Kiongeza kasi cha chembe ni kifaa kinachounda boriti ya chembe za atomiki zinazochajiwa kwa umeme au zinazosonga kwa kasi inayokaribia mwanga. Kazi yake inategemea kuongezeka kwa nishati yao kwa uwanja wa umeme na mabadiliko ya trajectory - kwa moja ya sumaku.
Viongeza kasi vya chembe ni vya nini?
Vifaa hivi hutumika sana katika nyanja mbalimbali za sayansi na tasnia. Leo, kuna zaidi ya elfu 30 kati yao ulimwenguni kote. Kwa mwanafizikia, viongeza kasi vya chembe hutumika kama zana ya utafiti wa kimsingi juu ya muundo wa atomi, asili ya nguvu za nyuklia, na sifa za nuclei ambazo hazifanyiki katika maumbile. Mwisho ni pamoja na transuranium na vipengele vingine visivyo imara.
Kwa usaidizi wa bomba la kutoa uchafu, iliwezekana kubainisha chaji mahususi. Vichapuzi vya chembe pia hutumika katika utengenezaji wa radioisotopu, katika radiografia ya viwandani, katika tiba ya mionzi, katika ufanyaji wa sterilization ya nyenzo za kibaolojia, na katika radiocarbon.uchambuzi. Usakinishaji mkubwa zaidi hutumika katika utafiti wa mwingiliano wa kimsingi.
Muda wa maisha wa chembechembe zinazochajiwa wakati zimepumzika ikilinganishwa na kichapisho ni chini ya ule wa chembe zinazoongezwa kasi hadi kasi inayokaribiana na kasi ya mwanga. Hii inathibitisha uhusiano wa vipindi vya muda vya SRT. Kwa mfano, katika CERN, ongezeko la mara 29 la maisha ya muons kwa kasi ya 0.9994c lilipatikana.
Makala haya yanajadili jinsi kiongeza kasi cha chembe kinavyofanya kazi, ukuzaji wake, aina tofauti na vipengele bainifu.
Kanuni za kuongeza kasi
Bila kujali ni viongeza kasi vya chembe gani, vyote vina vipengele vya kawaida. Kwanza, lazima zote ziwe na chanzo cha elektroni katika kesi ya kinescope ya televisheni, au elektroni, protoni, na antiparticles zao katika kesi ya mitambo kubwa zaidi. Kwa kuongeza, lazima wote wawe na mashamba ya umeme ili kuharakisha chembe na mashamba ya sumaku ili kudhibiti trajectory yao. Kwa kuongeza, utupu katika kiongeza kasi cha chembe (10-11 mm Hg), yaani, kiwango cha chini cha hewa iliyobaki, ni muhimu ili kuhakikisha maisha marefu ya mihimili. Na, hatimaye, usakinishaji wote lazima uwe na njia ya kusajili, kuhesabu na kupima chembe zilizoharakishwa.
Kizazi
Elektroni na protoni, ambazo hutumiwa sana katika kuongeza kasi, hupatikana katika nyenzo zote, lakini kwanza zinahitaji kutengwa nazo. Elektroni kawaida hutengenezwatu kama katika kinescope - katika kifaa kinachoitwa "bunduki". Ni cathode (electrode hasi) katika utupu, ambayo ni joto kwa uhakika ambapo elektroni kuanza kuvunja mbali na atomi. Chembe zenye chaji hasi huvutiwa na anode (electrode chanya) na hupita kwenye plagi. Bunduki yenyewe pia ni kasi rahisi zaidi, kwani elektroni huhamia chini ya ushawishi wa uwanja wa umeme. Voltage kati ya cathode na anode kawaida huwa kati ya 50-150 kV.
