Ускоритель частиц — это машина, которая использует электромагнитные поля для разгона заряженных частиц до очень высоких скоростей и энергий, чтобы удерживать их в четко определенных пучках . [1] [2] Небольшие ускорители используются для фундаментальных исследований в области физики элементарных частиц . Ускорители также используются в качестве источников синхротронного света для изучения физики конденсированных сред . Небольшие ускорители частиц используются в самых разных приложениях, включая терапию частицами в онкологических целях, производство радиоизотопов для медицинской диагностики, ионные имплантеры для производства полупроводников и ускорительные масс-спектрометры для измерения редких изотопов, таких как радиоуглерод .
Крупные ускорители включают в себя релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке и крупнейший ускоритель, Большой адронный коллайдер около Женевы, Швейцария, эксплуатируемый ЦЕРН . Это ускоритель -коллайдер , который может разогнать два пучка протонов до энергии 6,5 ТэВ и заставить их столкнуться лоб в лоб, создавая энергию центра масс 13 ТэВ. В мире эксплуатируется более 30 000 ускорителей. [3] [4]
Существует два основных класса ускорителей: электростатические и электродинамические (или электромагнитные) ускорители. [5] Электростатические ускорители частиц используют статические электрические поля для ускорения частиц. Наиболее распространенными типами являются генератор Кокрофта-Уолтона и генератор Ван де Граафа . Небольшим примером этого класса является электронно-лучевая трубка в обычном старом телевизоре. Достижимая кинетическая энергия для частиц в этих устройствах определяется ускоряющим напряжением , которое ограничивается электрическим пробоем . Электродинамические или электромагнитные ускорители, с другой стороны, используют изменяющиеся электромагнитные поля (либо магнитную индукцию , либо осциллирующие радиочастотные поля) для ускорения частиц. Поскольку в этих типах частицы могут проходить через одно и то же ускоряющее поле несколько раз, выходная энергия не ограничивается силой ускоряющего поля. Этот класс, который был впервые разработан в 1920-х годах, является основой для большинства современных крупномасштабных ускорителей.
Рольф Видероэ , Густав Изинг , Лео Силард , Макс Стенбек и Эрнест Лоуренс считаются пионерами этой области, задумавшими и построившими первый действующий линейный ускоритель частиц , [6] бетатрон , а также циклотрон . Поскольку целью пучков частиц ранних ускорителей обычно были атомы куска материи, а целью было создание столкновений с их ядрами для исследования ядерной структуры, в 20 веке ускорители обычно называли атомными разрушителями . [7] Этот термин сохраняется, несмотря на то, что многие современные ускорители создают столкновения между двумя субатомными частицами , а не между частицей и атомным ядром. [8] [9] [10]
Пучки частиц высокой энергии полезны для фундаментальных и прикладных исследований в науке, а также во многих технических и промышленных областях, не связанных с фундаментальными исследованиями. [11] В мире насчитывается около 30 000 ускорителей; из них только около 1% являются исследовательскими машинами с энергией выше 1 ГэВ , в то время как около 44% предназначены для радиотерапии , 41% для ионной имплантации , 9% для промышленной обработки и исследований и 4% для биомедицинских и других низкоэнергетических исследований. [12]
Для самых основных исследований динамики и структуры материи, пространства и времени физики ищут простейшие виды взаимодействий при максимально возможных энергиях. Обычно они подразумевают энергии частиц во много ГэВ и взаимодействия простейших видов частиц: лептонов (например, электронов и позитронов ) и кварков для материи или фотонов и глюонов для квантов поля . Поскольку изолированные кварки экспериментально недоступны из-за ограничения цвета , простейшие доступные эксперименты включают взаимодействия, во-первых, лептонов друг с другом, и, во-вторых, лептонов с нуклонами , которые состоят из кварков и глюонов. Чтобы изучить столкновения кварков друг с другом, ученые прибегают к столкновениям нуклонов, которые при высокой энергии можно с пользой рассматривать как по сути двухчастичные взаимодействия кварков и глюонов, из которых они состоят. Физики, изучающие элементарные частицы, склонны использовать машины, создающие пучки электронов, позитронов, протонов и антипротонов , взаимодействующих друг с другом или с простейшими ядрами (например, водородом или дейтерием ) при максимально возможных энергиях, обычно в сотни ГэВ и более.
Самый большой и высокоэнергетический ускоритель частиц, используемый в физике элементарных частиц, — это Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе , работающий с 2009 года. [13]
Ядерные физики и космологи могут использовать пучки голых атомных ядер , лишенных электронов, для исследования структуры, взаимодействий и свойств самих ядер и конденсированного вещества при чрезвычайно высоких температурах и плотностях, таких как те, которые могли иметь место в первые моменты Большого взрыва . Эти исследования часто включают столкновения тяжелых ядер — атомов, таких как железо или золото — при энергиях в несколько ГэВ на нуклон . Самым большим таким ускорителем частиц является Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории .
Ускорители частиц также могут производить протонные пучки, которые могут производить богатые протонами медицинские или исследовательские изотопы в отличие от богатых нейтронами изотопов, производимых в реакторах деления ; однако недавние работы показали, как производить 99 Mo , обычно производимый в реакторах, путем ускорения изотопов водорода, [14] хотя этот метод все еще требует реактора для производства трития . Примером такого типа машины является LANSCE в Лос-Аламосской национальной лаборатории .
Электроны, распространяющиеся через магнитное поле, испускают очень яркие и когерентные пучки фотонов посредством синхротронного излучения . Оно имеет многочисленные применения в изучении атомной структуры, химии, физики конденсированного состояния, биологии и технологии. Большое количество источников синхротронного света существует по всему миру. Примерами в США являются SSRL в Национальной ускорительной лаборатории SLAC , APS в Аргоннской национальной лаборатории, ALS в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и NSLS-II в Брукхейвенской национальной лаборатории . В Европе есть MAX IV в Лунде, Швеция, BESSY в Берлине, Германия, Diamond в Оксфордшире, Великобритания, ESRF в Гренобле , Франция, последний использовался для извлечения подробных трехмерных изображений насекомых, запертых в янтаре. [15]
Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) представляют собой особый класс источников света, основанных на синхротронном излучении , которое обеспечивает более короткие импульсы с более высокой временной когерентностью . Специально разработанный ЛСЭ является самым ярким источником рентгеновского излучения в наблюдаемой Вселенной. [16] Наиболее яркими примерами являются LCLS в США и европейский XFEL в Германии. Все больше внимания уделяется мягким рентгеновским лазерам, которые вместе с укорочением импульса открывают новые методы для аттосекундной науки . [17] Помимо рентгеновских лучей, ЛСЭ используются для излучения терагерцового света , например, FELIX в Неймегене, Нидерланды, TELBE в Дрездене, Германия и NovoFEL в Новосибирске, Россия.
Таким образом, существует большой спрос на ускорители электронов с умеренной ( ГэВ ) энергией, высокой интенсивностью и высоким качеством пучка для управления источниками света.
Повседневными примерами ускорителей частиц являются электронно-лучевые трубки , используемые в телевизорах и рентгеновских генераторах. Эти низкоэнергетические ускорители используют одну пару электродов с постоянным напряжением в несколько тысяч вольт между ними. В рентгеновском генераторе сама мишень является одним из электродов. Низкоэнергетический ускоритель частиц, называемый ионным имплантером, используется при производстве интегральных схем .
При более низких энергиях пучки ускоренных ядер также используются в медицине в качестве корпускулярной терапии для лечения рака.
Типы ускорителей постоянного тока, способных разгонять частицы до скоростей, достаточных для возникновения ядерных реакций, — это генераторы Кокрофта-Уолтона или умножители напряжения , которые преобразуют переменный ток в постоянный ток высокого напряжения, или генераторы Ван де Граафа , которые используют статическое электричество, переносимое ремнями.
Обработка электронным пучком обычно используется для стерилизации. Электронные пучки являются технологией включения-выключения, которая обеспечивает гораздо более высокую мощность дозы, чем гамма- или рентгеновские лучи, испускаемые радиоизотопами , такими как кобальт-60 ( 60 Co) или цезий-137 ( 137 Cs). Благодаря более высокой мощности дозы требуется меньшее время воздействия и снижается деградация полимера. Поскольку электроны несут заряд, электронные пучки менее проникающие, чем гамма- и рентгеновские лучи. [18]
Исторически первые ускорители использовали простую технологию одного статического высокого напряжения для ускорения заряженных частиц. Заряженная частица ускорялась через вакуумную трубку с электродом на каждом конце, со статическим потенциалом на ней. Поскольку частица проходила через разность потенциалов только один раз, выходная энергия была ограничена ускоряющим напряжением машины. Хотя этот метод по-прежнему чрезвычайно популярен сегодня, поскольку электростатические ускорители значительно превосходят по численности любой другой тип, они больше подходят для исследований с более низкой энергией из-за практического предела напряжения около 1 МВ для машин с воздушной изоляцией или 30 МВ, когда ускоритель работает в резервуаре сжатого газа с высокой диэлектрической прочностью , такого как гексафторид серы . В тандемном ускорителе потенциал используется дважды для ускорения частиц, путем изменения заряда частиц, пока они находятся внутри терминала. Это возможно благодаря ускорению атомных ядер с помощью анионов (отрицательно заряженных ионов ) и последующему пропусканию пучка через тонкую фольгу для отрыва электронов от анионов внутри высоковольтного терминала, преобразуя их в катионы (положительно заряженные ионы), которые снова ускоряются, покидая терминал.
