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El acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza métodos artificiales para generar partículas cargadas a alta velocidad. Es una herramienta importante para explorar las propiedades, la estructura interna y las interacciones de los núcleos y partículas atómicas. También tiene importantes y amplias aplicaciones prácticas en la producción industrial y agrícola, la atención médica y sanitaria, la ciencia y la tecnología, etc. Desde que E. Rutherford logró la primera transformación artificial de elementos bombardeando átomos de nitrógeno con rayos a emitidos por elementos radiactivos naturales en 1919, los físicos se han dado cuenta de que para comprender el núcleo es necesario utilizar partículas de alta velocidad para transformarlo. . La energía de las partículas proporcionada por la radiactividad natural es limitada, solo unos pocos MeV. Aunque la energía de las partículas en los rayos cósmicos naturales es muy alta, el flujo de partículas es extremadamente débil. Por ejemplo, partículas con una energía de 10 ^ 14 electronvoltios (eV). ) por hora En promedio, solo ocurre uno en un área de 1 metro cuadrado, y es imposible controlar el tipo, cantidad y energía de las partículas en los rayos cósmicos, lo que dificulta la realización de trabajos de investigación. Por lo tanto, para llevar a cabo investigaciones experimentales con los objetivos esperados, durante las últimas décadas se han desarrollado y construido una variedad de aceleradores de partículas, y su rendimiento se ha mejorado continuamente. En la vida diaria, los televisores y las instalaciones de rayos X son pequeños aceleradores de partículas.
Utilizando aceleradores de partículas, descubrió la mayoría de los nuevos elementos transuránicos y sintetizó miles de nuevos radionucleidos artificiales, y estudió sistemática y en profundidad la estructura básica del núcleo y sus leyes cambiantes, que impulsaron la física nuclear. La ciencia se ha desarrollado y madurado rápidamente; el desarrollo de aceleradores de alta energía ha permitido descubrir cientos de partículas, incluidos bariones, mesones, leptones y diversas partículas oscilatorias, y establecer la física de partículas. En los últimos 20 años, la aplicación de aceleradores ha ido mucho más allá de los campos de la física nuclear atómica y la física de partículas, y tiene importantes aplicaciones en otros campos científicos y tecnológicos como la ciencia de materiales, la física de superficies, la biología molecular, la fotoquímica, etc. Los aceleradores se utilizan ampliamente en diversos campos de la industria, la agricultura y la medicina para la producción de isótopos, diagnóstico y tratamiento de tumores, esterilización por radiación, pruebas no destructivas, polimerización por radiación de polímeros, modificación de radiación de materiales, implantación de iones, microanálisis de haces de iones y simulación de radiación espacial. , simulación de explosión nuclear, etc. Hasta ahora se han construido miles de aceleradores de partículas en todo el mundo, de los cuales una pequeña parte se utiliza para la investigación básica sobre núcleos atómicos y física de partículas. La mayoría del resto continúa desarrollándose para aumentar la energía y mejorar la calidad de los rayos. a la aplicación de rayos de partículas. Un "pequeño" acelerador centrado en la tecnología.
Edite la estructura de un acelerador de partículas en este párrafo
La estructura de un acelerador de partículas generalmente incluye tres partes principales: ① Fuente de partículas, utilizada para proporcionar las partículas aceleradas necesarias, incluidos los electrones. y positrones, protones, antiprotones, iones pesados, etc. ② Sistema de aceleración por vacío, que tiene una cierta forma de campo eléctrico de aceleración y, para acelerar las partículas sin que las moléculas de aire las dispersen, todo el sistema se coloca en una cámara de vacío con un vacío extremadamente alto. ③Sistema de guía y enfoque, que utiliza una determinada forma de campo electromagnético para guiar y restringir el haz de partículas aceleradas para que pueda aceptar la aceleración del campo eléctrico a lo largo de una trayectoria predeterminada. Todo esto requiere la integración y cooperación de tecnología alta, precisa y de vanguardia.
El índice de rendimiento de un acelerador es la energía que pueden alcanzar las partículas y la intensidad del flujo de partículas (intensidad del flujo). Según la energía de las partículas, los aceleradores se pueden dividir en aceleradores de baja energía (energía inferior a 10^8eV), aceleradores de energía media (energía entre 10^8~10^9eV), aceleradores de alta energía (energía entre 10^ 9~10^12eV) y aceleradores de energía ultra alta (energía superior a 10^12eV). Actualmente, los aceleradores de baja y media energía se utilizan principalmente en diversas aplicaciones prácticas.
