|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Akcelerator cząstek naładowanych. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Współczesna fizyka ma wypróbowany i przetestowany sposób na przeniknięcie tajemnic jądra atomowego - bombardowanie go cząsteczkami lub napromienianie i sprawdzanie, co się z nim stanie. Do pierwszych badań atomu i jego jądra wystarczyła energia promieniowania powstająca w wyniku naturalnego rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Ale wkrótce ta energia nie wystarczyła i aby „zajrzeć” jeszcze głębiej w jądro, fizycy musieli zastanowić się, jak sztucznie stworzyć strumień wysokoenergetycznych cząstek. Wiadomo, że po wpadnięciu między elektrody o różnych ładunkach naładowana cząstka, na przykład elektron lub proton, przyspiesza ruch pod działaniem sił elektrycznych. Zjawisko to zrodziło w latach 1930. XX wieku pomysł stworzenia tzw. akceleratora liniowego. Z założenia akcelerator liniowy to długa prosta komora rurowa, wewnątrz której utrzymywana jest próżnia. Na całej długości komory umieszczona jest duża liczba metalowych rurek-elektrod. Ze specjalnego generatora wysokiej częstotliwości na elektrody podawane jest przemienne napięcie elektryczne - tak, że gdy pierwsza elektroda jest naładowana, powiedzmy dodatnio, druga elektroda będzie naładowana ujemnie. Potem znowu elektroda dodatnia, a następnie ujemna.
Wiązka elektronów jest wystrzeliwana z „działu” elektronowego do komory i pod działaniem potencjału pierwszej, dodatniej elektrody, zaczyna przyspieszać, prześlizgując się dalej przez nią. W tym samym momencie zmienia się faza napięcia zasilającego, a elektroda po prostu naładowana dodatnio staje się ujemna. Teraz odpycha elektrony od siebie, jakby popychał je od tyłu. A druga elektroda, która w tym czasie stała się dodatnia, przyciąga do siebie elektrony, jeszcze bardziej je przyspieszając. Następnie, gdy przelatują przez nią elektrony, ponownie zmieni się na ujemną i popchnie je w kierunku trzeciej elektrody. Tak więc, gdy elektrony poruszają się do przodu, stopniowo przyspieszają, osiągając prędkość bliską światłu pod koniec komory i nabierając energii setek milionów elektronowoltów. Przez nieprzepuszczalne dla powietrza okienko na końcu tuby pada na badane obiekty mikroświata – atomy i ich jądra – porcję przyśpieszonych elektronów. Łatwo zrozumieć, że im więcej energii chcemy przekazać cząstkom, tym dłuższa powinna być rura akceleratora liniowego – dziesiątki, a nawet setki metrów. Ale nie zawsze jest to możliwe. Teraz, jeśli zwiniesz rurę w zwartą spiralę. Wtedy taki akcelerator można było swobodnie postawić w laboratorium. Inne zjawisko fizyczne pomogło wprowadzić ten pomysł w życie. Naładowana cząstka, znajdując się w polu magnetycznym, zaczyna poruszać się nie po linii prostej, ale „zawija się” wokół linii pola magnetycznego. W ten sposób pojawił się inny rodzaj akceleratora - cyklotron. Pierwszy cyklotron zbudował w 1930 roku E. Lawrence w USA.
Główną częścią cyklotronu jest potężny elektromagnes, pomiędzy biegunami którego umieszczona jest płaska cylindryczna komora. Składa się z dwóch półokrągłych metalowych pudełek oddzielonych niewielką szczeliną. Skrzynki te - bony - służą jako elektrody i są podłączone do biegunów generatora napięcia przemiennego. W środku komory znajduje się źródło naładowanych cząstek - coś w rodzaju elektronicznego "pistoletu".
