.jpg/1280px-KEK_Cockcroft-Walton_Accelerator_(1).jpg)
Электростатический ускоритель частиц — это ускоритель частиц , в котором заряженные частицы ускоряются до высокой энергии статическим высоковольтным потенциалом. Это контрастирует с другой основной категорией ускорителей частиц, ускорителями частиц с осциллирующим полем , в которых частицы ускоряются осциллирующими электрическими полями.
Благодаря своей более простой конструкции электростатические типы были первыми ускорителями частиц. Два наиболее распространенных типа — генератор Ван де Граафа, изобретенный Робертом Ван де Грааффом в 1929 году, и ускоритель Кокрофта-Уолтона, изобретенный Джоном Кокрофтом и Эрнестом Уолтоном в 1932 году. Максимальная энергия частиц, производимая электростатическими ускорителями, ограничена максимальным напряжением, которое может быть достигнуто машиной. Оно, в свою очередь, ограничено пробоем изоляции до нескольких мегавольт . Осциллирующие ускорители не имеют этого ограничения, поэтому они могут достигать более высоких энергий частиц, чем электростатические машины.
Преимущества электростатических ускорителей по сравнению с машинами с осциллирующим полем включают в себя более низкую стоимость, возможность производить непрерывные пучки и более высокие токи пучка, что делает их полезными для промышленности. Таким образом, они являются наиболее широко используемыми ускорителями частиц с промышленными применениями, такими как производство пластиковой термоусадочной пленки , рентгеновские аппараты высокой мощности , лучевая терапия в медицине, производство радиоизотопов , ионные имплантеры в производстве полупроводников и стерилизация. Во многих университетах по всему миру имеются электростатические ускорители для исследовательских целей. Высокоэнергетические ускорители с осциллирующим полем обычно включают электростатическую машину в качестве первой ступени для ускорения частиц до достаточно высокой скорости для ввода в основной ускоритель.
Электростатические ускорители имеют широкий спектр применения в науке и промышленности. В области фундаментальных исследований они используются для получения пучков атомных ядер для исследований при энергиях до нескольких сотен МэВ .
В промышленности и материаловедении они используются для получения ионных пучков для модификации материалов, включая ионную имплантацию и ионно-лучевое смешивание. Существует также ряд методов анализа материалов, основанных на электростатическом ускорении тяжелых ионов, включая спектрометрию обратного рассеяния Резерфорда (RBS), рентгеновское излучение, вызванное частицами (PIXE), масс-спектрометрию ускорителя (AMS), обнаружение упругой отдачи (ERD) и другие.
Хотя эти машины в основном ускоряют атомные ядра , существует ряд компактных машин, используемых для ускорения электронов в промышленных целях, включая стерилизацию медицинских инструментов, производство рентгеновских лучей и производство кремниевых пластин. [1]
Специальным применением электростатического ускорителя частиц являются пылевые ускорители, в которых электрически заряженные частицы пыли размером от нанометра до микрометра разгоняются до скоростей до 100 км/с. [2] Пылевые ускорители используются для изучения ударных кратеров, [3] калибровки детекторов ударной ионизации пыли, [4] и изучения метеоров. [5]
Используя высоковольтный терминал, поддерживаемый при статическом потенциале порядка миллионов вольт, можно ускорить заряженные частицы . Проще говоря, электростатический генератор — это по сути гигантский конденсатор (хотя и без пластин). Высокое напряжение достигается либо с помощью методов Кокрофта и Уолтона , либо Ван де Граафа , причем ускорители часто называют в честь этих изобретателей. Оригинальная конструкция Ван де Граафа помещает электроны на изолирующий лист или ленту с металлической гребенкой, а затем лист физически переносит иммобилизованные электроны на терминал. Несмотря на высокое напряжение, терминал является проводником, и внутри проводника есть соответствующая гребенка, которая может забирать электроны с листа; из-за закона Гаусса внутри проводника нет электрического поля, поэтому электроны не отталкиваются платформой, как только они оказываются внутри. Лента похожа по стилю на обычную конвейерную ленту , за одним важным исключением: она бесшовная. Таким образом, если ремень сломан, ускоритель должен быть разобран до некоторой степени, чтобы заменить ремень, что, из-за его постоянного вращения и того, что он обычно сделан из резины , не является особенно редким явлением. Практическая сложность с ремнями привела к другой среде для физической транспортировки зарядов: цепочке гранул. В отличие от обычной цепи, эта непроводящая от одного конца до другого, поскольку в ее конструкции используются как изоляторы, так и проводники. Эти типы ускорителей обычно называются Пеллетронами .