Два основных типа электростатических ускорителей — это ускоритель Кокрофта-Уолтона , который использует диодно-конденсаторный умножитель напряжения для получения высокого напряжения, и ускоритель Ван де Граафа , который использует движущуюся тканевую ленту для переноса заряда к высоковольтному электроду. Хотя электростатические ускорители ускоряют частицы по прямой линии, термин линейный ускоритель чаще используется для ускорителей, которые используют осциллирующие, а не статические электрические поля.
Из-за высокого потолка напряжения, налагаемого электрическим разрядом, для ускорения частиц до более высоких энергий используются методы, включающие динамические поля, а не статические поля. Электродинамическое ускорение может возникать из-за одного из двух механизмов: нерезонансной магнитной индукции или резонансных контуров или полостей, возбуждаемых осциллирующими радиочастотными (РЧ) полями. [19] Электродинамические ускорители могут быть линейными , с частицами, ускоряющимися по прямой линии, или круговыми , использующими магнитные поля для изгиба частиц по приблизительно круговой орбите.
Магнитные индукционные ускорители ускоряют частицы посредством индукции от увеличивающегося магнитного поля, как если бы частицы были вторичной обмоткой в трансформаторе. Возрастающее магнитное поле создает циркулирующее электрическое поле, которое можно настроить для ускорения частиц. Индукционные ускорители могут быть как линейными, так и круговыми.
Линейные индукционные ускорители используют ферритовые, нерезонансные индукционные полости. Каждую полость можно представить как два больших диска в форме шайбы, соединенных внешней цилиндрической трубкой. Между дисками находится ферритовый тороид. Импульс напряжения, приложенный между двумя дисками, вызывает нарастающее магнитное поле, которое индуктивно связывает мощность с пучком заряженных частиц. [20]
Линейный индукционный ускоритель был изобретен Христофилосом в 1960-х годах. [21] Линейные индукционные ускорители способны ускорять очень высокие токи пучка (>1000 А) за один короткий импульс. Они использовались для генерации рентгеновских лучей для импульсной радиографии (например, DARHT в LANL ), и рассматривались в качестве инжекторов частиц для термоядерного синтеза с магнитным удержанием и в качестве драйверов для лазеров на свободных электронах .
Бетатрон — это кольцевой магнитно-индукционный ускоритель, изобретенный Дональдом Керстом в 1940 году для ускорения электронов . Концепция в конечном итоге принадлежит норвежско-немецкому ученому Рольфу Видероэ . [22] [23] Эти машины, как и синхротроны, используют кольцевой магнит в форме бублика (см. ниже) с циклически увеличивающимся полем B, но ускоряют частицы за счет индукции от увеличивающегося магнитного поля, как если бы они были вторичной обмоткой в трансформаторе, из-за изменяющегося магнитного потока через орбиту. [24] [25]
Достижение постоянного радиуса орбиты при подаче надлежащего ускоряющего электрического поля требует, чтобы магнитный поток, связывающий орбиту, был в некоторой степени независим от магнитного поля на орбите, изгибая частицы в кривую постоянного радиуса. Эти машины на практике были ограничены большими потерями на излучение, которые испытывали электроны, движущиеся почти со скоростью света по орбите относительно малого радиуса.
В линейном ускорителе частиц (ЛУ) частицы ускоряются по прямой линии с интересующей целью на одном конце. Они часто используются для придания частицам начального низкоэнергетического толчка перед их инжекцией в кольцевые ускорители. Самый длинный ЛУ в мире — Стэнфордский линейный ускоритель , SLAC, длина которого составляет 3 км (1,9 мили). Изначально SLAC был электронно - позитронным коллайдером, но теперь это рентгеновский лазер на свободных электронах .
Линейные высокоэнергетические ускорители используют линейный массив пластин (или дрейфовых трубок), к которым прикладывается переменное высокоэнергетическое поле. Когда частицы приближаются к пластине, они ускоряются по направлению к ней противоположным зарядом полярности, приложенным к пластине. Когда они проходят через отверстие в пластине, полярность переключается так, что пластина теперь отталкивает их, а они теперь ускоряются ею по направлению к следующей пластине. Обычно ускоряется поток «сгустков» частиц, поэтому к каждой пластине прикладывается тщательно контролируемое переменное напряжение, чтобы непрерывно повторять этот процесс для каждого сгустка.
По мере того, как частицы приближаются к скорости света, скорость переключения электрических полей становится настолько высокой, что они работают на радиочастотах , и поэтому в более мощных энергетических машинах вместо простых пластин используются микроволновые резонаторы .
