Máy gia tốc hạt là một thiết bị tạo ra một chùm hạt nguyên tử hoặc hạ nguyên tử mang điện chuyển động với tốc độ gần bằng ánh sáng. Công việc của nó dựa trên sự gia tăng năng lượng của chúng bởi điện trường và sự thay đổi quỹ đạo - bởi từ trường.
Máy gia tốc hạt dùng để làm gì?
Các thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khoa học và công nghiệp khác nhau. Ngày nay, có hơn 30 nghìn người trong số họ trên khắp thế giới. Đối với một nhà vật lý, máy gia tốc hạt đóng vai trò như một công cụ để nghiên cứu cơ bản về cấu trúc của nguyên tử, bản chất của lực hạt nhân và các đặc tính của hạt nhân không xảy ra trong tự nhiên. Loại thứ hai bao gồm transuranium và các nguyên tố không ổn định khác.
Với sự trợ giúp của ống phóng điện, có thể xác định điện tích cụ thể. Máy gia tốc hạt cũng được sử dụng trong sản xuất đồng vị phóng xạ, trong chụp X quang công nghiệp, trong xạ trị, khử trùng các vật liệu sinh học và trong cacbon phóng xạphân tích. Các cài đặt lớn nhất được sử dụng trong nghiên cứu các tương tác cơ bản.
Tuổi thọ của các hạt mang điện ở trạng thái nghỉ so với máy gia tốc nhỏ hơn thời gian tồn tại của các hạt được gia tốc với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Điều này khẳng định tính tương đối của các khoảng thời gian SRT. Ví dụ: tại CERN, thời gian tồn tại của hạt muon tăng gấp 29 lần ở tốc độ 0,9994c.
Bài viết này thảo luận về cách thức hoạt động của máy gia tốc hạt, sự phát triển của nó, các loại khác nhau và các tính năng đặc biệt.
Nguyên tắc tăng tốc
Bất kể bạn biết máy gia tốc hạt nào, chúng đều có các nguyên tố chung. Đầu tiên, tất cả chúng phải có nguồn electron trong trường hợp kính động học truyền hình, hoặc electron, proton và phản hạt của chúng trong trường hợp lắp đặt lớn hơn. Ngoài ra, chúng đều phải có điện trường để gia tốc các hạt và từ trường để điều khiển quỹ đạo của chúng. Ngoài ra, chân không trong máy gia tốc hạt (10-11mm Hg), tức là lượng không khí dư tối thiểu, là cần thiết để đảm bảo tuổi thọ lâu dài của chùm tia. Và, cuối cùng, tất cả các cài đặt phải có phương tiện để đăng ký, đếm và đo các hạt gia tốc.
Thế hệ
Electron và proton, được sử dụng phổ biến nhất trong máy gia tốc, được tìm thấy trong tất cả các vật liệu, nhưng trước tiên chúng cần được cách ly khỏi chúng. Các điện tử thường được tạo ragiống như trong kính kinescope - trong một thiết bị được gọi là "súng". Nó là một cực âm (điện cực âm) trong chân không, được đốt nóng đến mức các điện tử bắt đầu bứt ra khỏi nguyên tử. Các hạt mang điện tích âm bị hút về cực dương (điện cực dương) và đi qua cửa ra. Bản thân súng cũng là máy gia tốc đơn giản nhất, vì các electron chuyển động dưới ảnh hưởng của điện trường. Điện áp giữa cực âm và cực dương thường từ 50-150 kV.
Ngoài electron, mọi vật chất đều chứa proton, nhưng chỉ hạt nhân của nguyên tử hydro mới bao gồm các proton đơn lẻ. Do đó, nguồn hạt cho máy gia tốc proton là hydro ở thể khí. Trong trường hợp này, khí bị ion hóa và các proton thoát ra qua lỗ. Trong các máy gia tốc lớn, proton thường được tạo ra dưới dạng ion hydro âm. Chúng là những nguyên tử có thêm một electron, là sản phẩm của quá trình ion hóa một chất khí diatomic. Nó dễ dàng hơn để làm việc với các ion hydro tích điện âm trong giai đoạn đầu. Sau đó, chúng được đưa qua một lá mỏng làm mất đi các electron trước giai đoạn gia tốc cuối cùng.
