHC umožnil srážku protonů o celkové energii 13 TeV v systému těžiště přicházejících částic, což je světový rekord [1] .
Urychlené částice o relativně nízkých energiích se používají k získání obrazu na televizní obrazovce nebo elektronovém mikroskopu , k získání rentgenového záření ( katodové trubice ), k ničení rakovinných buněk ak zabíjení bakterií. Při urychlování nabitých částic na energie nad 1 megaelektronvolt (MeV) se používají ke studiu struktury mikroobjektů (například atomových jader ) a povahy základních sil . V řadě instalací zvaných colliders se za účelem zvýšení efektivity využití energie částic jejich paprsky srážejí (protipaprsky) [2] .
Činnost urychlovače je založena na interakci nabitých částic s elektrickými a magnetickými poli. Elektrické pole je schopné působit na částici, to znamená zvýšit její energii. Magnetické pole, vytvářející Lorentzovu sílu , pouze vychyluje částici, aniž by změnilo její energii, a nastavuje dráhu, po které se částice pohybují.
Strukturálně lze akcelerátory zásadně rozdělit do dvou velkých skupin. Jedná se o lineární urychlovače , kde paprsek částic projde urychlovacími mezerami jednou, a cyklické urychlovače , ve kterých se paprsky pohybují po uzavřených křivkách (například kružnicích) a mnohokrát procházejí urychlovacími mezerami. Rovněž je možné klasifikovat urychlovače podle jejich účelu: urychlovače , zdroje neutronů , boostery, zdroje synchrotronového záření , zařízení pro léčbu rakoviny , průmyslové urychlovače .
Ideologicky nejjednodušší lineární urychlovač. Částice jsou urychlovány konstantním elektrickým polem a pohybují se přímočaře vakuovou komorou, podél které jsou umístěny urychlovací elektrody. Ke zrychlení nabitých částic dochází elektrickým polem, které je konstantní nebo se mírně mění po celou dobu zrychlování částice. Důležitou výhodou vysokonapěťového urychlovače ve srovnání s jinými typy urychlovačů je možnost získání malého energetického rozptylu částic urychlovaných v časově konstantním a rovnoměrném elektrickém poli. Tento typ urychlovačů se vyznačuje vysokou účinností (až 95 %) a možností vytvoření relativně jednoduchých velkých energetických zařízení (500 kW a více), což je velmi důležité při použití urychlovačů pro průmyslové účely.
Vysokonapěťové urychlovače lze rozdělit do čtyř skupin podle typu generátorů, které vytvářejí vysoké napětí:
Ke zrychlení u tohoto typu strojů dochází vírovým elektrickým polem, které je vytvářeno feromagnetickými prstenci s vinutími instalovanými podél osy paprsku.
Lineární rezonanční urychlovačTaké často označovaný jako LINAC (zkratka pro LINEar ACcelerator). Ke zrychlení dochází elektrickým polem vysokofrekvenčních rezonátorů . Lineární urychlovače se nejčastěji používají k primárnímu urychlení částic získaných z elektronového děla nebo iontového zdroje. Myšlenka lineárního urychlovače s plnou energií však také není nová. Hlavní výhodou linacu je možnost získání ultramalých emisí a absence energetických ztrát zářením, které rostou úměrně čtvrté mocnině energie částice.
Cyklický urychlovač, ve kterém jsou částice urychlovány vírovým elektrickým polem vyvolaným změnou magnetického toku obklopeného dráhou paprsku. Protože k vytvoření vírového elektrického pole je nutné změnit magnetické pole jádra a magnetická pole v nesupravodivých strojích jsou obvykle omezena účinky nasycení železem na úrovni ~20 kG, existuje horní limit na maximální energie betatronu. Betatrony se používají především k urychlení elektronů na energie 10-100 MeV (maximální energie dosažená v betatronu je 300 MeV).
První betatron vyvinul a vytvořil Wideröe v roce 1928 , který se mu však nepodařilo spustit. První spolehlivý betatron vytvořil D. V. Kerst až v letech 1940-1941 v USA.
CyklotronV cyklotronu jsou částice vstřikovány blízko středu magnetu s rovnoměrným polem při nízké počáteční rychlosti. Dále částice rotují v magnetickém poli v kruhu uvnitř dvou dutých elektrod, tzv. na které je přivedeno střídavé elektrické napětí . Částice je urychlována při každé otáčce elektrickým polem v mezeře mezi dees. K tomu je nutné, aby se frekvence změny polarity napětí na dees rovnala frekvenci otáčení částice. Jinými slovy, cyklotron je rezonanční urychlovač . Je jasné, že s rostoucí energií se bude zvětšovat poloměr trajektorie částice, dokud neopustí magnet.
Cyklotron je první z cyklických urychlovačů. Poprvé jej navrhli a postavili v roce 1930 Lawrence a Livingston , za což byl první v roce 1939 oceněn Nobelovou cenou . Dosud byly cyklotrony používány k urychlování těžkých částic na relativně nízké energie, až 50 MeV/nukleon.
MicrotronJe to také variabilní multiplicitní akcelerátor. Rezonanční cyklický urychlovač s konstantním hnacím magnetickým polem, jako je to u cyklotronu, a frekvencí urychlujícího napětí. Myšlenkou mikrotronu je vytvořit přírůstek doby otáčení částice, který se získá v důsledku zrychlení při každé otáčkě, násobkem periody oscilace urychlovacího napětí.
FAGUrychlovač s konstantním (jako u cyklotronu), ale nehomogenním polem a proměnnou frekvencí urychlovacího pole.
Fasotron (synchrocyklotron)Zásadním rozdílem oproti cyklotronu je frekvence elektrického pole, která se mění při zrychlování. To umožňuje díky autofázování zvýšit maximální energii urychlených iontů ve srovnání s limitní hodnotou pro cyklotron. Energie ve fazotronech dosahuje 600-700 MeV.
SynchrophasotronCyklický urychlovač s konstantní délkou rovnovážné dráhy. Aby částice při zrychlování zůstaly na stejné dráze, mění se jak vedoucí magnetické pole, tak frekvence zrychlujícího se elektrického pole.
SynchrotronCyklický urychlovač s konstantní délkou oběžné dráhy a konstantní frekvencí urychlujícího elektrického pole, ale s proměnným hnacím magnetickým polem.
Akcelerátor-rekuperátorV podstatě se jedná o linac, ale paprsek po použití nespadne, ale je nasměrován na zrychlující se strukturu ve „špatné“ fázi a zpomaluje se a vrací energii. Kromě toho existují víceprůchodové urychlovače rekuperátorů, kde paprsek na mikrotronovém principu provede několik průchodů urychlovací strukturou (případně po různých drahách), přičemž nejprve získá energii a poté ji vrátí.
Specializovaný zdroj koherentního rentgenového záření.
Urychlovač na srážce paprsků. Čistě experimentální zařízení, jejichž účelem je studovat procesy srážky vysokoenergetických částic.
| urychlovače částic | ||
|---|---|---|
| Podle návrhu |
| |
| Po domluvě | ||