Edita la clasificación de aceleradores de partículas en este párrafo
Los aceleradores de partículas se pueden dividir en aceleradores electrostáticos, aceleradores lineales, ciclotrones, aceleradores de inducción, sincrociclotrones y de colisión según sus diferentes principios de acción.
En 1929, el físico británico Cockcroft y Walton diseñaron y fabricaron un "multiplicador de voltaje", creando así el primer dispositivo del mundo para aumentar la energía de los protones, lo llamaron "acelerador electrostático de partículas". Este acelerador utiliza alto voltaje para acelerar protones hasta una energía de casi 400.000 electronvoltios, provocando la fisión nuclear de átomos de litio, logrando así por primera vez la fisión nuclear utilizando un cañón de partículas artificial. Por su trabajo, Cockcroft y Walton ganaron juntos el Premio Nobel de Física en 1951. Pero pronto se descubrió que los aceleradores de partículas electrostáticos producían enormes chispas cuando el voltaje era demasiado alto. De esta forma, es imposible aumentar aún más la energía del cañón de partículas.
Sin embargo, fue sobre la base del primer "acelerador de partículas electrostático" que los científicos continuaron trabajando duro para explorar, y más tarde desarrollaron con éxito aceleradores de partículas lineales, aceleradores de partículas ciclotrón, ciclotrones copupilados y protones. co-alumnos y otros aceleradores de partículas de mayor energía. Entre ellos, existen dos tipos básicos: acelerador circular y acelerador lineal.
Editar este párrafo Acelerador de anillo
Las partículas aceleradas se mueven en una estructura circular con una determinada energía. La órbita circular de las partículas está determinada por el dipolo magnético (imán dipolo controlado). . A diferencia de un acelerador lineal (Linac), la estructura de un acelerador circular puede acelerar partículas continuamente, y las partículas pasarán repetidamente por el mismo punto de la órbita circular. Pero la energía de las partículas se emite en forma de radiación sincrotrón.
La radiación sincrotrón es un tipo de radiación electromagnética que se emite cuando se acelera cualquier partícula cargada. Las partículas tienen una aceleración centrípeta cuando se mueven en una órbita circular, lo que hace que sigan irradiando. En este momento, se debe proporcionar una aceleración del campo eléctrico para reponer la energía perdida. La radiación sincrotrón es un tipo de radiación de alta potencia en la que un acelerador acelera los electrones para producir rayos X en la misma fase.
Además de acelerar electrones, algunos aceleradores también aceleran iones más pesados, como protones, para realizar investigaciones en campos de mayor energía. Por ejemplo, la investigación y el análisis de quarks y gluones en física de altas energías.
El primer acelerador circular fue el ciclotrón de partículas, inventado por Ernest O. Lawrence en 1912. El ciclotrón de partículas tiene un par de cajas huecas semicirculares (en forma de D) que transforman el campo eléctrico a una frecuencia fija para acelerar las partículas cargadas y un conjunto de dipolos magnéticos proporcionan un campo magnético para hacer girar las partículas en movimiento; Las partículas cargadas se aceleran desde el centro de la caja y luego siguen una trayectoria en espiral hasta el borde de la caja.
Los ciclotrones de partículas tienen sus limitaciones energéticas porque efectos relativistas especiales hacen que la masa de las partículas cambie a altas velocidades. Por lo tanto, la relación entre la relación núcleo-masa de la partícula y la frecuencia de giro cambia y es necesario recalcular muchos parámetros. Cuando la velocidad de las partículas se acerca a la velocidad de la luz, el ciclotrón de partículas necesita proporcionar más energía para permitir que las partículas continúen corriendo, y en este momento es posible que se haya alcanzado el límite mecánico del ciclotrón de partículas.
Cuando la energía del electrón alcanza unos diez millones de electronvoltios (10 MeV), el ciclotrón de partículas original ya no puede acelerar el electrón. Se deben utilizar otros métodos, como el uso de ciclotrones de partículas sincronizadas y ciclotrones de partículas isócronas. Estos aceleradores son adecuados para energías más altas, no para energías más bajas.