Tăng tốc
Máy gia tốc hạt hoạt động như thế nào? Đặc điểm chính của bất kỳ loại nào trong số chúng là điện trường. Ví dụ đơn giản nhất là trường tĩnh đồng nhất giữa các điện thế dương và âm, tương tự như trường tồn tại giữa các cực của pin điện. Trong như vậytrường, êlectron mang điện tích âm chịu tác dụng của lực hướng nó về điện thế dương. Cô ấy tăng tốc anh ta, và nếu không có gì ngăn cản điều này, tốc độ và năng lượng của anh ta sẽ tăng lên. Các electron di chuyển về phía có thế năng dương trong một dây dẫn hoặc thậm chí trong không khí va chạm với các nguyên tử và mất năng lượng, nhưng nếu chúng ở trong chân không, chúng sẽ tăng tốc khi đến gần cực dương.
Hiệu điện thế giữa vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng của một electron xác định năng lượng mà nó thu được. Khi chuyển động qua hiệu điện thế 1 V thì nó bằng 1 êlectron vôn (eV). Điều này tương đương với 1,6 × 10-19joules. Năng lượng của một con muỗi đang bay lớn hơn một nghìn tỷ lần. Trong một kính động học, các electron được gia tốc bởi một hiệu điện thế trên 10 kV. Nhiều máy gia tốc đạt được năng lượng cao hơn nhiều, được đo bằng mega-, giga- và teraelectronvolt.
Giống
Một số loại máy gia tốc hạt sớm nhất, chẳng hạn như bộ nhân điện áp và máy phát Van de Graaff, đã sử dụng điện trường không đổi được tạo ra bởi điện thế lên đến một triệu vôn. Nó không phải là dễ dàng để làm việc với điện áp cao như vậy. Một giải pháp thay thế thiết thực hơn là tác động lặp đi lặp lại của điện trường yếu được tạo ra bởi điện thế thấp. Nguyên tắc này được sử dụng trong hai loại máy gia tốc hiện đại - tuyến tính và tuần hoàn (chủ yếu trong cyclotron và synctron). Nói tóm lại, máy gia tốc hạt tuyến tính truyền chúng một lần qua một chuỗitrường gia tốc, trong khi trong chu kỳ chúng chuyển động liên tục dọc theo một đường tròn thông qua điện trường tương đối nhỏ. Trong cả hai trường hợp, năng lượng cuối cùng của các hạt phụ thuộc vào hiệu ứng tổng hợp của các trường, do đó nhiều "cú sốc" nhỏ cộng lại để tạo ra hiệu ứng tổng hợp của một cú sốc lớn.
Cấu trúc lặp lại của máy gia tốc tuyến tính để tạo ra điện trường liên quan đến việc sử dụng điện áp xoay chiều thay vì điện áp một chiều. Các hạt mang điện tích dương được gia tốc về phía thế năng âm và nhận được một động lực mới nếu chúng đi ngang qua hạt điện tích dương. Trong thực tế, điện áp sẽ thay đổi rất nhanh. Ví dụ, ở năng lượng 1 MeV, một proton di chuyển với tốc độ rất cao bằng 0,46 tốc độ ánh sáng, di chuyển 1,4 m trong 0,01 ms. Điều này có nghĩa là trong một mẫu lặp lại dài vài mét, điện trường phải đổi hướng với tần số ít nhất là 100 MHz. Theo quy luật, máy gia tốc tuyến tính và tuần hoàn của các hạt tích điện, tăng tốc chúng bằng cách sử dụng điện trường xoay chiều có tần số từ 100 đến 3000 MHz, tức là từ sóng vô tuyến đến vi sóng.