Как только платформа может быть электрически заряжена одним из вышеперечисленных способов, на платформе в конце линии пучка размещается некоторый источник положительных ионов , поэтому она называется терминалом. Однако, поскольку источник ионов поддерживается при высоком потенциале, к нему невозможно получить прямой доступ для управления или обслуживания. Таким образом, такие методы, как пластиковые стержни, соединенные с различными рычагами внутри терминала, могут разветвляться и переключаться дистанционно. Опуская практические проблемы, если платформа заряжена положительно, она будет отталкивать ионы той же электрической полярности, ускоряя их. Поскольку E = qV, где E — возникающая энергия, q — ионный заряд, а V — напряжение на терминале, максимальная энергия частиц, ускоренных таким образом, практически ограничена пределом разряда платформы высокого напряжения, около 12 МВ в условиях окружающей атмосферы. Этот предел можно увеличить, например, поместив платформу HV в резервуар с изолирующим газом с более высокой диэлектрической проницаемостью , чем у воздуха, например, SF6 , диэлектрическая проницаемость которого примерно в 2,5 раза больше, чем у воздуха. Однако даже в резервуаре с SF6 максимально достижимое напряжение составляет около 30 МВ. Могут быть и другие газы с еще лучшими изолирующими свойствами, но SF6 также химически инертен и нетоксичен . Чтобы еще больше увеличить максимальную энергию ускорения, была изобретена концепция тандема , позволяющая использовать одно и то же высокое напряжение дважды.
Традиционно положительно заряженные ионы ускоряются, потому что это полярность атомного ядра. Однако, если кто-то хочет использовать один и тот же статический электрический потенциал дважды для ускорения ионов , то полярность заряда ионов должна измениться с анионов на катионы или наоборот, пока они находятся внутри проводника, где они не будут чувствовать никакой электрической силы. Оказывается, просто удалить или отобрать электроны у энергичного иона. Одним из свойств взаимодействия ионов с веществом является обмен электронами, что является способом, которым ион может терять энергию, отдавая ее в вещество, чего мы интуитивно должны ожидать от снаряда, выпущенного в твердое тело. Однако, по мере того, как цель становится тоньше или снаряд становится более энергичным, количество энергии, отложенной в фольге, становится все меньше и меньше.
Тандемы располагают источник ионов снаружи терминала, что означает, что доступ к источнику ионов, когда терминал находится под высоким напряжением, значительно менее сложен, особенно если терминал находится внутри газового баллона. Таким образом, пучок анионов из источника распыляющих ионов инжектируется с платформы с относительно низким напряжением в направлении высоковольтного терминала. Внутри терминала пучок падает на тонкую фольгу (порядка микрограммов на квадратный сантиметр), часто углеродную или бериллиевую , отрывая электроны от пучка ионов, так что они становятся катионами. Поскольку трудно сделать анионы с зарядовым состоянием более -1, то энергия частиц, выходящих из тандема, равна E=(q+1)V, где мы добавили второй потенциал ускорения от этого аниона к положительному зарядовому состоянию q, выходящему из фольги-стриппера; мы добавляем эти разные знаки заряда вместе, потому что мы увеличиваем энергию ядра в каждой фазе. В этом смысле мы ясно видим, что тандем может удвоить максимальную энергию протонного пучка, максимальный заряд которого составляет всего лишь +1, но преимущество, получаемое тандемом, имеет убывающую отдачу по мере увеличения массы, например, можно легко получить зарядовое состояние 6+ кремниевого пучка .
