Бөлшектердің үдеткіші – жарыққа жақын жылдамдықпен қозғалатын электр заряды бар атомдық немесе субатомдық бөлшектер шоғын жасайтын құрылғы. Оның жұмысы олардың энергиясының электр өрісінің күшеюіне және траекториясының магниттік өзгеруіне негізделген.
Бөлшектердің үдеткіштері не үшін қажет?
Бұл құрылғылар ғылым мен өндірістің әртүрлі салаларында кеңінен қолданылады. Бүгінде дүние жүзінде олардың 30 мыңнан астамы бар. Физик үшін бөлшектердің үдеткіштері атомдардың құрылымын, ядролық күштердің табиғатын және табиғатта кездеспейтін ядролардың қасиеттерін іргелі зерттеу құралы ретінде қызмет етеді. Соңғысына трансуран және басқа тұрақсыз элементтер кіреді.
Разрядты түтіктің көмегімен меншікті зарядты анықтау мүмкін болды. Бөлшектердің үдеткіштері сонымен қатар радиоизотоптарды өндіруде, өнеркәсіптік рентгенографияда, сәулелік терапияда, биологиялық материалдарды зарарсыздандыруда және радиокөміртекті өңдеуде қолданылады.талдау. Ең үлкен қондырғылар іргелі өзара әрекеттесулерді зерттеуде пайдаланылады.
Тыныштық күйдегі зарядталған бөлшектердің үдеткішке қатысты өмір сүру уақыты жарық жылдамдығына жақын жылдамдыққа дейін үдетілген бөлшектерге қарағанда аз. Бұл SRT уақыт интервалдарының салыстырмалылығын растайды. Мысалы, CERN-де 0,9994c жылдамдықпен мюондардың өмір сүру ұзақтығын 29 есе арттыруға қол жеткізілді.
Бұл мақалада бөлшектердің үдеткіші қалай жұмыс істейтіні, оның дамуы, әр түрлі түрлері мен айрықша ерекшеліктері қарастырылады.
Үлдету принциптері
Бөлшектердің қандай үдеткіштерін білетініңізге қарамастан, олардың барлығында ортақ элементтер бар. Біріншіден, олардың барлығында телевизиялық кинескоп жағдайында электрондар көзі немесе үлкенірек қондырғылар жағдайында электрондар, протондар және олардың антибөлшектері болуы керек. Сонымен қатар, олардың барлығында бөлшектерді жеделдету үшін электр өрістері және олардың траекториясын басқару үшін магнит өрістері болуы керек. Сонымен қатар, бөлшектердің үдеткішіндегі вакуум (10-11 мм сын. бағ.), яғни қалдық ауаның ең аз мөлшері арқалықтардың ұзақ қызмет ету мерзімін қамтамасыз ету үшін қажет. Соңында, барлық қондырғыларда үдетілген бөлшектерді тіркеу, санау және өлшеу құралдары болуы керек.
Ұрпақ
Үдеткіштерде жиі қолданылатын электрондар мен протондар барлық материалдарда кездеседі, бірақ алдымен олардан оқшаулану керек. Әдетте электрондар жасаладыкинескоптағы сияқты - «мылтық» деп аталатын құрылғыда. Бұл вакуумдағы катод (теріс электрод), ол электрондар атомдардан ажырай бастағанға дейін қызады. Теріс зарядталған бөлшектер анодқа (оң электрод) тартылып, розеткадан өтеді. Мылтықтың өзі де ең қарапайым үдеткіш болып табылады, өйткені электрондар электр өрісінің әсерінен қозғалады. Катод пен анод арасындағы кернеу әдетте 50-150 кВ арасында болады.