Mbali na elektroni, nyenzo zote zina protoni, lakini viini vya atomi za hidrojeni pekee vinajumuisha protoni moja. Kwa hiyo, chanzo cha chembe za accelerators za protoni ni hidrojeni ya gesi. Katika kesi hiyo, gesi ni ionized na protoni hupuka kupitia shimo. Katika vichapuzi vikubwa, protoni mara nyingi hutolewa kama ioni hasi za hidrojeni. Ni atomi zilizo na elektroni ya ziada, ambayo ni bidhaa ya ionization ya gesi ya diatomiki. Ni rahisi kufanya kazi na ioni za hidrojeni zilizochajiwa vibaya katika hatua za mwanzo. Kisha hupitishwa kwenye karatasi nyembamba inayowanyima elektroni kabla ya hatua ya mwisho ya kuongeza kasi.
Kuongeza kasi
Viongeza kasi vya chembe hufanya kazi vipi? Kipengele muhimu cha yeyote kati yao ni uwanja wa umeme. Mfano rahisi zaidi ni uga sare tuli kati ya uwezo chanya na hasi wa umeme, sawa na ule uliopo kati ya vituo vya betri ya umeme. Katika vileshamba, elektroni inayobeba chaji hasi iko chini ya nguvu inayoielekeza kuelekea uwezo chanya. Anamharakisha, na ikiwa hakuna kitu cha kuzuia hili, kasi yake na nishati huongezeka. Elektroni zinazosogea kuelekea uwezo chanya katika waya au hata angani hugongana na atomi na kupoteza nishati, lakini zikiwa katika ombwe, huongezeka kasi zinapokaribia anodi.
Kiwango kati ya nafasi ya kwanza na ya mwisho ya elektroni huamua nishati inayopatikana nayo. Wakati wa kusonga kupitia tofauti inayowezekana ya 1 V, ni sawa na 1 volt elektroni (eV). Hii ni sawa na joule 1.6 × 10-19. Nishati ya mbu anayeruka ni mara trilioni kubwa zaidi. Katika kinescope, elektroni huharakishwa na voltage ya zaidi ya 10 kV. Vichapuzi vingi hupata nishati ya juu zaidi, inayopimwa kwa mega-, giga-, na teraelectronvolts.
Aina
Baadhi ya aina za awali zaidi za viongeza kasi vya chembe, kama vile kiongeza volti na jenereta ya Van de Graaff, zilitumia sehemu za umeme zisizobadilika zinazozalishwa na uwezo wa hadi volti milioni moja. Si rahisi kufanya kazi na viwango vya juu vile. Njia mbadala ya vitendo zaidi ni hatua ya kurudia ya mashamba dhaifu ya umeme yanayotokana na uwezo mdogo. Kanuni hii hutumiwa katika aina mbili za accelerators za kisasa - linear na cyclic (hasa katika cyclotrons na synchrotrons). Vichapuzi vya chembe laini, kwa kifupi, hupitisha mara moja kupitia mlolongokuongeza kasi ya mashamba, wakati katika moja ya mzunguko wao kurudia kusonga kwenye njia ya mviringo kupitia mashamba madogo ya umeme. Katika hali zote mbili, nishati ya mwisho ya chembe hutegemea athari iliyounganishwa ya uga, ili "mishtuko" mingi midogo iongezeke ili kutoa athari ya pamoja ya moja kubwa.
Muundo unaojirudia wa kichapuzi cha mstari ili kuunda sehemu za umeme kwa kawaida huhusisha matumizi ya AC badala ya voltage ya DC. Chembe zilizochajiwa vyema huharakishwa kuelekea uwezo hasi na hupata msukumo mpya iwapo zitapita kwa chanya. Katika mazoezi, voltage inapaswa kubadilika haraka sana. Kwa mfano, kwa nishati ya 1 MeV, protoni husafiri kwa kasi ya juu sana ya 0.46 kasi ya mwanga, ikisafiri 1.4 m katika 0.01 ms. Hii ina maana kwamba katika muundo wa kurudia mita kadhaa kwa muda mrefu, mashamba ya umeme yanapaswa kubadili mwelekeo kwa mzunguko wa angalau 100 MHz. Viongeza kasi vya mstari na mzunguko wa chembe zinazochajiwa, kama sheria, huziongeza kasi kwa kutumia sehemu za umeme zinazobadilishana na mzunguko wa 100 hadi 3000 MHz, yaani, kuanzia mawimbi ya redio hadi microwaves.