Линейные ускорители также широко используются в медицине , для радиотерапии и радиохирургии . Медицинские линейные ускорители ускоряют электроны с помощью клистрона и сложной конструкции изгибающего магнита, которая производит пучок энергии.6–30 МэВ . Электроны могут использоваться напрямую или сталкиваться с мишенью для получения пучка рентгеновских лучей . Надежность, гибкость и точность полученного пучка излучения в значительной степени вытеснили старое использование терапии кобальтом-60 в качестве лечебного инструмента.
В кольцевом ускорителе частицы движутся по кругу, пока не достигнут достаточной энергии. Траектория частицы обычно изгибается в круг с помощью электромагнитов . Преимущество кольцевых ускорителей перед линейными ускорителями ( линаками ) заключается в том, что кольцевая топология обеспечивает непрерывное ускорение, поскольку частица может перемещаться бесконечно. Другое преимущество заключается в том, что кольцевой ускоритель меньше линейного ускорителя сопоставимой мощности (т. е. линейный ускоритель должен быть чрезвычайно длинным, чтобы иметь эквивалентную мощность кольцевого ускорителя).
В зависимости от энергии и ускоряемой частицы, кольцевые ускорители страдают недостатком, заключающимся в том, что частицы испускают синхротронное излучение . Когда любая заряженная частица ускоряется, она испускает электромагнитное излучение и вторичные излучения . Поскольку частица, движущаяся по окружности, всегда ускоряется по направлению к центру окружности, она непрерывно излучает по направлению к касательной к окружности. Это излучение называется синхротронным светом и сильно зависит от массы ускоряющейся частицы. По этой причине многие ускорители электронов высокой энергии являются линейными ускорителями. Однако некоторые ускорители ( синхротроны ) построены специально для получения синхротронного света ( рентгеновских лучей ).
Так как специальная теория относительности требует, чтобы материя всегда двигалась медленнее скорости света в вакууме , в ускорителях высоких энергий, по мере увеличения энергии, скорость частицы приближается к скорости света как к пределу, но никогда не достигает его. Поэтому физики, изучающие частицы, обычно мыслят не в терминах скорости, а скорее в терминах энергии или импульса частицы , обычно измеряемых в электронвольтах (эВ). Важным принципом для круговых ускорителей и пучков частиц в целом является то, что кривизна траектории частицы пропорциональна заряду частицы и магнитному полю, но обратно пропорциональна (обычно релятивистскому ) импульсу .
Самыми ранними действующими круговыми ускорителями были циклотроны , изобретенные в 1929 году Эрнестом Лоуренсом в Калифорнийском университете в Беркли . Циклотроны имеют одну пару полых D-образных пластин для ускорения частиц и один большой дипольный магнит для изгиба их пути в круговую орбиту. Характерным свойством заряженных частиц в однородном и постоянном магнитном поле B является то, что они вращаются по орбите с постоянным периодом, на частоте, называемой циклотронной частотой , до тех пор, пока их скорость мала по сравнению со скоростью света c . Это означает, что ускоряющие D циклотрона могут приводиться в движение с постоянной частотой с помощью источника ускоряющей мощности RF, поскольку луч непрерывно движется по спирали наружу. Частицы инжектируются в центр магнита и извлекаются на внешнем крае при их максимальной энергии.
Циклотроны достигают предела энергии из-за релятивистских эффектов , в результате чего частицы фактически становятся более массивными, так что их циклотронная частота выпадает из синхронизации с ускоряющей RF. Таким образом, простые циклотроны могут ускорять протоны только до энергии около 15 миллионов электрон-вольт (15 МэВ, что соответствует скорости примерно 10% от c ), потому что протоны выходят из фазы с движущим электрическим полем. При дальнейшем ускорении пучок будет продолжать спирально выходить наружу к большему радиусу, но частицы больше не будут набирать достаточной скорости, чтобы завершить больший круг в такт с ускоряющей RF. Для учета релятивистских эффектов магнитное поле необходимо увеличить до более высоких радиусов, как это делается в изохронных циклотронах . Примером изохронного циклотрона является циклотрон PSI Ring в Швейцарии, который обеспечивает протоны с энергией 590 МэВ, что соответствует примерно 80% скорости света. Преимуществом такого циклотрона является максимально достижимый ток извлекаемых протонов, который в настоящее время составляет 2,2 мА. Энергия и ток соответствуют мощности пучка 1,3 МВт, что является самым высоким показателем среди всех существующих в настоящее время ускорителей.
Классический циклотрон можно модифицировать, чтобы увеличить его предел энергии. Исторически первым подходом был синхроциклотрон , который ускоряет частицы в пучках. Он использует постоянное магнитное поле , но уменьшает частоту ускоряющего поля, чтобы удерживать частицы в одном шаге, когда они вращаются по спирали наружу, сопоставляя их зависящую от массы резонансную частоту циклотрона . Этот подход страдает от низкой средней интенсивности пучка из-за группировки, а также от необходимости огромного магнита большого радиуса и постоянного поля на большей орбите, требуемой высокой энергией.