Электрондардан басқа барлық материалдарда протондар болады, бірақ сутегі атомдарының ядролары ғана жалғыз протондардан тұрады. Сондықтан протонды үдеткіштер үшін бөлшектердің көзі газ тәрізді сутегі болып табылады. Бұл жағдайда газ иондалады және протондар тесік арқылы шығады. Үлкен үдеткіштерде протондар көбінесе теріс сутегі иондары түрінде шығарылады. Олар екі атомды газдың иондануының өнімі болып табылатын қосымша электроны бар атомдар. Теріс зарядталған сутегі иондарымен бастапқы кезеңдерінде жұмыс істеу оңайырақ. Содан кейін олар жеделдетудің соңғы кезеңіне дейін электрондардан айыратын жұқа фольгадан өтеді.
Жеделдету
Бөлшектердің үдеткіштері қалай жұмыс істейді? Олардың кез келгенінің негізгі ерекшелігі - электр өрісі. Ең қарапайым мысал - электр батареясының терминалдары арасында болатынға ұқсас оң және теріс электрлік потенциалдар арасындағы біркелкі статикалық өріс. Мұндайдаөріс, теріс заряды бар электрон оны оң потенциалға бағыттайтын күшке бағынады. Ол оны тездетеді, егер бұған кедергі болатын ештеңе болмаса, оның жылдамдығы мен энергиясы артады. Сымда немесе тіпті ауада оң потенциалға қарай қозғалатын электрондар атомдармен соқтығысады және энергияны жоғалтады, бірақ олар вакуумда болса, олар анодқа жақындаған сайын үдей түседі.
Электронның бастапқы және соңғы орны арасындағы кернеу оның алған энергиясын анықтайды. 1 В потенциалдар айырымы арқылы қозғалғанда ол 1 электрон вольтке (эВ) тең болады. Бұл 1,6 × 10-19 джоульге тең. Ұшатын масаның энергиясы триллион есе көп. Кинескопта электрондар 10 кВ жоғары кернеумен үдетіледі. Көптеген үдеткіштер мега-, гига- және тераэлектронвольттермен өлшенетін әлдеқайда жоғары энергияға қол жеткізеді.
Сұрттар
Кернеу көбейткіші және Ван де Граф генераторы сияқты бөлшектерді үдеткіштердің ең ерте түрлерінің кейбірі миллион вольтке дейінгі потенциалдар тудыратын тұрақты электр өрістерін пайдаланды. Мұндай жоғары кернеумен жұмыс істеу оңай емес. Неғұрлым практикалық балама - төмен потенциалдар тудыратын әлсіз электр өрістерінің қайталанатын әрекеті. Бұл принцип қазіргі үдеткіштердің екі түрі – сызықтық және циклдік (негізінен циклотрондар мен синхротрондарда) қолданылады. Сызықтық бөлшектер үдеткіштері, қысқаша айтқанда, оларды реттілік арқылы бір рет өткізедіүдеткіш өрістер, ал циклдік өрісте олар салыстырмалы түрде шағын электр өрістері арқылы айналмалы жол бойымен қайта-қайта қозғалады. Екі жағдайда да бөлшектердің соңғы энергиясы өрістердің біріккен әсеріне байланысты, сондықтан көптеген ұсақ «соққылар» қосылып, бір үлкеннің бірлескен әсерін береді.
Электр өрістерін құру үшін сызықтық үдеткіштің қайталанатын құрылымы тұрақты кернеуден гөрі айнымалы токты пайдалануды қамтиды. Оң зарядталған бөлшектер теріс потенциалға қарай үдетіліп, оңнан өтіп кетсе, жаңа серпін алады. Іс жүзінде кернеу өте тез өзгеруі керек. Мысалы, 1 МэВ энергияда протон жарық жылдамдығынан 0,46 өте жоғары жылдамдықпен қозғалады, 0,01 мс-те 1,4 м жол жүреді. Бұл ұзындығы бірнеше метрлік қайталанатын үлгіде электр өрістері кем дегенде 100 МГц жиілікте бағытты өзгертуі керек дегенді білдіреді. Зарядталған бөлшектердің сызықтық және циклдік үдеткіштері, әдетте, 100-ден 3000 МГц-ке дейінгі, яғни радиотолқындардан микротолқындарға дейінгі айнымалы электр өрістерін пайдалана отырып, оларды жеделдетеді.