Po wylocie ze źródła cząstka (załóżmy, że jest to proton naładowany dodatnio) jest natychmiast przyciągana do elektrody, która obecnie jest naładowana ujemnie. Wewnątrz elektrody nie ma pola elektrycznego, więc cząsteczka leci w niej przez bezwładność. Pod wpływem pola magnetycznego, którego linie siły są prostopadłe do płaszczyzny trajektorii, cząstka zakreśla półkole i leci do szczeliny między elektrodami. W tym czasie pierwsza elektroda staje się dodatnia i teraz wypycha cząsteczkę, podczas gdy druga ją wciąga. W ten sposób, przechodząc od jednego dudka do drugiego, cząsteczka nabiera prędkości i opisuje rozwijającą się spiralę. Cząsteczki są usuwane z komory za pomocą specjalnych magnesów na cel eksperymentatorów. Im bliżej prędkość cząstek w cyklotronie zbliża się do prędkości światła, tym stają się cięższe i zaczynają stopniowo pozostawać w tyle za zmieniającym się znakiem napięcia elektrycznego na dutach. Nie dopasowują się już do czasu z siłami elektrycznymi i przestają przyspieszać. Ograniczająca energia, którą można przekazać cząsteczkom w cyklotronie, wynosi 25-30 MeV. Aby pokonać tę barierę, częstotliwość napięcia elektrycznego podawanego naprzemiennie na duniki jest stopniowo zmniejszana, dostosowując ją do rytmu „cięższych” cząstek. Akcelerator tego typu nazywa się synchrocyklotronem. Jeden z największych synchrocyklotronów w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej (koło Moskwy) wytwarza protony o energii 680 MeV i deuterony (ciężkie jądra wodoru - deuter) o energii 380 MeV. W tym celu konieczne było zbudowanie komory próżniowej o średnicy 3 metrów oraz elektromagnesu o wadze 7000 ton! Ponieważ fizycy wnikali głębiej w strukturę jądra, potrzebne były coraz wyższe cząstki energii. Konieczne stało się zbudowanie jeszcze potężniejszych akceleratorów - synchrotronów i synchrofazotronów, w których cząstki poruszają się nie po spirali, ale w zamkniętym kole w komorze pierścieniowej. W 1944 roku niezależnie od siebie sowiecki fizyk V.I. Veksler i amerykański fizyk E.M. Macmillan odkrył zasadę autofazy. Istota metody jest następująca: jeśli pola zostaną wybrane w określony sposób, cząstki automatycznie wejdą w fazę z napięciem przyspieszającym cały czas. W 1952 roku amerykańscy naukowcy E. Courant, M. Livingston i H. Snyder zaproponowali tzw. twarde ogniskowanie, które dociska cząstki do osi ruchu. Dzięki tym odkryciom udało się stworzyć synchrofazotrony o dowolnie wysokich energiach. Istnieje inny system klasyfikacji akceleratorów - według rodzaju przyspieszającego pola elektrycznego. Akceleratory wysokonapięciowe działają dzięki dużej różnicy potencjałów między elektrodami przestrzeni przyspieszającej, która jest aktywna przez cały czas, gdy cząstki przelatują między elektrodami. W akceleratorach indukcyjnych „działa” wirowe pole elektryczne, które jest indukowane (wzbudzane) w miejscu, w którym aktualnie znajdują się cząstki. I wreszcie, akceleratory rezonansowe wykorzystują elektryczne pole przyspieszające, które zmienia się w czasie i wielkości, synchronicznie z którym „w rezonans” przyspiesza się cały „zestaw” cząstek. Kiedy ludzie mówią o nowoczesnych wysokoenergetycznych akceleratorach cząstek, mają na myśli głównie akceleratory rezonansu pierścieniowego. W jeszcze innym typie akceleratora - protonie - dla bardzo wysokich energii, pod koniec okresu przyspieszania, prędkość cząstek zbliża się do prędkości światła. Krążą po orbicie kołowej ze stałą częstotliwością. Akceleratory dla protonów o wysokiej energii nazywane są synchrotronami protonowymi. Trzy największe znajdują się w USA, Szwajcarii i Rosji. Energia obecnie działających akceleratorów sięga dziesiątek i setek gigaelektronowoltów (1 GeV = 1000 MeV). Jednym z największych na świecie jest synchrofazotron protonowy U-70 Instytutu Fizyki Wysokich Energii w podmoskiewskim Protvino, który został oddany do użytku w 1967 roku. Średnica pierścienia przyspieszającego wynosi półtora kilometra, łączna masa 120 sekcji magnetycznych sięga 20000 10 ton. Co dwie sekundy akcelerator strzela do celów salwą od 76 do dwunastej potęgi protonów o energii 400000 GeV (czwarty wskaźnik na świecie). Aby osiągnąć tę energię, cząstki muszą wykonać 60000 XNUMX obrotów, pokonując dystans XNUMX XNUMX kilometrów! Wybudowano tu również podziemny tunel pierścieniowy o długości dwudziestu jeden kilometrów dla nowego akceleratora. Ciekawe, że starty akceleratorów w Dubnej czy Protvino w czasach sowieckich odbywały się tylko w nocy, ponieważ były one zasilane prawie całą energią elektryczną nie tylko w Moskwie, ale także w sąsiednich regionach! W 1973 roku amerykańscy fizycy uruchomili akcelerator w mieście Batavia, w którym cząstki zdołały przekazać energię 400 GeV, a następnie doprowadzić ją do 500 GeV. Dziś najpotężniejszy akcelerator znajduje się w USA. Nazywa się go „Tevatronem”, ponieważ w jego pierścieniu o długości ponad sześciu kilometrów, za pomocą magnesów nadprzewodzących, protony uzyskują energię około 1 teraelektronowolta (1 TeV równa się 1000 GeV).