Sóng điện từ là tổng hợp của điện trường và từ trường xoay chiều dao động vuông góc với nhau. Điểm mấu chốt của máy gia tốc là điều chỉnh sóng để khi hạt đến, điện trường hướng theo vectơ gia tốc. Điều này có thể được thực hiện với sóng dừng - sự kết hợp của các sóng truyền theo các hướng ngược nhau trong một vòng khép kín.không gian, giống như sóng âm thanh trong ống đàn organ. Một giải pháp thay thế cho các electron chuyển động rất nhanh tiến tới tốc độ ánh sáng là sóng truyền.
Tự động chia sẻ
Một hiệu ứng quan trọng khi tăng tốc trong điện trường xoay chiều là "autophasing". Trong một chu kỳ dao động, trường xoay chiều đi từ không qua giá trị cực đại một lần nữa về không, giảm xuống cực tiểu và tăng lên bằng không. Vì vậy, nó đi qua giá trị cần thiết để tăng tốc gấp đôi. Nếu hạt gia tốc đến quá sớm, thì nó sẽ không bị ảnh hưởng bởi một trường đủ mạnh, và lực đẩy sẽ yếu. Khi đến phần tiếp theo, cô ấy sẽ đến muộn và sẽ bị tác động mạnh hơn. Kết quả là, quá trình tự động sẽ xảy ra, các hạt sẽ cùng pha với trường trong mỗi vùng gia tốc. Một hiệu ứng khác là tập hợp chúng theo thời gian thành từng đám hơn là một dòng liên tục.
Hướng tia
Từ trường cũng đóng một vai trò quan trọng trong cách thức hoạt động của máy gia tốc hạt tích điện, vì chúng có thể thay đổi hướng chuyển động của chúng. Điều này có nghĩa là chúng có thể được sử dụng để "bẻ cong" các chùm dọc theo một đường tròn để chúng đi qua cùng một đoạn gia tốc vài lần. Trong trường hợp đơn giản nhất, một hạt mang điện chuyển động vuông góc với phương của từ trường đều thì phải chịu một lựcvuông góc với cả vectơ độ dời của nó và với trường. Điều này làm cho chùm tia chuyển động dọc theo một quỹ đạo tròn vuông góc với trường cho đến khi nó rời khỏi vùng tác dụng của nó hoặc một lực khác bắt đầu tác động lên nó. Hiệu ứng này được sử dụng trong các máy gia tốc tuần hoàn như cyclotron và synctron. Trong một cyclotron, một trường không đổi được tạo ra bởi một nam châm lớn. Các hạt, khi năng lượng của chúng phát triển, xoắn ốc hướng ra ngoài, tăng tốc theo mỗi vòng quay. Trong synctron, các chùm chuyển động xung quanh một vòng với bán kính không đổi, và trường tạo bởi các nam châm điện xung quanh vòng tăng khi các hạt tăng tốc. Nam châm "uốn cong" là các lưỡng cực có cực bắc và cực nam được uốn cong theo hình móng ngựa để chùm tia có thể đi qua giữa chúng.
Chức năng quan trọng thứ hai của nam châm điện là tập trung các chùm tia sao cho chúng hẹp và cường độ cao nhất có thể. Dạng đơn giản nhất của nam châm hội tụ là có bốn cực (hai cực bắc và hai cực nam) đối diện nhau. Chúng đẩy các hạt về phía trung tâm theo một hướng, nhưng cho phép chúng truyền theo hướng vuông góc. Nam châm tứ cực tập trung chùm tia theo chiều ngang, cho phép nó đi ra khỏi tiêu điểm theo chiều dọc. Để làm được điều này, chúng phải được sử dụng theo cặp. Các nam châm phức tạp hơn với nhiều cực hơn (6 và 8) cũng được sử dụng để lấy nét chính xác hơn.