Электромагниттік толқын - бір-біріне перпендикуляр тербелетін айнымалы электр және магнит өрістерінің қосындысы. Үдеткіштің негізгі нүктесі толқынды бөлшек келген кезде электр өрісі үдеу векторына сәйкес бағытталатындай етіп реттеу болып табылады. Мұны тұрақты толқынмен жасауға болады - тұйық циклде қарама-қарсы бағытта қозғалатын толқындардың комбинациясы.орган құбырындағы дыбыс толқындары сияқты кеңістік. Жарық жылдамдығына жақындаған өте жылдам қозғалатын электрондар үшін балама – қозғалатын толқын.
Автофазалау
Айнымалы электр өрісінде үдеу кезіндегі маңызды әсер «автофазалау» болып табылады. Тербелістің бір циклінде айнымалы өріс нөлден максималды мәнге қайтадан нөлге өтеді, минимумға дейін төмендейді және нөлге дейін көтеріледі. Осылайша ол екі рет жылдамдату үшін қажетті мәннен өтеді. Егер үдеткіш бөлшек тым ерте келсе, онда оған жеткілікті күш өрісі әсер етпейді, ал итеру әлсіз болады. Ол келесі бөлімге жеткенде, ол кешігіп қалады және күшті әсерге ие болады. Нәтижесінде автофазалау орын алады, бөлшектер әрбір жеделдету аймағындағы өріспен фазада болады. Тағы бір әсер - оларды үздіксіз ағынмен емес, уақыт өте топтамалармен біріктіру.
Сәуле бағыты
Магниттік өрістер зарядталған бөлшектердің үдеткішінің жұмысында да маңызды рөл атқарады, өйткені олар қозғалыс бағытын өзгерте алады. Бұл олардың бірдей жеделдету учаскесі арқылы бірнеше рет өтуі үшін дөңгелек жол бойымен арқалықтарды «бүгу» үшін пайдаланылуы мүмкін дегенді білдіреді. Ең қарапайым жағдайда біртекті магнит өрісінің бағытына тік бұрыш жасап қозғалатын зарядталған бөлшек күшке ұшырайды.оның орын ауыстыру векторына да, өріске де перпендикуляр. Бұл сәуленің әсер ету аймағынан шыққанша немесе оған басқа күш әсер ете бастағанша өріске перпендикуляр дөңгелек траектория бойымен қозғалады. Бұл әсер циклотрон және синхротрон сияқты циклдік үдеткіштерде қолданылады. Циклотронда үлкен магнит тұрақты өрісті тудырады. Бөлшектер энергиясы өскен сайын сыртқа қарай бұралып, әр айналым сайын үдей түседі. Синхротронда шоғырлар тұрақты радиусы бар сақинаның айналасында қозғалады, ал сақина айналасындағы электромагниттердің жасаған өрісі бөлшектердің үдеуіне қарай артады. "Иілу" магниттері солтүстік және оңтүстік полюстері арқалық олардың арасынан өтуі үшін тақа тәрізді иілген дипольдар болып табылады.
Электромагниттердің екінші маңызды қызметі - сәулелерді мүмкіндігінше тар және қарқынды болатындай етіп шоғырландыру. Фокустау магнитінің қарапайым түрі бір-біріне қарама-қарсы орналасқан төрт полюсі (екі солтүстік және екі оңтүстік). Олар бөлшектерді бір бағытта орталыққа қарай итереді, бірақ олардың перпендикуляр бағытта таралуына мүмкіндік береді. Төрт полюсті магниттер сәулені көлденең бағытта бағыттайды, бұл оның фокустан тігінен шығуына мүмкіндік береді. Ол үшін олар жұпта қолданылуы керек. Дәлірек фокустау үшін полюсі көп (6 және 8) күрделірек магниттер де пайдаланылады.