Невозможно легко превратить каждый элемент в анион, поэтому тандемы очень редко ускоряют какие-либо благородные газы тяжелее гелия , хотя KrF − и XeF − были успешно получены и ускорены с помощью тандема. [6] Однако не редкость создавать соединения для получения анионов, и TiH 2 может быть извлечен как TiH − и использован для получения протонного пучка, потому что эти простые и часто слабо связанные химикаты будут распадаться на фольге концевого стриппера. Производство анионных ионно-ионных пучков было основным предметом изучения для применения тандемных ускорителей, и можно найти рецепты и выходы для большинства элементов в кулинарной книге отрицательных ионов. [7] Тандемы также могут работать в терминальном режиме, где они функционируют как односторонний электростатический ускоритель, что является более распространенным и практичным способом создания пучков благородных газов.
Название «тандем» происходит от этого двойного использования одного и того же высокого напряжения, хотя тандемы могут также называться в том же стиле, что и обычные электростатические ускорители, в зависимости от метода зарядки терминала.
MP Tandem van de Graaff — это тип тандемного ускорителя. Десять таких ускорителей были установлены в 20 веке: шесть в Северной Америке [8] и четыре в Европе. [9]
Один трюк, который необходимо учитывать при работе с электростатическими ускорителями, заключается в том, что обычно вакуумные линии пучка сделаны из стали. Однако невозможно очень хорошо соединить проводящую трубу из стали от высоковольтного терминала к земле. Таким образом, множество колец из прочного стекла, такого как Pyrex , собираются вместе таким образом, что их интерфейс представляет собой вакуумное уплотнение, как медная прокладка ; одна длинная стеклянная трубка может взорваться под действием вакуума или сломаться, выдерживая собственный вес. Важно для физики, что эти разнесенные проводящие кольца помогают создать более однородное электрическое поле вдоль ускоряющей колонны. Эта линия пучка стеклянных колец просто поддерживается сжатием на обоих концах терминала. Поскольку стекло непроводящее, его можно поддерживать с земли, но такие опоры около терминала могут вызвать разряд терминала, в зависимости от конструкции. Иногда сжатия недостаточно, и весь канал пучка может разрушиться и разбиться. Эта идея особенно важна для проектирования тандемов, потому что они, естественно, имеют более длинные линии пучка, и линия пучка должна проходить через терминал.
Чаще всего электростатические ускорители располагаются в горизонтальную линию. Однако некоторые тандемы могут иметь форму буквы «U», и в принципе пучок можно повернуть в любом направлении с помощью магнитного диполя на терминале. Некоторые электростатические ускорители располагаются вертикально, где либо источник ионов, либо, в случае вертикального тандема в форме буквы «U», терминал находится наверху башни. Башенная компоновка может быть способом экономии пространства, а также линия пучка, соединяющаяся с терминалом, сделанным из стеклянных колец, может использовать некоторое преимущество гравитации как естественного источника сжатия.
В одностороннем электростатическом ускорителе заряженная частица ускоряется посредством единственной разности потенциалов между двумя электродами, поэтому выходная энергия частицы равна заряду частицы, умноженному на ускоряющее напряжение.
В тандемном ускорителе частица ускоряется дважды одним и тем же напряжением, поэтому выходная энергия равна , так как форма аниона однократно заряжена. Если заряд выражен в условных единицах кулонах , а потенциал в вольтах, энергия частицы будет выражена в джоулях . Однако, поскольку заряд элементарных частиц очень мал (заряд электрона равен 1,6x10−19 кулонов ), энергия в джоулях — очень малое число.
Поскольку все элементарные частицы имеют заряды, кратные элементарному заряду электрона, кулонам, физики частиц используют другую единицу для выражения энергии частиц, электрон-вольт (эВ), что упрощает расчеты. Электрон-вольт равен энергии, которую частица с зарядом 1 е приобретает, проходя через разность потенциалов в один вольт. В приведенном выше уравнении, если измеряется в элементарных зарядах е и находится в вольтах, энергия частицы дается в эВ. Например, если альфа-частица с зарядом 2 е ускоряется через разность напряжений в один миллион вольт (1 МВ), она будет иметь энергию в два миллиона электрон-вольт, сокращенно 2 МэВ. Ускоряющее напряжение на электростатических машинах находится в диапазоне от 0,1 до 25 МВ, а заряд частиц составляет несколько элементарных зарядов, поэтому энергия частицы находится в диапазоне низких МэВ. Более мощные ускорители могут вырабатывать энергию в диапазоне гигаэлектрон-вольт (ГэВ).