Вторым подходом к проблеме ускорения релятивистских частиц является изохронный циклотрон . В такой структуре частота ускоряющего поля (и частота циклотронного резонанса) поддерживается постоянной для всех энергий за счет формирования полюсов магнита таким образом, чтобы увеличивать магнитное поле с радиусом. Таким образом, все частицы ускоряются в изохронные интервалы времени. Частицы с более высокой энергией проходят меньшее расстояние на каждой орбите, чем в классическом циклотроне, таким образом оставаясь в фазе с ускоряющим полем. Преимущество изохронного циклотрона заключается в том, что он может поставлять непрерывные пучки более высокой средней интенсивности, что полезно для некоторых приложений. Основными недостатками являются размер и стоимость необходимого большого магнита, а также сложность достижения высоких значений магнитного поля, требуемых на внешнем крае структуры.
Синхроциклотроны не строились с тех пор, как был разработан изохронный циклотрон.
Чтобы достичь еще более высоких энергий, с релятивистской массой, приближающейся или превышающей массу покоя частиц (для протонов, миллиарды электрон-вольт или ГэВ ), необходимо использовать синхротрон . Это ускоритель, в котором частицы ускоряются в кольце постоянного радиуса. Непосредственное преимущество перед циклотронами заключается в том, что магнитное поле должно присутствовать только над фактической областью орбит частиц, которая намного уже, чем у кольца. (Самый большой циклотрон, построенный в США, имел полюс магнита диаметром 184 дюйма (4,7 м), тогда как диаметр синхротронов, таких как LEP и LHC, составляет почти 10 км. Апертура двух пучков LHC составляет порядка сантиметра.) LHC содержит 16 радиочастотных полостей, 1232 сверхпроводящих дипольных магнита для управления пучком и 24 квадруполя для фокусировки пучка. [26] Даже при таком размере LHC ограничен своей способностью управлять частицами, не давая им уйти в сторону. Этот предел теоретически достигается при 14 ТэВ. [27]
Однако, поскольку импульс частицы увеличивается во время ускорения, необходимо пропорционально увеличивать магнитное поле B, чтобы поддерживать постоянную кривизну орбиты. В результате синхротроны не могут ускорять частицы непрерывно, как циклотроны, а должны работать циклически, поставляя частицы сгустками, которые доставляются к цели или внешнему пучку в виде «разливов» пучка, как правило, каждые несколько секунд.
Поскольку синхротроны высокой энергии выполняют большую часть своей работы с частицами, которые уже движутся со скоростью, близкой к скорости света c , время, необходимое для завершения одного оборота кольца, практически постоянно, как и частота резонаторов ВЧ-полостных резонансов, используемых для ускорения.
В современных синхротронах апертура пучка мала, а магнитное поле не покрывает всю область орбиты частицы, как это происходит в циклотроне, поэтому можно разделить несколько необходимых функций. Вместо одного огромного магнита имеется линия из сотен изгибающих магнитов, охватывающих (или охватываемых) вакуумными соединительными трубами. Конструкция синхротронов была революционизирована в начале 1950-х годов с открытием концепции сильной фокусировки . [28] [29] [30] Фокусировка пучка осуществляется независимо специализированными квадрупольными магнитами , в то время как само ускорение осуществляется в отдельных радиочастотных секциях, довольно похожих на короткие линейные ускорители. [31] Кроме того, нет необходимости, чтобы циклические машины были круглыми, но вместо этого труба пучка может иметь прямые секции между магнитами, где пучки могут сталкиваться, охлаждаться и т. д. Это развилось в целый отдельный предмет, называемый «физикой пучка» или «оптикой пучка». [32]
Более сложные современные синхротроны, такие как Tevatron, LEP и LHC, могут доставлять сгустки частиц в накопительные кольца магнитов с постоянным магнитным полем, где они могут продолжать вращаться по орбите в течение длительных периодов для экспериментов или дальнейшего ускорения. Машины с самой высокой энергией, такие как Tevatron и LHC, на самом деле являются ускорительными комплексами с каскадом специализированных элементов последовательно, включая линейные ускорители для начального создания пучка, один или несколько низкоэнергетических синхротронов для достижения промежуточной энергии, накопительные кольца, где пучки могут накапливаться или «охлаждаться» (уменьшая требуемую апертуру магнита и позволяя более плотную фокусировку; см. охлаждение пучка ), и последнее большое кольцо для окончательного ускорения и экспериментов.
Круговые электронные ускорители несколько вышли из моды для физики элементарных частиц примерно в то время, когда был построен линейный ускоритель частиц SLAC, потому что их синхротронные потери считались экономически невыгодными, а интенсивность пучка была ниже, чем у неимпульсных линейных машин. Электронный синхротрон Корнелла , построенный по низкой цене в конце 1970-х годов, был первым в серии высокоэнергетических круговых электронных ускорителей, построенных для фундаментальной физики элементарных частиц, последним был LEP , построенный в ЦЕРНе, который использовался с 1989 по 2000 год.