Wimbi la sumakuumeme ni mchanganyiko wa sehemu za umeme na sumaku zinazopishana ambazo huzungukana kwa upenyo. Hatua muhimu ya accelerator ni kurekebisha wimbi ili wakati chembe inakuja, shamba la umeme linaelekezwa kwa mujibu wa vector ya kuongeza kasi. Hii inaweza kufanywa na wimbi lililosimama - mchanganyiko wa mawimbi yanayosafiri kwa mwelekeo tofauti katika kitanzi kilichofungwa.nafasi, kama mawimbi ya sauti kwenye bomba la chombo. Njia mbadala ya elektroni zinazosonga haraka sana zinazokaribia kasi ya mwanga ni wimbi linalosafiri.
Kuweka kiotomatiki
Athari muhimu unapoongeza kasi katika sehemu ya umeme inayopishana ni "kubadilisha kiotomatiki". Katika mzunguko mmoja wa oscillation, uwanja unaobadilishana huenda kutoka sifuri kupitia thamani ya juu tena hadi sifuri, huanguka kwa kiwango cha chini na hupanda hadi sifuri. Kwa hivyo hupitia thamani inayohitajika ili kuharakisha mara mbili. Ikiwa chembe ya kuharakisha inakuja haraka sana, basi haitaathiriwa na shamba la nguvu za kutosha, na kushinikiza itakuwa dhaifu. Atakapofika sehemu inayofuata, atachelewa na atapata athari kubwa zaidi. Matokeo yake, autophasing itatokea, chembe zitakuwa katika awamu na shamba katika kila eneo la kuongeza kasi. Athari nyingine itakuwa kuzikusanya kwa muda katika makundi badala ya mtiririko unaoendelea.
mwelekeo wa mwalo
Nyuga za sumaku pia zina jukumu muhimu katika jinsi kiongeza kasi cha chembe chenye chaji hufanya kazi, kwani zinaweza kubadilisha mwelekeo wa harakati zake. Hii ina maana kwamba wanaweza kutumika "kupiga" mihimili kwenye njia ya mviringo ili waweze kupitia sehemu hiyo ya kuongeza kasi mara kadhaa. Katika hali rahisi zaidi, chembe iliyochajiwa inayosogea kwenye pembe za kulia kuelekea mwelekeo wa uga sare wa sumaku inakabiliwa na nguvu.perpendicular wote kwa vekta ya uhamisho wake na kwa shamba. Hii husababisha boriti kusogea kwenye njia ya mduara inayoelekea kwenye uwanja hadi inapoacha eneo lake la kufanyia kazi au nguvu nyingine kuanza kuishughulikia. Athari hii hutumiwa katika viongeza kasi vya mzunguko kama vile cyclotron na synchrotron. Katika cyclotron, shamba la mara kwa mara huzalishwa na sumaku kubwa. Chembe, wakati nishati yao inakua, inazunguka nje, ikiongezeka kwa kila mapinduzi. Katika synchrotron, mashada huzunguka pete yenye radius ya mara kwa mara, na uwanja unaoundwa na sumaku-umeme karibu na pete huongezeka kadri chembe zinavyoongeza kasi. Sumaku "zinazopinda" ni dipole zenye ncha ya kaskazini na kusini iliyopinda kwa umbo la kiatu cha farasi ili boriti ipite kati yao.
Kazi ya pili muhimu ya sumaku-umeme ni kukazia miale ili iwe nyembamba na mikali iwezekanavyo. Njia rahisi zaidi ya sumaku inayolenga iko na miti minne (mbili kaskazini na mbili kusini) kinyume na kila mmoja. Wanasukuma chembe kuelekea katikati kwa mwelekeo mmoja, lakini waruhusu kueneza kwa mwelekeo wa perpendicular. Sumaku za Quadrupole huelekeza boriti kwa mlalo, na kuiruhusu kwenda nje ya mwelekeo wima. Kwa kufanya hivyo, lazima zitumike kwa jozi. Sumaku ngumu zaidi zilizo na nguzo nyingi (6 na 8) pia hutumika kulenga kwa usahihi zaidi.
Nishati ya chembe inapoongezeka, nguvu ya uga wa sumaku inayoziongoza huongezeka. Hii inaweka boriti kwenye njia sawa. Kifuniko huletwa ndani ya pete na kuharakishwanishati inayohitajika kabla ya kuondolewa na kutumika katika majaribio. Uondoaji hupatikana kwa sumaku-umeme ambazo huwashwa ili kusukuma chembe kutoka kwenye pete ya synchrotron.
Mgongano
Viongeza kasi vya chembe zinazotumika katika dawa na viwandani hasa huzalisha miale kwa madhumuni mahususi, kama vile matibabu ya mionzi au upandikizaji wa ayoni. Hii ina maana kwamba chembe hutumiwa mara moja. Kwa miaka mingi, vivyo hivyo kwa viongeza kasi vinavyotumiwa katika utafiti wa kimsingi. Lakini katika miaka ya 1970, pete zilitengenezwa ambazo mihimili miwili inazunguka kwa mwelekeo tofauti na kugongana kwenye mzunguko mzima. Faida kuu ya mitambo hiyo ni kwamba katika mgongano wa kichwa, nishati ya chembe huenda moja kwa moja kwenye nishati ya mwingiliano kati yao. Hii inatofautiana na kile kinachotokea wakati boriti inagongana na nyenzo wakati wa kupumzika: katika kesi hii, nishati nyingi hutumiwa kuweka nyenzo inayolengwa katika mwendo, kwa mujibu wa kanuni ya uhifadhi wa kasi.
Baadhi ya mashine za boriti zinazogongana zimejengwa kwa pete mbili zinazokatiza katika sehemu mbili au zaidi, ambamo chembe za aina moja huzunguka pande tofauti. Colliders na chembe na antiparticles ni ya kawaida zaidi. Antiparticle ina malipo kinyume cha chembe inayohusika. Kwa mfano, positron ina chaji chanya, wakati elektroni ina chaji hasi. Hii inamaanisha kuwa uwanja unaoharakisha elektroni hupunguza kasi ya positron,kusonga katika mwelekeo huo huo. Lakini ikiwa mwisho unakwenda kinyume chake, itaongeza kasi. Vile vile, elektroni inayotembea kupitia shamba la magnetic itainama upande wa kushoto, na positron itapiga kulia. Lakini ikiwa positron inakwenda kuelekea hiyo, basi njia yake bado itapotoka kwenda kulia, lakini pamoja na curve sawa na elektroni. Kwa pamoja, hii ina maana kwamba chembe hizi zinaweza kusonga kando ya pete ya synchrotron kutokana na sumaku sawa na kuharakishwa na mashamba sawa ya umeme katika mwelekeo tofauti. Vijigonga vingi vyenye nguvu zaidi kwenye miale inayogongana vimeundwa kulingana na kanuni hii, kwa kuwa ni pete moja tu ya kiongeza kasi inayohitajika.
Boriti katika synchrotron haisogei mfululizo, lakini inaunganishwa kuwa "clumps". Zinaweza kuwa na urefu wa sentimita kadhaa na sehemu ya kumi ya kipenyo cha milimita, na huwa na takriban chembe 1012. Huu ni msongamano mdogo, kwani dutu ya saizi hii ina atomi 1023. Kwa hiyo, wakati mihimili inapoingiliana na mihimili inayokuja, kuna nafasi ndogo tu kwamba chembe zitaingiliana. Katika mazoezi, makundi yanaendelea kusonga kando ya pete na kukutana tena. Utupu wa kina katika kiongeza kasi cha chembe (10-11 mmHg) ni muhimu ili chembe hizo ziweze kuzunguka kwa saa nyingi bila kugongana na molekuli za hewa. Kwa hivyo, pete hizo pia huitwa mkusanyiko, kwani vifurushi huhifadhiwa ndani yake kwa masaa kadhaa.