Aby osiągnąć jeszcze wyższą energię oddziaływania wiązki przyspieszanych cząstek z materiałem badanego obiektu fizycznego, konieczne jest rozproszenie „celu” w kierunku „pocisku”. Aby to zrobić, zorganizuj zderzenie wiązek cząstek lecących ku sobie w specjalnych akceleratorach - zderzaczach. Oczywiście gęstość cząstek w zderzających się wiązkach nie jest tak duża, jak w materiale nieruchomego „celu”, dlatego do jej zwiększenia stosuje się tzw. akumulatory. Są to pierścieniowe komory próżniowe, do których cząstki są wrzucane „porcjami” z akceleratora. Akumulatory wyposażone są w układy przyspieszające, które kompensują straty energii cząstek. To właśnie ze zderzaczami naukowcy kojarzą dalszy rozwój akceleratorów. Do tej pory zbudowano tylko kilka z nich, a znajdują się one w najbardziej rozwiniętych krajach świata – w USA, Japonii, Niemczech, a także w Europejskim Centrum Badań Jądrowych z siedzibą w Szwajcarii. Nowoczesny akcelerator to „fabryka” do produkcji intensywnych wiązek cząstek – elektronów lub protonów 2000 razy cięższych. Wiązka cząstek z akceleratora kierowana jest na „cel” wybrany na podstawie zadań eksperymentu. Zderzając się z nim, powstają różne cząstki wtórne. Celem eksperymentów są narodziny nowych cząstek. Za pomocą specjalnych urządzeń - detektorów - te cząstki lub ich ślady są rejestrowane, przywracana jest trajektoria ruchu, określana jest masa cząstek, ładunek elektryczny, prędkość i inne cechy. Następnie, poprzez złożone przetwarzanie matematyczne informacji otrzymanych z detektorów, cała „historia” interakcji zostaje odtworzona na komputerach i porównując wyniki pomiarów z modelem teoretycznym wyciąga się wnioski, czy rzeczywiste procesy pokrywają się ze skonstruowanym modelem, czy nie. . W ten sposób uzyskuje się nową wiedzę o właściwościach cząstek wewnątrzjądrowych. Im wyższa energia pozyskiwana przez cząstkę w akceleratorze, tym silniej oddziałuje na atom „docelowy” lub przeciwcząstkę w zderzaczu, tym mniejsze będą „fragmenty”. Na przykład przy pomocy zderzacza w Stanach Zjednoczonych przeprowadzane są eksperymenty mające na celu odtworzenie w warunkach laboratoryjnych Wielkiego Wybuchu, od którego miał się zacząć nasz Wszechświat. W tym śmiałym eksperymencie wzięli udział fizycy z dwudziestu krajów, w tym przedstawiciele Rosji. Grupa rosyjska latem 2000 roku bezpośrednio uczestniczyła w eksperymencie, pełniła służbę przy akceleratorze i zbierała dane. Oto, co mówi jeden z rosyjskich naukowców - uczestników tego eksperymentu - kandydat nauk fizycznych i matematycznych, profesor nadzwyczajny MEPhI Valery Mikhailovich Emelyanov: "60 mil od Nowego Jorku, na Long Island, akcelerator RHIC - relatywistyczny zderzacz ciężkich jonów - zbudowany na ciężkich jonach relatywistycznych "Ciężki" - ponieważ już w tym roku zaczął pracować z wiązkami jąder atomów złota "Relatywistyczny" - też zrozumiały, mówimy o prędkościach, przy których efekty szczególnej teorii względności ujawniają się we wszystkich ich chwała. A „zderzacz” (od zderzenia - do zderzenia) nazywa się, ponieważ w jego pierścieniu dochodzi do zderzenia zderzających się wiązek jąder. Nawiasem mówiąc, w naszym kraju nie ma tego typu akceleratorów. Energia, która spada na jeden nukleon to 100 GeV. To dużo – prawie dwa razy więcej niż wcześniej osiągnięto. Pierwsze zderzenie fizyczne zarejestrowano 25 czerwca 2000 r.” Zadaniem naukowców była próba zarejestrowania nowego stanu materii jądrowej – plazmy kwarkowo-gluonowej. „Zadanie jest bardzo skomplikowane” – kontynuuje Jemelyanov – „i matematycznie jest generalnie niepoprawne: ten sam ustalony rozkład cząstek wtórnych pod względem pędu i prędkości może mieć zupełnie inne przyczyny. I tylko w szczegółowym eksperymencie, w którym bierze udział wiele detektorów , kalorymetry, czujniki krotności naładowanych cząstek, liczniki rejestrujące promieniowanie przejścia itp., istnieje nadzieja na zarejestrowanie najsubtelniejszych różnic tkwiących w plazmie kwarkowo-gluonowej. Mechanizm oddziaływania jąder przy tak wysokich energiach jest sam w sobie interesujący, ale co ważniejsze, po raz pierwszy w laboratorium zbadaj pochodzenie naszego wszechświata”. Autor: Musskiy S.A.
▪ Metro ▪ Radar ▪ Agrafka
Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt
06.05.2024 Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024
▪ Wydajny, emitujący światło materiał krzemowy ▪ Tani sposób na produkcję nanocząstek ▪ Rodzice palą - dzieci chorują
▪ sekcja witryny Wzmacniacze mocy RF. Wybór artykułu ▪ Strumień świadomości artykuł. Popularne wyrażenie ▪ Artykuł Dlaczego krowa daje mleko? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Państwowe badanie warunków pracy ▪ artykuł Właściwe słowo. Sekret ostrości
Komentarze do artykułu: gość Co się stanie, jeśli nie zostanie poprawnie zainstalowany?
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony