uzluga.ru
добавить свой файл


Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный ядерный университет «МИФИ»


Специальность «Международные отношения»


РЕФЕРАТ


Ускорители элементарных частиц


Выполнила:

Лосик Ольга Николаевна,

Группа У4-01, 2 курс


Москва, 2011

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………...3

ГЛАВА 1. УСКОРИТЕЛИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ………………………………5

    1. Элементарные частицы……………………………………………………………………..5

    2. Работа ускорителя………………………………………………………………………….7

      1. Действие электрического поля на заряженные частицы……………………………7

      2. Действие магнитного поля на заряженные частицы…………………………………8

    3. Классификация ускорителей……………………………………………………………..9

      1. Линейный ускоритель………………………………………………………………….9

      2. Циклический ускоритель………………………………………………………………11

      3. Коллайдеры…………………………………………………………………………….19

        1. Большой адронный коллайдер………………………………………………………...21

    4. Вопросы безопасности……………………………………………………………………27

    5. Применение……………………………………………………………………………….29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………………34

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………35

ПРИЛОЖЕНИЕ………………………………………………………………………………37


ВВЕДЕНИЕ

У современной физики есть испытанное средство проникать в тайны атомного ядра — обстрелять его частицами или облучить и посмотреть, что с ним произойдет. Для самых первых исследований атома и его ядра хватало энергии излучений, возникающих при естественном распаде радиоактивных элементов. Но вскоре этой энергии оказалось недостаточно, и, чтобы еще глубже "заглянуть" в ядро, физикам пришлось задуматься над тем, как искусственно создать поток частиц высоких энергий.

Ускоритель частиц, установка, в которой с помощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию. В процессе ускорения повышаются скорости частиц, причем нередко до значений, близких к скорости света.

В современных ускорителях используются многочисленные и разнообразные виды техники: высокочастотные генераторы, быстродействующая электроника и системы автоматического регулирования, сложные приборы диагностики и управления, сверхвысоковакуумная аппаратура, мощные прецизионные магниты (как «обычные», так и криогенные) и сложные системы юстировки и крепления.

Первыми источниками излучений высокой энергии служили природные радиоактивные вещества. Но они давали исследователям лишь ограниченный набор частиц, интенсивностей и энергий.

Разработка ускорителей современного типа началась с 1944, когда физики В. И. Векслер и независимо от него (несколько позже) Э. М. Макмиллан открыли механизм автофазировки, действующий в резонансных ускорителях и позволяющий существенно повысить энергию ускоренных частиц. На основе этого принципа были предложены новые типы резонансных ускорителей — синхротрон, фазотрон, синхрофазотрон, микротрон. В это же время развитие радиотехники сделало возможным создание эффективных резонансных линейных ускорителей электронов и тяжёлых заряженных частиц.

В настоящее время существуют ускорители, позволяющие получать любые виды излучений с высокой энергией. Если, например, требуется рентгеновское или гамма-излучение, то ускорению подвергаются электроны, которые затем испускают фотоны в процессах тормозного или синхротронного излучения. Нейтроны генерируются при бомбардировке подходящей мишени интенсивным пучком протонов или дейтронов.

Современное развитие ускорителей идёт как по пути увеличения энергии ускоренных частиц, так и по пути наращивания интенсивности (силы тока) и длительности импульса ускоренного пучка, улучшения качества пучка (уменьшения разброса по энергии, поперечным координатам и скоростям). Параллельно с разработкой новых методов ускорения совершенствуются традиционные методы: исследуются возможности применения сверхпроводящих материалов (и соответствующей им техники низких температур) в магнитах и ускоряющих системах, позволяющих резко сократить размеры магнитных систем и энергетические расходы; расширяется область применения методов автоматического управления в ускорителях; ускорители дополняются накопительными кольцами, позволяющими исследовать элементарные взаимодействия во встречных пучках. При этом особое внимание уделяется уменьшению стоимости установок.

Расширяется значение ускорителей заряженных частиц различных диапазонов энергий в металлургии — для выявления дефектов деталей и конструкций (дефектоскопия), в деревообрабатывающей промышленности — для быстрой высококачественной обработки изделий, в пищевой промышленности — для стерилизации продуктов, в медицине — для лучевой терапии, для «бескровной хирургии» и в ряде других отраслей. Крупные же ускорители применяются главным образом в научных целях – для исследования субъядерных процессов и свойств элементарных частиц.


ГЛАВА 1. УСКОРИТЕЛИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ


Ускорители элементарных частиц – это сложные инженерные сооружения, которые позволяют физикам проникнуть глубоко внутрь пространства и исследовать свойства материи на очень коротких расстояниях, точно также как современные телескопы используются астрономами для изучения структуры Вселенной на возможно далёких расстояниях. [1] Это класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий.

Если новые ускорители «видят», что происходит на расстояниях в тысячи раз меньших размеров атомных ядер, телескопы видят почти всю Вселенную, которую свет покрывает за 14 миллиардов лет. [1]

Ускоритель элементарных частиц - установка, в которой с помощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию. В процессе ускорения повышаются скорости частиц, причем нередко до значений, близких к скорости света. [2]



    1. Элементарные частицы

Исторически термин элементарные частицы был введен для тех частиц, которые считались неделимыми и бесструктурными, и из которых построена вся материя.

В современной физике этот термин употребляется менее строго - для обозначения большой группы "мельчайших частичек материи", не являющихся атомами и атомными ядрами (единственным исключением является протон.)

В группу элементарных частиц помимо протона входят нейтрон, электрон, фотон, а также пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны , нейтрино трех типов (электронное, мюонное и - нейтрино), странные частицы (K - мезоны, гипероны ), огромное количество разнообразных резонансов, мезоны со скрытым очарованием (J/, ) и др. "очарованные" частицы, ипсилон-частицы (), "красивые" частицы, промежуточные векторные бозоны (W, Z0) - число таких частиц продолжает расти - (открыто 1000) и, скорее всего, неограниченно велико.

Информация об элементарных частицах получается либо в результате экспериментов с космическими лучами, либо с помощью построенных ускорителей. [3]

Атомная теория строения вещества показала, что не все в мире устроено так, как кажется на первый взгляд, и что сложности на одном уровне легко объясняются на следующем уровне детализации. На протяжении всего ХХ века, после открытия структуры атома (то есть после появления модели атома Бора), усилия ученых были сосредоточены на разгадке структуры атомного ядра.

Первоначально предполагалось, что в атомном ядре существует только два типа частиц — нейтроны и протоны. Однако, начиная с 1930-х годов, ученые все чаще стали получать экспериментальные результаты, необъяснимые в рамках классической модели Бора. Это навело ученых на мысль, что на самом деле ядро представляет собой динамичную систему разнообразных частиц, чье скоротечное образование, взаимодействие и распад играют ключевую роль в ядерных процессах. К началу 1950-х годов изучение этих элементарных, как их назвали, частиц вышло на передний край физической науки.

Основной метод изучения элементарных частиц состоит в том, что ядро-мишень бомбардируется мощным пучком протонов или электронов, а ученые ведут наблюдения за осколками ядра, образующимися в результате столкновений. Согласно теории относительности, кинетическая энергия быстрых частиц может быть преобразована в массу по знаменитой формуле E = mc2, так что новые виды частиц могут образовываться (и реально образуются) в изобилии.

Начиная с 1930-х годов ученые занимались изучением воздействия космических лучей на ядра-мишени. Космические лучи представляют собой потоки быстрых частиц (в основном протонов), образующиеся в результате различных процессов во Вселенной и постоянно изливаемые в земную атмосферу. Этим подарком природы в виде дождя частиц с высокими энергиями физики и не преминули воспользоваться. В 1950-е годы были разработаны и построены первые установки под названием «ускорители элементарных частиц», на которых стало возможным одним нажатием кнопки искусственно получать направленные, управляемые потоки быстрых частиц с высокими энергиями. За последующие десятилетия физикам удалось открыть более двухсот различных элементарных частиц.

За исключением протона и электрона все эти частицы нестабильны, то есть очень скоро распадаются на другие элементарные частицы (за пределами ядра быстрому распаду подвержен даже нейтрон). Однако для участия во внутриядерных процессах частице хватает и мизерного времени существования, достаточного для перемещения в пределах границ ядра. [4]



    1. Работа ускорителя

В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы. [5]

Как происходит любой эксперимент с элементарными частицами? Имеется пучок первичных частиц. Этот пучок частиц направляется на мишень. Мишенью служат ядра атомов какого-нибудь элемента.

Очень часто с этой целью используется водород, поскольку его ядра являются протонами. Первичные частицы, налетая на ядра мишени, взаимодействуют с ними и возникают различные ядерные реакции, в процессе которых могут рождаться и новые элементарные частицы. Продукты реакции, разлетаясь в разные стороны, регистрируются приборами, их траектории измеряются и на основе анализа этих и других измерений делаются заключения о свойствах как самой ядерной реакции, так и характеристиках вызвавшего ее взаимодействия, а также вывод о свойствах возникших в ходе реакции новых элементарных частиц. В общих чертах именно таким образом проходит любой эксперимент в лаборатории, имеющей дело с элементарными частицами. Поэтому как минимум необходим первичный пучок частиц, с которыми ведутся все последующие работы. Именно такие первичные пучки получаются на ускорителях элементарных частиц. [6]


      1. Действие электрического поля на заряженные частицы

Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Частица, ускоренная электрическим полем, многократно проходит по кольцу ускорителя, поскольку в кольце создано магнитное поле, заставляющее заряд двигаться по кругу; электрическое поле так меняется со временем, что периодически добавляет новые порции энергии к заряженной частице, а движение частиц происходит синхронно с изменением поля. Когда частицы в кольце набирают максимальную энергию, их выводят на мишень (рис.1). К настоящему времени научились ускорять электроны и протоны до очень больших энергий, во много раз превышающих массу покоя этих частиц. Напомним, что по теории относительности масса и энергия эквивалентны. В ускорителях эти частицы движутся почти со скоростью света и их движение происходит только по законам специальной теории относительности Эйнштейна, без знания которых невозможна работа никаких ускорителей. Большой вклад в создание принципов, по которым строятся ускорители, внес советский физик академик В. И. Векслер. [6]

В однородном электрическом поле движение заряженных частиц происходит с постоянным ускорением, в неоднородном – с переменным. Во всех случаях при отсутствии сил сопротивления энергия, приобретённая изначально покоящейся частицей, равна работе, совершённой силами поля:

 

1.jpg рис. 1



      1. Действие магнитного поля на заряженные частицы

Любая заряженная частица, движущаяся в магнитном поле, меняет свою скорость таким образом, что, не приобретая энергии, движется все время по кругу, если поле одинаково по силе и направлению на всем пути движения частицы. Этот важный факт обусловлен существованием, так называемой силы Лоренца, с которой магнитное поле действует на любой электрический заряд. Причем положительно и отрицательно заряженные частицы движутся в противоположных направлениях. Чем с большей скоростью пролетает заряженная частица в заданном поле и чем больше ее масса, тем труднее магнитному полю изменить ее траекторию и тем прямее эта траектория, т. е. такая частица движется по кругу с большим радиусом. С другой стороны, если Магнитное поле очень сильное, оно быстро меняет траекторию частицы. Следовательно, частица при той же скорости и массе движется по кругу с меньшим радиусом в более сильном магнитном поле.

Эти свойства движения зарядов в магнитном поле и используются во всех кольцевых ускорителях электронов и протонов. Само ускорение заряженных частиц происходит под воздействием ускоряющего электрического поля. [6]



    1. Классификация ускорителей



      1. Линейный ускоритель

В линейных ускорителях траектории ускоряемых частиц близки к прямым линиям. По всей длине таких ускорителей располагаются ускоряющие станции. Наибольший из работающих линейных ускоритель (электронный ускоритель в Стэнфорде) имеет длину 3,05 км (рис. 2). Линейные ускорители позволяют получить мощные потоки частиц, но при больших энергиях оказываются слишком дорогими. [7]


courtesy stanford linear accelerator center

(рис. 2) Стэнфордский линейный ускоритель (SLAC)


В линейном ускорителе (принципиальная схема которого приведена на рис. 3), ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. Линейные ускорители используются также и для получения высокоэнергичных пучков ионов и ядер. [3]


элементарные частицы. ускорители рис. 3

Виды линейных ускорителей

1) Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)- класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, электронов) высоких энергий. В основе работы высоковольтного ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим полем. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию.

Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество В. У. по сравнению с другими типами ускорителей — возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95 %) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше), что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.

Высоковольтные ускорители можно разделить на три группы по типу генераторов, создающих высокое напряжение:

  • Ускоритель Ван де Граафа. Ускоряющее напряжение создаётся генератором Ван де Граафа, основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. В современных модификациях (пеллетронах) лента заменена цепью. Максимальные электрические напряжения ~20 МВ определяют максимальную энергию частиц ~20 МэВ.

  • Каскадный ускоритель. Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором (например, генератором Кокрофта-Уолтона), который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение ~5 МВ, преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя.

  • Трансформаторный ускоритель. Высокое переменное напряжение создаёт высоковольтный трансформатор, а пучок проходит в нужной фазе вблизи максимума электрического поля.

  • Импульсный ускоритель. Высокое напряжение создаётся импульсным трансформатором при разряде большого количества конденсаторов. [7]

Конструкция ускорителей

Все типы высоковольтных ускорителей состоят из:

  • высоковольтного генератора – устройства, вырабатывающего высокое напряжения для ускорения электронов. Распространены двух типов: индукционные (конструктивно является повышающим трансформатором) и каскадно-емкостные (набор емкостей (конденсаторов) работающих по схеме удвоения напряжения);

  • источника электронов - устройства, предназначенное для эмиссии электронов;

  • ускоряющей трубки - устройства для ускорения электронов;

  • системы формирования и вывода пучка электронов - служит для вывода пучка электронов непосредственно в среду.


2) Линейный индукционный ускоритель - ускорение в таком типе машин происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферромагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка.


3) Линейный резонансный ускоритель

Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускорение происходит электрическим полем высокочастотных резонаторов. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени энергии частиц. [7]


Преимущества

Линейные ускорители имеют ряд преимуществ перед циклотронами при достижении сверхвысоких энергий. Поскольку в данном случае электроны не теряют энергию при полете по прямой, линейные ускорители разгоняют их до более высоких скоростей, а электронный поток лучше сфокусирован и точнее попадает в мишень. В Стенфордском университете (США) сконструирован линейный ускоритель длиной 2 мили, на котором электроны разгоняются до 45 ГэВ. [8]



      1. Циклический ускоритель

В циклических ускорителях «ведущее» магнитное поле изгибает траектории ускоряемых частиц, свёртывая их в окружности (кольцевые ускорители или синхротроны) или спирали (циклотроны, фазотроны, бетатроны и микротроны).

Вдоль всего кольца, в котором, движутся разгоняемые заряженные частицы и из которых откачан воздух, стоят электромагниты. Чем сильнее магнитное поле, тем более энергичные частицы могут быть удержаны внутри кольца (камеры). Разгоняются частицы при помощи электрического поля в ускоряющих промежутках, которые расположены вдоль кольца. [3] Такие ускорители содержат одно или несколько ускоряющих устройств, к которым частицы многократно возвращаются в течение ускорительного цикла. [7] В кольцевом ускорителе, где частица может многократно пролететь вдоль кольца, пока не наберет нужную энергию, электрическое поле может быть не очень сильным. (рис. 4)


c:\users\надюшка\documents\работа111\ciklotron.jpg

Виды циклических ускорителей

Деление осуществляется в зависимости от особенностей режимов ускорения :

  • если частота ускоряющего поля и ведущее магнитное поле постоянны во времени - «циклотрон»,

  • если магнитное поле нарастает во время цикла ускорения - «синхротрон»,

  • если при этом изменяется и частота ускоряющего поля - «синхрофазотрон».

В протонных ускорителях на очень высокие энергии к концу периода ускорения скорость частиц увеличивается настолько, что они обращаются по круговой орбите практически с постоянной частотой, поэтому синхрофазотроны для протонов высоких энергий называют «протонными синхротронами».

Бетатро́н — циклический ускоритель электронов с постоянной равновесной орбитой, ускорение в котором происходит с помощью вихревого электрического поля. (рис. 5)

Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в 1928 году, однако он не заработал. Первый надёжно функционирующий бетатрон был создан Д.В. Керстом лишь в 19401941 гг. в США, университет Иллинойса. Именно в бетатроне впервые были подробно изучены квазипериодические колебания, которые совершает частица, так называемые бетатронные колебания. Максимальная энергия, которую удалось достичь в бетатроне не превышает 300 МэВ.


http://ekimoff.ru/download/vniitf/bim.jpg рис. 5


Принцип работы

Классический бетатрон является слабофокусирующей машиной. Пучок циркулирует в тороидальной вакуумной камере, изготовленной из керамики, покрытой изнутри тонкой проводящей плёнкой, чтобы избежать накопления электрического заряда. Из выражения для силы Лоренца можно получить связь между импульсом частицы p, магнитным полем B на орбите пучка и радиусом кривизны ρ: pc = eBρ, где с — скорость света, e — заряд электрона. Величину называют жёсткостью частиц. При изменении магнитного поля можем записать выражение для электромагнитной индукции и закон Ньютона: \frac{dp}{dt} = \frac{1}{c}\frac{e}{2\pi\rho}\frac{\partial\phi}{\partial t}, откуда следует связь между ведущим полем на орбите пучка и потоком, охватываемым орбитой: ΔΦ = 2πρ2B, т.н. «закон 2:1». Поток, пронизывающий орбиту пучка, должен быть вдвое больше, чем если бы он создавался однородным магнитным полем, равным по величине ведущему. В противном случае, орбита в процессе ускорения не оставалась бы постоянной. Для выполнения упомянутого требования в бетатроне создаётся специальный железный сердечник.


Фазотрон, синхроциклотрон — циклический ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, дейтронов, ионов и др.), в котором магнитное поле однородно и постоянно во времени, а частота ускоряющего электрического поля меняется.


Принцип действия

Синхроциклотрон функционирует в режиме повторяющихся с определённой частотой интервалов ускорения. Частота ускоряющего электрического поля в рабочей части каждого интервала падает в соответствии с энергией частиц, а в конце интервала возвращается к своему начальному значению. Данный принцип отражён в названии ускорителя - синхроциклотрон.


Синхрофазотрон — резонансный циклический ускоритель с неизменной в процессе ускорения длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля. Последнее необходимо, чтобы пучок приходил в ускоряющую секцию всегда в фазе с высокочастотным электрическим полем. В том случае, если частицы ультрарелятивистские, частота обращения, при фиксированной длине орбиты, не меняется с ростом энергии, и частота ВЧ-генератора также должна оставаться постоянной. Такой ускоритель уже называется синхротроном.

В настоящее время под словом «синхрофазотрон», как правило, понимается конкретный ускоритель Синхрофазотрон ОИЯИ с энергией пучков протонов 10 ГэВ, сооружённый под руководством В.И. Векслера в Объединённом институте ядерных исследований в 1957 году.


Синхротро́н (от др.-греч. σύγχρονος — одновременный) — один из типов резонансных циклических ускорителей. Характеризуется тем, что в процессе ускорения частиц, орбита пучка остаётся постоянного радиуса, а ведущее магнитное поле поворотных магнитов, определяющее этот радиус, возрастает. Кроме того, остаётся постоянной частота ускоряющего электрического поля (в отличие от синхрофазотрона). Понятно, что для пучков ультрарелятивистских частиц период обращения определяется только длиной орбиты, и коль скоро она не изменяется, то нет необходимости изменять частоту электрического поля. Поэтому все резонансные циклические ускорители лёгких частиц (электронов и позитронов), а также высокоэнергетические протонные и ионные машины, такие как LHC и Тэватрон — это синхротроны. В синхротроне достигнуты энергии около 3.5 ТэВ для протонов (LHC) и более 100 ГэВ для электронов (LEP). Дальнейшее повышение энергии в электронных синхротронах, фактически, нереально вследствие огромных потерь энергии на излучение W~E4/R.


http://nuclphys.sinp.msu.ru/experiment/accelerators/images/lhc.jpg

Рис. 6. Фрагмент ускорительного кольца протонного синхротрона на энергию 7 ТэВ (ЦЕРН, Швейцария)