Khi năng lượng của các hạt tăng lên, cường độ của từ trường hướng dẫn chúng tăng lên. Điều này giữ cho chùm sáng trên cùng một đường đi. Cục máu đông được đưa vào trong vòng và được tăng tốc đếnnăng lượng cần thiết trước khi nó có thể được rút ra và sử dụng trong các thí nghiệm. Sự thu hồi được thực hiện nhờ các nam châm điện hoạt động để đẩy các hạt ra khỏi vòng đồng bộ hóa.
Va chạm
Máy gia tốc hạt được sử dụng trong y học và công nghiệp chủ yếu tạo ra chùm tia cho một mục đích cụ thể, chẳng hạn như xạ trị hoặc cấy ion. Điều này có nghĩa là các hạt được sử dụng một lần. Trong nhiều năm, điều này cũng đúng đối với các máy gia tốc được sử dụng trong nghiên cứu cơ bản. Nhưng trong những năm 1970, các vòng được phát triển trong đó hai chùm tia lưu thông theo hướng ngược nhau và va chạm dọc theo toàn bộ mạch. Ưu điểm chính của việc lắp đặt như vậy là trong một vụ va chạm trực diện, năng lượng của các hạt chuyển trực tiếp thành năng lượng tương tác giữa chúng. Điều này trái ngược với những gì xảy ra khi chùm tia va chạm với vật liệu ở trạng thái dừng: trong trường hợp này, phần lớn năng lượng được sử dụng để đặt vật liệu mục tiêu chuyển động, phù hợp với nguyên tắc bảo toàn động lượng.
Một số máy tạo tia va chạm được chế tạo với hai vòng giao nhau tại hai hoặc nhiều vị trí, trong đó các hạt cùng loại chuyển động ngược chiều nhau. Va chạm với các hạt và phản hạt phổ biến hơn. Một phản hạt có điện tích ngược lại với hạt liên kết của nó. Ví dụ, một positron mang điện tích dương, trong khi một electron mang điện tích âm. Điều này có nghĩa là trường gia tốc electron làm chậm positron,chuyển động cùng chiều. Nhưng nếu cái sau chuyển động theo hướng ngược lại, nó sẽ tăng tốc. Tương tự như vậy, một điện tử di chuyển trong một từ trường sẽ uốn cong sang trái, và một positron sẽ uốn cong sang phải. Nhưng nếu positron di chuyển về phía nó, thì đường đi của nó sẽ vẫn lệch sang phải, nhưng dọc theo cùng một đường cong với electron. Cùng với nhau, điều này có nghĩa là các hạt này có thể di chuyển dọc theo vòng đồng bộ do các nam châm giống nhau và được gia tốc bởi cùng một điện trường theo các hướng ngược nhau. Nhiều máy va chạm mạnh nhất trên các chùm va chạm đã được tạo ra theo nguyên tắc này, vì chỉ cần một vòng gia tốc.
Chùm sáng trong synctron không di chuyển liên tục mà được kết hợp lại thành những "cụm". Chúng có thể dài vài cm và đường kính một phần mười mm, và chứa khoảng 10 hạt12. Đây là một mật độ nhỏ, vì một chất có kích thước này chứa khoảng 10 nguyên tử23. Do đó, khi chùm tia giao nhau với chùm tia tới, chỉ có một cơ hội nhỏ là các hạt sẽ tương tác với nhau. Trong thực tế, các chùm tiếp tục di chuyển dọc theo vòng và gặp lại nhau. Chân không sâu trong máy gia tốc hạt (10-11mmHg) là cần thiết để các hạt có thể lưu thông trong nhiều giờ mà không va chạm với các phân tử không khí. Do đó, các vòng còn được gọi là tích lũy, vì các gói thực sự được lưu trữ trong chúng trong vài giờ.