За последние два десятилетия было построено большое количество электронных синхротронов как части источников синхротронного света , излучающих ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи; см. ниже.
Некоторые кольцевые ускорители были построены для преднамеренной генерации излучения (называемого синхротронным светом ) в виде рентгеновских лучей, также называемых синхротронным излучением, например, Diamond Light Source , который был построен в лаборатории Резерфорда-Эпплтона в Англии, или Advanced Photon Source в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе , США. Высокоэнергетические рентгеновские лучи полезны, например, для рентгеновской спектроскопии белков или тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей (XAFS).
Синхротронное излучение более мощно испускается более легкими частицами, поэтому эти ускорители неизменно являются ускорителями электронов . Синхротронное излучение позволяет получать более качественные изображения, как это исследовалось и разрабатывалось в SPEAR SLAC .
Ускорители переменного градиента с фиксированным полем (FFA) , в которых магнитное поле, фиксированное во времени, но с радиальным изменением для достижения сильной фокусировки , позволяет ускорять пучок с высокой частотой повторения, но в гораздо меньшем радиальном разбросе, чем в случае циклотрона. Изохронные FFA, как и изохронные циклотроны, достигают непрерывной работы пучка, но без необходимости в огромном дипольном изгибающем магните, покрывающем весь радиус орбит. Некоторые новые разработки в FFA рассматриваются в. [33]
Родотрон — это промышленный ускоритель электронов, впервые предложенный в 1987 году Ж. Потье из Французского агентства по атомной энергии (CEA) [34] , произведенный бельгийской компанией Ion Beam Applications . Он ускоряет электроны, рециркулируя их по диаметру цилиндрической радиочастотной полости. Родотрон имеет электронную пушку, которая испускает электронный луч, который притягивается к столбу в центре полости. Столб имеет отверстия, через которые могут проходить электроны. Электронный луч проходит через столб через одно из этих отверстий, а затем проходит через отверстие в стенке полости и встречается с изгибающим магнитом, затем луч изгибается и отправляется обратно в полость, в другое отверстие в столбе, затем электроны снова проходят через столб и проходят через другую часть стенки полости и в другой изгибающий магнит и так далее, постепенно увеличивая энергию луча, пока ему не будет разрешено выйти из полости для использования. Цилиндр и столб могут быть облицованы медью изнутри. [35] [36] [37]
Первый циклотрон Эрнеста Лоуренса был всего 4 дюйма (100 мм) в диаметре. Позже, в 1939 году, он построил машину с диаметром полюса 60 дюймов и спроектировал машину с диаметром 184 дюйма в 1942 году, которая, однако, была принята на вооружение для работ, связанных со Второй мировой войной , связанных с разделением изотопов урана ; после войны она продолжала использоваться в научных исследованиях и медицине в течение многих лет.
Первым большим протонным синхротроном был Cosmotron в Brookhaven National Laboratory , который разогнал протоны до энергии около 3 ГэВ (1953–1968). Bevatron в Беркли, завершенный в 1954 году, был специально разработан для ускорения протонов до достаточной энергии для создания антипротонов и проверки симметрии частица-античастица в природе, тогда только теоретизированной. Alternating Gradient Synchrotron (AGS) в Brookhaven (1960–) был первым большим синхротроном с переменным градиентом, « сильными фокусирующими » магнитами, которые значительно уменьшили требуемую апертуру пучка и, соответственно, размер и стоимость отклоняющих магнитов. Proton Synchrotron , построенный в CERN (1959–), был первым крупным европейским ускорителем частиц и в целом похож на AGS.
Стэнфордский линейный ускоритель (SLAC) был введен в эксплуатацию в 1966 году, ускоряя электроны до 30 ГэВ в волноводе длиной 3 км, зарытом в туннеле и питаемом сотнями больших клистронов . Он по-прежнему является крупнейшим из существующих линейных ускорителей и был модернизирован с добавлением накопительных колец и электрон-позитронного коллайдера. Он также является источником рентгеновских и ультрафиолетовых синхротронных фотонов.
Теватрон Фермилаб имеет кольцо с траекторией пучка 4 мили (6,4 км). Он получил несколько модернизаций и функционировал как протон-антипротонный коллайдер, пока не был закрыт из-за сокращения бюджета 30 сентября 2011 года. Самым большим кольцевым ускорителем, когда-либо построенным, был синхротрон LEP в ЦЕРНе с окружностью 26,6 километра, который был электронно- позитронным коллайдером. Он достиг энергии 209 ГэВ, прежде чем его демонтировали в 2000 году, чтобы туннель можно было использовать для Большого адронного коллайдера (БАК). БАК — это протонный коллайдер, и в настоящее время крупнейший и самый высокоэнергетический ускоритель в мире, достигающий энергии 6,5 ТэВ на пучок (13 ТэВ в общей сложности).