Бөлшектердің энергиясы ұлғайған сайын оларды бағыттайтын магнит өрісінің күші артады. Бұл сәулені сол жолда ұстайды. Қан ұйығышын сақинаға енгізеді және оны тездетедіоны алып тастау және эксперименттерде пайдалану үшін қажетті энергия. Тартуға бөлшектерді синхротрон сақинасынан шығару үшін қосылатын электромагниттер арқылы қол жеткізіледі.
Соқтығыс
Медицина мен өнеркәсіпте қолданылатын бөлшектердің үдеткіштері негізінен сәулелік терапия немесе ион имплантациясы сияқты белгілі бір мақсат үшін сәуле шығарады. Бұл бөлшектердің бір рет қолданылатынын білдіреді. Көптеген жылдар бойы іргелі зерттеулерде қолданылған үдеткіштерге де солай болды. Бірақ 1970 жылдары екі сәуле қарама-қарсы бағытта айналатын және бүкіл контур бойымен соқтығысатын сақиналар әзірленді. Мұндай қондырғылардың басты артықшылығы - бетпе-бет соқтығысқан кезде бөлшектердің энергиясы олардың арасындағы өзара әрекеттесу энергиясына тікелей түседі. Бұл сәуленің тыныштықтағы материалмен соқтығысуы кезінде болатын жағдайға қарама-қайшы келеді: бұл жағдайда энергияның көп бөлігі импульстің сақталу принципіне сәйкес мақсатты материалды қозғалысқа келтіруге жұмсалады.
Кейбір соқтығысатын сәулелік машиналар бір типті бөлшектер қарама-қарсы бағытта айналатын екі немесе одан да көп жерде қиылысатын екі сақинамен жасалған. Бөлшектер мен антибөлшектері бар коллайдерлер жиі кездеседі. Антибөлшек өзінің байланысқан бөлшектеріне қарама-қарсы зарядқа ие. Мысалы, позитрон оң зарядталған, ал электрон теріс зарядталған. Бұл электронды үдететін өріс позитронды баяулатады дегенді білдіреді,бір бағытта қозғалады. Бірақ егер соңғысы қарама-қарсы бағытта қозғалса, ол жылдамдайды. Сол сияқты магнит өрісі арқылы қозғалатын электрон солға, ал позитрон оңға иіледі. Бірақ егер позитрон оған қарай жылжитын болса, онда оның жолы әлі де оңға, бірақ электрон сияқты қисық бойымен ауытқиды. Бұл бірге бұл бөлшектер бірдей магниттердің арқасында синхротрондық сақина бойымен қозғала алатынын және қарама-қарсы бағытта бірдей электр өрістерімен үдетілетінін білдіреді. Соқтығысқан сәулелердегі ең қуатты коллайдерлердің көпшілігі осы принципке сәйкес жасалған, өйткені бір ғана үдеткіш сақина қажет.
Синхротрондағы сәуле үздіксіз қозғалмайды, бірақ «түйінділерге» біріктіріледі. Олардың ұзындығы бірнеше сантиметр және диаметрі миллиметрдің оннан бір бөлігі болуы мүмкін және құрамында шамамен 1012 бөлшектер болады. Бұл шағын тығыздық, өйткені мұндай көлемдегі заттың құрамында шамамен 1023 атом бар. Сондықтан, сәулелер келе жатқан сәулелермен қиылысқан кезде, бөлшектердің бір-бірімен әсерлесу мүмкіндігі аз ғана болады. Іс жүзінде шоқтар сақина бойымен қозғалып, қайтадан кездеседі. Бөлшектердің үдеткішіндегі терең вакуум (10-11 мм сынап бағанасы) бөлшектер ауа молекулаларымен соқтығыспай көп сағат бойы айналуы үшін қажет. Сондықтан сақиналарды жинақтаушы деп те атайды, өйткені байламдар шын мәнінде оларда бірнеше сағат бойы сақталады.
Тіркелу
Бөлшектерді үдеткіштер көбінесе қашан болатынын тіркей аладыбөлшектер нысанаға немесе қарама-қарсы бағытта қозғалатын басқа сәулеге тигенде. Телевизиялық кинескопта мылтықтағы электрондар экранның ішкі бетіндегі люминофорға соғылып, жарық шығарады, осылайша жіберілген кескінді қайта жасайды. Үдеткіштерде мұндай мамандандырылған детекторлар шашыраңқы бөлшектерге жауап береді, бірақ олар әдетте компьютерлік деректерге түрлендіруге және компьютерлік бағдарламалардың көмегімен талдауға болатын электр сигналдарын жасауға арналған. Тек зарядталған элементтер материал арқылы, мысалы, қоздырғыш немесе иондаушы атомдар арқылы өту арқылы электр сигналдарын жасайды және оларды тікелей анықтауға болады. Нейтрондар немесе фотондар сияқты бейтарап бөлшектерді олар қозғалысқа келтіретін зарядталған бөлшектердің әрекеті арқылы жанама түрде анықтауға болады.
Көптеген арнайы детекторлар бар. Олардың кейбіреулері, мысалы, Гейгер есептегіші, жай бөлшектерді санайды, ал басқалары, мысалы, жолдарды жазу, жылдамдықты өлшеу немесе энергия мөлшерін өлшеу үшін қолданылады. Заманауи детекторлардың өлшемдері мен технологиясы шағын зарядталған құрылғылардан зарядталған бөлшектерден жасалған иондалған жолдарды анықтайтын сым толтырылған газ толтырылған үлкен камераларға дейін әртүрлі.
Тарих
Бөлшектердің үдеткіштері негізінен атом ядролары мен элементар бөлшектердің қасиеттерін зерттеу үшін жасалған. 1919 жылы ағылшын физигі Эрнест Резерфорд азот ядросы мен альфа-бөлшек арасындағы реакцияны ашқаннан бастап ядролық физикадағы барлық зерттеулерге дейін1932 жыл табиғи радиоактивті элементтердің ыдырауынан босатылған гелий ядроларымен өтті. Табиғи альфа-бөлшектердің кинетикалық энергиясы 8 МэВ, бірақ Резерфорд ауыр ядролардың ыдырауын бақылау үшін оларды жасанды түрде одан да үлкен мәндерге дейін жеделдету керек деп есептеді. Ол кезде қиын болып көрінетін. Дегенмен, 1928 жылы Георгий Гамов (Геттинген университетінде, Германия) жасаған есептеу энергиясы әлдеқайда төмен иондарды қолдануға болатынын көрсетті және бұл ядролық зерттеулер үшін жеткілікті сәулені қамтамасыз ететін нысанды салу әрекеттерін ынталандырды.
Осы кезеңдегі басқа оқиғалар бүгінгі күнге дейін бөлшектердің үдеткіштері құрастырылған принциптерді көрсетті. Жасанды жеделдетілген иондармен алғашқы сәтті тәжірибелерді 1932 жылы Кембридж университетінде Кокрофт пен Уолтон жүргізді. Кернеу көбейткішін қолдана отырып, олар протондарды 710 кВ-қа дейін жеделдетіп, соңғысының литий ядросымен әрекеттесіп, екі альфа-бөлшек түзетінін көрсетті. 1931 жылы Нью-Джерсидегі Принстон университетінде Роберт ван де Графф бірінші жоғары потенциалды белдік электростатикалық генераторды құрастырды. Кокрофт-Уолтон кернеуінің көбейткіштері мен Ван де Граф генераторлары әлі де үдеткіштер үшін қуат көзі ретінде пайдаланылады.
Сызықтық резонанстық үдеткіштің принципін 1928 жылы Рольф Видерё көрсетті. Германияның Ахен қаласындағы Рейн-Вестфал технологиялық университетінде ол натрий мен калий иондарын энергияға екі есе жылдамдату үшін жоғары айнымалы кернеуді пайдаланды.олар мәлімдегеннен асып түседі. 1931 жылы Америка Құрама Штаттарында Эрнест Лоуренс және оның көмекшісі Дэвид Слоан Калифорния университетінің Беркли жоғары жиілікті өрістерді сынап иондарын 1,2 МэВ-тан асатын энергияға дейін жеделдету үшін пайдаланды. Бұл жұмыс Wideröe ауыр бөлшектердің үдеткішін толықтырды, бірақ иондық сәулелер ядролық зерттеулерде пайдалы болмады.
Магниттік резонанстық үдеткішті немесе циклотронды Лоуренс Wideröe қондырғысының модификациясы ретінде ойластырған. Лоуренс Ливингстонның шәкірті циклотронның принципін 1931 жылы 80 кВ иондарын алу арқылы көрсетті. 1932 жылы Лоуренс пен Ливингстон протондардың 1 МэВ-тан жоғары үдеуін жариялады. Кейінірек 1930 жылдары циклотрондардың энергиясы шамамен 25 МэВ, ал Ван-де Граф генераторларының энергиясы шамамен 4 МэВ-ке жетті. 1940 жылы Дональд Керст мұқият орбиталық есептеулердің нәтижелерін магниттердің дизайнына қолдана отырып, Иллинойс университетінде бірінші бетатронды, магниттік индукциялық электрондарды үдеткішті құрастырды.
Қазіргі физика: бөлшектердің үдеткіштері
Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін бөлшектерді жоғары энергияға дейін жеделдету ғылымы қарқынды дамыды. Оны Берклиде Эдвин Макмиллан және Мәскеуде Владимир Векслер бастады. 1945 жылы екеуі де фазалық тұрақтылық принципін дербес сипаттады. Бұл концепция протондардың энергиясына шектеуді алып тастайтын және электрондар үшін магниттік-резонансты үдеткіштерді (синкротрондарды) жасауға мүмкіндік беретін циклдік үдеткіште бөлшектердің тұрақты орбиталарын ұстау құралын ұсынады. Автофаза, фазалық тұрақтылық принципін жүзеге асыру құрылыс аяқталғаннан кейін расталдыКалифорния университетіндегі шағын синхроциклотрон және Англиядағы синхротрон. Көп ұзамай бірінші протонды сызықтық резонанстық үдеткіш құрылды. Бұл принцип содан бері жасалған барлық үлкен протон синхротрондарында қолданылған.
1947 жылы Калифорниядағы Стэнфорд университетінде Уильям Хансен Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде радар үшін әзірленген микротолқынды технологияны пайдаланып, бірінші сызықты қозғалатын толқынды электронды үдеткішті құрастырды.
Зерттеудегі прогресс протондардың энергиясын арттыру арқылы мүмкін болды, бұл барған сайын үлкен үдеткіштердің құрылысына әкелді. Бұл тенденция үлкен сақина магниттерін жасаудың жоғары құнына байланысты тоқтатылды. Ең үлкенінің салмағы шамамен 40 000 тонна. Машиналардың көлемін ұлғайтпай энергияны ұлғайту жолдарын 1952 жылы Ливингстон, Курант және Снайдер ауыспалы фокустау техникасында (кейде күшті фокус деп те атайды) көрсетті. Осы принципке негізделген синхротрондар бұрынғыдан 100 есе кіші магниттерді пайдаланады. Мұндай фокустау барлық заманауи синхротрондарда қолданылады.
1956 жылы Керст бөлшектердің екі жиынтығы қиылысатын орбиталарда ұсталса, олардың соқтығысуы байқалатынын түсінді. Бұл идеяны қолдану сақтау деп аталатын циклдарда жеделдетілген сәулелердің жинақталуын талап етті. Бұл технология бөлшектердің максималды өзара әрекеттесу энергиясына қол жеткізуге мүмкіндік берді.