Đăng ký
Máy gia tốc hạt phần lớn có thể ghi lại điều gì sẽ xảy ra khikhi các hạt va vào một mục tiêu hoặc một chùm tia khác chuyển động theo hướng ngược lại. Trong kính động học truyền hình, các electron từ một khẩu súng tấn công một phốt pho trên bề mặt bên trong của màn hình và phát ra ánh sáng, do đó tái tạo lại hình ảnh được truyền đi. Trong máy gia tốc, các máy dò chuyên dụng như vậy phản ứng với các hạt phân tán, nhưng chúng thường được thiết kế để tạo ra các tín hiệu điện có thể được chuyển đổi thành dữ liệu máy tính và phân tích bằng các chương trình máy tính. Chỉ các phần tử tích điện mới tạo ra tín hiệu điện bằng cách đi qua vật liệu, ví dụ như các nguyên tử kích thích hoặc ion hóa, và có thể được phát hiện trực tiếp. Các hạt trung tính như neutron hoặc photon có thể được phát hiện gián tiếp thông qua hành vi của các hạt mang điện mà chúng đặt trong chuyển động.
Có nhiều máy dò chuyên dụng. Một số trong số chúng, như máy đếm Geiger, chỉ đơn giản là đếm các hạt, trong khi một số khác được sử dụng, chẳng hạn như để ghi lại các dấu vết, đo tốc độ hoặc đo lượng năng lượng. Các máy dò hiện đại có kích thước và công nghệ đa dạng, từ các thiết bị ghép nối điện tích nhỏ đến các buồng chứa khí lớn chứa đầy dây điện để phát hiện các vệt ion hóa do các hạt mang điện tạo ra.
Lịch sử
Máy gia tốc hạt chủ yếu được phát triển để nghiên cứu các tính chất của hạt nhân nguyên tử và các hạt cơ bản. Từ sự phát hiện ra phản ứng giữa hạt nhân nitơ và hạt alpha của nhà vật lý người Anh Ernest Rutherford vào năm 1919, tất cả các nghiên cứu về vật lý hạt nhân đềuNăm 1932 được dành cho hạt nhân heli được giải phóng từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ tự nhiên. Các hạt alpha tự nhiên có động năng 8 MeV, nhưng Rutherford tin rằng để quan sát sự phân rã của hạt nhân nặng, chúng phải được gia tốc nhân tạo đến các giá trị lớn hơn nữa. Vào thời điểm đó, nó có vẻ khó khăn. Tuy nhiên, một tính toán được thực hiện vào năm 1928 bởi Georgy Gamow (tại Đại học Göttingen, Đức) cho thấy rằng các ion có năng lượng thấp hơn nhiều có thể được sử dụng, và điều này đã kích thích nỗ lực xây dựng một cơ sở cung cấp chùm tia đủ cho nghiên cứu hạt nhân.
Các sự kiện khác trong thời kỳ này đã chứng minh các nguyên tắc mà máy gia tốc hạt được chế tạo cho đến ngày nay. Các thí nghiệm thành công đầu tiên với các ion được gia tốc nhân tạo được thực hiện bởi Cockcroft và W alton vào năm 1932 tại Đại học Cambridge. Sử dụng hệ số nhân điện áp, họ tăng tốc các proton lên 710 keV và cho thấy rằng hạt nhân sau phản ứng với hạt nhân liti để tạo thành hai hạt alpha. Đến năm 1931, tại Đại học Princeton ở New Jersey, Robert van de Graaff đã chế tạo máy phát tĩnh điện vành đai tiềm năng đầu tiên. Hệ số nhân điện áp Cockcroft-W alton và máy phát điện Van de Graaff vẫn được sử dụng làm nguồn điện cho máy gia tốc.