Jisajili
Viongeza kasi vya chembe kwa sehemu kubwa vinaweza kusajili kile kitakachofanyika linichembe zinapogonga lengo au boriti nyingine inayosonga kinyume. Katika kinescope ya televisheni, elektroni kutoka kwa bunduki hupiga fosforasi kwenye uso wa ndani wa skrini na hutoa mwanga, ambayo hivyo hutengeneza upya picha iliyopitishwa. Katika vichambuzi vya kasi, vigunduzi hivyo maalum hujibu kwa chembe zilizotawanyika, lakini kwa kawaida hutengenezwa ili kuzalisha ishara za umeme ambazo zinaweza kubadilishwa kuwa data ya kompyuta na kuchambuliwa kwa kutumia programu za kompyuta. Vipengele vilivyochajiwa pekee huunda ishara za umeme kwa kupitia nyenzo, kwa mfano na atomi za kusisimua au za ionizing, na zinaweza kugunduliwa moja kwa moja. Chembe zisizoegemea upande wowote kama vile neutroni au fotoni zinaweza kutambuliwa kwa njia isiyo ya moja kwa moja kupitia tabia ya chembe chembe zilizochaji ambazo huweka katika mwendo.
Kuna vigunduzi vingi maalum. Baadhi yao, kama kihesabu cha Geiger, huhesabu tu chembe, wakati zingine hutumiwa, kwa mfano, kurekodi nyimbo, kupima kasi au kupima kiwango cha nishati. Vigunduzi vya kisasa vinatofautiana kwa ukubwa na teknolojia kutoka kwa vifaa vidogo vilivyounganishwa chaji hadi vyumba vikubwa vilivyojaa gesi kwa waya ambavyo hutambua vijia vilivyo na ioni vilivyoundwa na chembe zinazochajiwa.
Historia
Viongeza kasi vya chembe viliundwa ili kuchunguza sifa za viini vya atomiki na chembe msingi. Kutoka kwa ugunduzi wa mmenyuko kati ya kiini cha nitrojeni na chembe ya alpha na mwanafizikia wa Uingereza Ernest Rutherford mnamo 1919, utafiti wote katika fizikia ya nyuklia hadi1932 ilitumika na viini vya heliamu iliyotolewa kutokana na kuoza kwa vipengele vya asili vya mionzi. Chembe asilia za alfa zina nishati ya kinetic ya 8 MeV, lakini Rutherford aliamini kwamba ili kutazama kuoza kwa nuclei nzito, lazima ziharakishwe kwa njia ya bandia hadi maadili makubwa zaidi. Wakati huo ilionekana kuwa ngumu. Hata hivyo, hesabu iliyofanywa mwaka wa 1928 na Georgy Gamow (katika Chuo Kikuu cha Göttingen, Ujerumani) ilionyesha kwamba ayoni zenye nishati ya chini zaidi zingeweza kutumiwa, na hilo lilichochea majaribio ya kujenga kituo ambacho kilitoa boriti ya kutosha kwa ajili ya utafiti wa nyuklia.
Matukio mengine ya kipindi hiki yalionyesha kanuni ambazo viambatanisho vya chembechembe hujengwa hadi leo. Majaribio ya kwanza ya mafanikio na ioni za kasi ya bandia yalifanywa na Cockcroft na W alton mwaka wa 1932 katika Chuo Kikuu cha Cambridge. Kwa kutumia kizidishi cha voltage, waliharakisha protoni hadi 710 keV na walionyesha kuwa mwisho huguswa na kiini cha lithiamu kuunda chembe mbili za alpha. Kufikia 1931, katika Chuo Kikuu cha Princeton huko New Jersey, Robert van de Graaff alikuwa ameunda jenereta ya kwanza ya uwezo wa juu wa ukanda wa umeme. Viongeza nguvu vya Cockcroft-W alton na jenereta za Van de Graaff bado vinatumika kama vyanzo vya nishati kwa viongeza kasi.
Kanuni ya kiongeza kasi cha resonant yenye mstari ilionyeshwa na Rolf Wideröe mwaka wa 1928. Katika Chuo Kikuu cha Teknolojia cha Rhine-Westphalian huko Aachen, Ujerumani, alitumia voltage ya juu kupishana kuharakisha ayoni za sodiamu na potasiamu kwa nishati mara mbili.kuzidi wale walioripotiwa nao. Mnamo mwaka wa 1931 nchini Marekani, Ernest Lawrence na msaidizi wake David Sloan wa Chuo Kikuu cha California, Berkeley walitumia maeneo ya masafa ya juu ili kuharakisha ioni za zebaki kwa nishati zinazozidi 1.2 MeV. Kazi hii ilisaidia kuongeza kasi ya chembe nzito ya Wideröe, lakini miale ya ioni haikufaa katika utafiti wa nyuklia.
Kichapuzi cha sumaku cha resonant, au cyclotron, kilibuniwa na Lawrence kama urekebishaji wa usakinishaji wa Wideröe. Mwanafunzi wa Lawrence Livingston alionyesha kanuni ya cyclotron mnamo 1931 kwa kutoa ioni 80 za keV. Mnamo 1932 Lawrence na Livingston walitangaza kuongeza kasi ya protoni hadi zaidi ya 1 MeV. Baadaye katika miaka ya 1930, nishati ya cyclotron ilifikia MeV 25 hivi, na ya jenereta za Van de Graaff ilifikia MeV 4 hivi. Mnamo 1940, Donald Kerst, akitumia matokeo ya hesabu za obiti kwa uangalifu kwa muundo wa sumaku, aliunda betatron ya kwanza, kichapuzi cha elektroni cha sumaku, katika Chuo Kikuu cha Illinois.
Fizikia ya kisasa: viongeza kasi vya chembe
Baada ya Vita vya Pili vya Ulimwengu, sayansi ya kuongeza kasi ya chembe hadi nishati nyingi ilifanya maendeleo ya haraka. Ilianzishwa na Edwin Macmillan huko Berkeley na Vladimir Veksler huko Moscow. Mnamo 1945, wote wawili walielezea kwa uhuru kanuni ya utulivu wa awamu. Dhana hii inatoa njia ya kudumisha mizunguko ya chembe thabiti katika kiongeza kasi cha mzunguko, ambayo iliondoa kikomo cha nishati ya protoni na kuifanya iwezekane kuunda vichapuzi vya resonance ya sumaku (syncrotrons) kwa elektroni. Autophasing, utekelezaji wa kanuni ya utulivu wa awamu, imethibitishwa baada ya ujenzisynchrocyclotron ndogo katika Chuo Kikuu cha California na synchrotron huko Uingereza. Muda mfupi baadaye, kiongeza kasi cha resonant cha kwanza cha mstari wa protoni kiliundwa. Kanuni hii imetumika katika synchrotroni zote kubwa za protoni zilizojengwa tangu wakati huo.
Mnamo 1947, William Hansen, katika Chuo Kikuu cha Stanford huko California, alitengeneza kichapuzi cha kwanza cha laini cha elektroni kinachosafiri kwa kutumia teknolojia ya microwave ambayo ilitengenezwa kwa rada wakati wa Vita vya Pili vya Dunia.
Mafanikio katika utafiti yaliwezekana kwa kuongeza nishati ya protoni, ambayo ilisababisha ujenzi wa vichapuzi vikubwa zaidi. Hali hii imesimamishwa na gharama kubwa ya kutengeneza sumaku kubwa za pete. Uzito mkubwa zaidi ni tani 40,000. Njia za kuongeza nishati bila kuongeza ukubwa wa mashine zilionyeshwa mwaka wa 1952 na Livingston, Courant na Snyder katika mbinu ya kuzingatia alternating (wakati mwingine huitwa kuzingatia kwa nguvu). Synchrotrons kulingana na kanuni hii hutumia sumaku ndogo mara 100 kuliko hapo awali. Kuzingatia kama hii kunatumika katika visawazishaji vyote vya kisasa.
Mnamo 1956, Kerst aligundua kuwa ikiwa seti mbili za chembe zingewekwa katika njia zinazopishana, zingeweza kuonekana zikigongana. Utumiaji wa wazo hili ulihitaji mkusanyiko wa mihimili iliyoharakishwa katika mizunguko inayoitwa uhifadhi. Teknolojia hii iliwezesha kufikia kiwango cha juu cha nishati ya mwingiliano ya chembe.