Прерванный проект сверхпроводящего суперколлайдера (SSC) в Техасе имел бы окружность 87 км. Строительство было начато в 1991 году, но прекращено в 1993 году. Очень большие кольцевые ускорители неизменно строятся в туннелях шириной в несколько метров, чтобы минимизировать разрушения и стоимость строительства такой конструкции на поверхности, а также обеспечить защиту от интенсивного вторичного излучения, которое имеет чрезвычайно высокую проникающую способность при высоких энергиях.
Современные ускорители, такие как Spallation Neutron Source , включают сверхпроводящие криомодули . Релятивистский коллайдер тяжелых ионов и Большой адронный коллайдер также используют сверхпроводящие магниты и резонаторы с ВЧ-полостями для ускорения частиц.
Выход ускорителя частиц, как правило, может быть направлен на несколько линий экспериментов, по одной в заданное время, с помощью отклоняющего электромагнита . Это позволяет проводить несколько экспериментов без необходимости перемещения вещей или отключения всего пучка ускорителя. За исключением источников синхротронного излучения, цель ускорителя — генерировать частицы высокой энергии для взаимодействия с веществом.
Обычно это фиксированная цель, например, фосфорное покрытие на задней стороне экрана в случае телевизионной трубки; кусок урана в ускорителе, разработанном как источник нейтронов; или вольфрамовая мишень для рентгеновского генератора. В линейном ускорителе цель просто крепится к концу ускорителя. Траектория частиц в циклотроне представляет собой спираль, выходящую из центра круговой машины, поэтому ускоренные частицы выходят из фиксированной точки, как в линейном ускорителе.
Для синхротронов ситуация сложнее. Частицы ускоряются до нужной энергии. Затем быстродействующий дипольный магнит используется для переключения частиц из круглой синхротронной трубки в сторону цели.
Вариант, обычно используемый для исследований физики частиц , — это коллайдер , также называемый кольцевым коллайдером . Два кольцевых синхротрона строятся в непосредственной близости — обычно друг над другом и с использованием одних и тех же магнитов (которые затем имеют более сложную конструкцию для размещения обеих пучковых трубок). Сгустки частиц движутся в противоположных направлениях вокруг двух ускорителей и сталкиваются на пересечениях между ними. Это может значительно увеличить энергию; тогда как в эксперименте с фиксированной мишенью энергия, доступная для производства новых частиц, пропорциональна квадратному корню из энергии пучка, в коллайдере доступная энергия линейна.
Детекторы собирают подсказки о частицах, включая их скорость и заряд. Используя их, ученые могут фактически работать с частицей. Процесс обнаружения очень сложен, он требует сильных электромагнитов и ускорителей для получения достаточного количества полезной информации.
В настоящее время все ускорители с самой высокой энергией — это кольцевые коллайдеры, но и адронные, и электронные ускорители работают на пределе своих возможностей. Циклические ускорители адронов и ионов с более высокой энергией потребуют ускорительных туннелей большего физического размера из-за возросшей жесткости пучка .
Для циклических электронных ускорителей ограничение на практический радиус изгиба накладывается потерями синхротронного излучения, и следующее поколение, вероятно, будет линейными ускорителями в 10 раз большей длины, чем текущая. Примером такого электронного ускорителя следующего поколения является предлагаемый Международный линейный коллайдер длиной 40 км .
Считается, что плазменное кильватерное ускорение в виде электронных пучковых «дожигателей» и автономных лазерных импульсных генераторов может обеспечить резкое увеличение эффективности по сравнению с радиочастотными ускорителями в течение двух-трех десятилетий. В плазменных кильватерных ускорителях полость пучка заполнена плазмой (а не вакуумом). Короткий импульс электронов или лазерного света либо составляет, либо непосредственно предшествует ускоряемым частицам. Импульс разрушает плазму, заставляя заряженные частицы в плазме объединяться и двигаться к задней части пучка ускоряемых частиц. Этот процесс передает энергию пучку частиц, ускоряя его еще больше, и продолжается до тех пор, пока импульс остается когерентным. [38]
Градиенты энергии, достигающие 200 ГэВ/м, были достигнуты на миллиметровых расстояниях с использованием лазерных импульсных генераторов [39] , а градиенты, приближающиеся к 1 ГэВ/м, производятся на многосантиметровых расстояниях с помощью электронно-лучевых систем, в отличие от предела около 0,1 ГэВ/м для одного только радиочастотного ускорения. Существующие электронные ускорители, такие как SLAC, могут использовать электронно-лучевые дожигатели для значительного увеличения энергии своих пучков частиц за счет интенсивности пучка. Электронные системы в целом могут обеспечивать плотно коллимированные, надежные пучки; лазерные системы могут обеспечивать большую мощность и компактность. Таким образом, плазменные кильватерные ускорители могут использоваться — если технические проблемы будут решены — как для увеличения максимальной энергии самых больших ускорителей, так и для подачи высоких энергий в университетские лаборатории и медицинские центры.
Градиенты выше 0,25 ГэВ/м были достигнуты с помощью диэлектрического лазерного ускорителя [40] , что может представлять собой еще один жизнеспособный подход к созданию компактных высокоэнергетических ускорителей. [41] Используя фемтосекундные лазерные импульсы, для диэлектрических лазерных ускорителей был зарегистрирован градиент ускорения электронов 0,69 ГэВ/м. [42] Более высокие градиенты порядкаПосле дальнейшей оптимизации ожидается от 1 до 6 ГэВ/м . [43]
Advanced Accelerator Concepts охватывает методы ускорения пучка с градиентами, выходящими за рамки современных технологий в операционных установках. Сюда входят методы диагностики, технология синхронизации, особые потребности в инжекторах, согласование пучка, динамика пучка и разработка адекватных симуляций. Семинары, посвященные этой теме, проводятся в США (поочередно в разных местах) и в Европе, в основном на острове Эльба . Серия семинаров Advanced Accelerator Concepts, проводимых в США, [44] началась как международная серия в 1982 году. [45] Европейская серия семинаров Advanced Accelerator Concepts началась в 2019 году. [46] Темы, связанные с Advanced Accelerator Concepts:
Согласно обратной задаче рассеяния , любой механизм, посредством которого частица производит излучение (где кинетическая энергия частицы передается электромагнитному полю ), может быть инвертирован таким образом, что тот же механизм излучения приведет к ускорению частицы (энергия поля излучения передается кинетической энергии частицы). Обратное также верно, любой механизм ускорения может быть инвертирован, чтобы вложить энергию частицы в замедляющее поле, как в системе рекуперации кинетической энергии . Это идея, позволяющая создать линейный ускоритель рекуперации энергии . Этот принцип, который также лежит в основе плазменных или диэлектрических кильватерных ускорителей, привел к нескольким другим интересным разработкам в передовых концепциях ускорителей:
В будущем возможность образования черных дыр на ускорителях с самой высокой энергией может возникнуть, если некоторые предсказания теории суперструн окажутся точными. [50] [51] Эта и другие возможности привели к проблемам общественной безопасности , которые широко освещались в связи с LHC , который начал работу в 2008 году. Различные возможные опасные сценарии были оценены как представляющие «никакой мыслимой опасности» в последней оценке риска, проведенной Группой по оценке безопасности LHC. [52] Если черные дыры будут созданы, теоретически предсказывается, что такие маленькие черные дыры должны чрезвычайно быстро испаряться посредством излучения Бекенштейна-Хокинга , но это пока экспериментально не подтверждено. Если коллайдеры могут производить черные дыры, космические лучи (и особенно космические лучи сверхвысокой энергии , UHECR) должны были производить их в течение многих веков, но они еще никому не навредили. [53] Утверждалось, что для сохранения энергии и импульса любые черные дыры, созданные при столкновении UHECR с локальной материей, обязательно будут созданы движущимися с релятивистской скоростью относительно Земли и должны будут уйти в космос, поскольку их аккреция и темп роста должны быть очень медленными, в то время как черные дыры, созданные в коллайдерах (с компонентами одинаковой массы), будут иметь некоторую вероятность иметь скорость, меньшую скорости убегания Земли, 11,2 км в секунду, и будут подвержены захвату и последующему росту. Тем не менее, даже в таких сценариях столкновения UHECR с белыми карликами и нейтронными звездами приведут к их быстрому разрушению, но эти тела, как наблюдалось, являются обычными астрономическими объектами. Таким образом, если должны быть созданы стабильные микрочерные дыры, они должны расти слишком медленно, чтобы вызвать какие-либо заметные макроскопические эффекты в течение естественного срока службы солнечной системы. [52]
Использование передовых технологий, таких как сверхпроводимость, криогеника и мощные радиочастотные усилители, а также наличие ионизирующего излучения, создают проблемы для безопасной эксплуатации ускорительных установок. [54] [55] Оператор ускорителя управляет работой ускорителя частиц, регулирует рабочие параметры, такие как соотношение сторон , сила тока и положение на цели. Они общаются с персоналом по обслуживанию ускорителя и помогают ему обеспечивать готовность вспомогательных систем, таких как вакуум , магниты , магнитные и радиочастотные источники питания и управления, а также системы охлаждения. Кроме того, оператор ускорителя ведет учет событий, связанных с ускорителем.