Nguyên tắc của máy gia tốc cộng hưởng tuyến tính được Rolf Wideröe chứng minh vào năm 1928. Tại Đại học Công nghệ Rhine-Westphalian ở Aachen, Đức, ông đã sử dụng điện áp xoay chiều cao để tăng tốc các ion natri và kali lên năng lượng gấp đôivượt quá những báo cáo của họ. Năm 1931 tại Hoa Kỳ, Ernest Lawrence và trợ lý của ông là David Sloan tại Đại học California, Berkeley đã sử dụng trường tần số cao để tăng tốc các ion thủy ngân đến năng lượng vượt quá 1,2 MeV. Công trình này đã bổ sung cho máy gia tốc hạt nặng Wideröe, nhưng các chùm ion không hữu ích trong nghiên cứu hạt nhân.
Máy gia tốc cộng hưởng từ, hay cyclotron, được Lawrence hình thành như một sửa đổi của cài đặt Wideröe. Sinh viên của Lawrence Livingston đã chứng minh nguyên lý của cyclotron vào năm 1931 bằng cách tạo ra các ion 80 keV. Năm 1932, Lawrence và Livingston công bố gia tốc của proton lên hơn 1 MeV. Sau đó vào những năm 1930, năng lượng của cyclotron đạt khoảng 25 MeV, và năng lượng của máy phát điện Van de Graaff đạt khoảng 4 MeV. Năm 1940, Donald Kerst, áp dụng kết quả của các tính toán quỹ đạo cẩn thận để thiết kế nam châm, đã chế tạo betatron đầu tiên, một máy gia tốc electron cảm ứng từ, tại Đại học Illinois.
Vật lý hiện đại: máy gia tốc hạt
Sau Thế chiến II, khoa học gia tốc các hạt đến năng lượng cao đã đạt được tiến bộ nhanh chóng. Nó được bắt đầu bởi Edwin Macmillan tại Berkeley và Vladimir Veksler ở Moscow. Năm 1945, cả hai đều mô tả độc lập nguyên tắc ổn định pha. Khái niệm này cung cấp một phương tiện duy trì quỹ đạo hạt ổn định trong một máy gia tốc tuần hoàn, loại bỏ giới hạn về năng lượng của các proton và có thể tạo ra các máy gia tốc cộng hưởng từ (syncrotron) cho các electron. Tự động chia sẻ, việc thực hiện nguyên tắc ổn định pha, đã được xác nhận sau khi xây dựngmột synccyclotron nhỏ ở Đại học California và một synctron ở Anh. Ngay sau đó, máy gia tốc cộng hưởng tuyến tính proton đầu tiên được tạo ra. Nguyên tắc này đã được sử dụng trong tất cả các đồng bộ proton lớn được xây dựng kể từ đó.
Năm 1947, William Hansen, tại Đại học Stanford ở California, đã chế tạo máy gia tốc điện tử sóng du hành tuyến tính đầu tiên sử dụng công nghệ vi sóng được phát triển cho radar trong Thế chiến thứ hai.
Tiến bộ trong nghiên cứu đã đạt được bằng cách tăng năng lượng của các proton, dẫn đến việc chế tạo các máy gia tốc lớn hơn bao giờ hết. Xu hướng này đã bị dừng lại do chi phí chế tạo nhẫn nam châm khổng lồ cao. Chiếc lớn nhất nặng khoảng 40.000 tấn. Các cách tăng năng lượng mà không làm tăng kích thước máy đã được Livingston, Courant và Snyder chứng minh vào năm 1952 trong kỹ thuật lấy nét xen kẽ (đôi khi được gọi là lấy nét mạnh). Synchrotron dựa trên nguyên tắc này sử dụng nam châm nhỏ hơn 100 lần so với trước đây. Tính năng lấy nét như vậy được sử dụng trong tất cả các máy đồng bộ hiện đại.
Năm 1956, Kerst nhận ra rằng nếu hai tập hợp hạt được giữ trong các quỹ đạo giao nhau, chúng có thể được quan sát thấy va chạm. Việc áp dụng ý tưởng này yêu cầu sự tích tụ của các chùm gia tốc trong các chu kỳ được gọi là lưu trữ. Công nghệ này giúp đạt được năng lượng tương tác tối đa của các hạt.