Si quieres alcanzar energías superiores, unos mil millones de electronvoltios (millones de eV o GeV), debes utilizar un sincrotrón. Los sincrotrones colocan partículas en un tubo de vacío con forma de anillo llamado anillo de almacenamiento. El anillo de almacenamiento tiene muchos dispositivos magnéticos para enfocar las partículas y permitir que giren en el anillo de almacenamiento. Se utiliza una cavidad de oscilación de microondas (alta frecuencia) para proporcionar un campo eléctrico para acelerar las partículas.
Editar este párrafo Acelerador lineal
Las partículas cargadas aceleran en línea recta y corren hasta el final del acelerador. Los aceleradores de menor energía, como los tubos de rayos catódicos y los generadores de rayos X, utilizan un par de placas de electrodos con una diferencia de voltaje de corriente continua (CC) de aproximadamente varios miles de voltios. En un generador de rayos X, el objetivo en sí es uno de los electrodos.
Los aceleradores lineales de mayor energía utilizan una combinación de placas de electrodos dispuestas en línea recta para proporcionar un campo eléctrico acelerador. Cuando una partícula cargada se acerca a una de las placas del electrodo, la placa del electrodo lleva una carga eléctrica opuesta que atrae la partícula cargada. Cuando las partículas cargadas pasan a través de una placa de electrodo, las placas de electrodo se cargan con las mismas propiedades eléctricas para repeler y empujar las partículas cargadas a la siguiente placa de electrodo. Por lo tanto, cuando se acelera un haz de partículas cargadas, el voltaje de corriente alterna (CA) en cada placa debe controlarse cuidadosamente para que cada haz de partículas cargadas pueda continuar acelerándose.
Cuando las partículas se acercan a la velocidad de la luz, la tasa de conversión del campo eléctrico debe volverse bastante alta, y se debe utilizar una cavidad de microondas (alta frecuencia) para operar el campo eléctrico acelerado.
Editar este párrafo La energía de los aceleradores de partículas
En los 20 años transcurridos desde la década de 1930 hasta la segunda mitad de la década de 1950, la energía de los aceleradores aumentó de cientos a miles de veces. Esto se debe al descubrimiento de las partículas elementales. Además de buscar en los rayos cósmicos, tenemos que buscar en el interior del núcleo atómico. Hay fuerzas muy poderosas dentro del núcleo que unen fuertemente las partículas elementales, por lo que estudiarlas requiere mucha energía.
A medida que aumenta la energía del acelerador, también aumenta el número de partículas elementales descubiertas en el laboratorio.
Hoy en día, la escala de los aceleradores de partículas es menor que la de una gran fábrica de fabricación de máquinas, su consumo de energía equivale al de una ciudad de tamaño mediano y su personal puede llegar a miles. Fábrica de fabricación de partículas cósmicas. Sin embargo, aunque la energía de los aceleradores de partículas actuales es lo suficientemente grande, todavía está lejos de cumplir con los requisitos para explorar los misterios de los átomos. Por lo tanto, a medida que la gente explore los misterios de los átomos en profundidad, los aceleradores de partículas seguirán mejorando.
Editar este párrafo El desarrollo de aceleradores de partículas
Los aceleradores de partículas se desarrollaron originalmente como un medio importante para que las personas exploraran los núcleos atómicos. Su historia de desarrollo se resume a continuación:
En 1919, Rutherford utilizó fuentes radiactivas naturales para lograr la primera reacción nuclear artificial de la historia, lo que inspiró el fuerte deseo de la gente de utilizar rayos de partículas rápidos para transformar los núcleos atómicos.
En 1928, los cálculos de Gamow sobre el efecto túnel cuántico demostraron que las partículas alfa con una energía muy inferior a la de los rayos naturales también pueden penetrar en el núcleo. Los resultados de la investigación aumentan aún más el interés y la determinación de las personas en el desarrollo de fuentes artificiales de partículas rápidas.
En 1932, J. D. John D. Cockroft y Earnest T. S. Walton desarrollaron y fabricaron un acelerador múltiple de alto voltaje de 700 kV para acelerar protones en el Laboratorio Cavendish de Inglaterra, el acelerador Cockroft-Walton, logrando la primera reacción nuclear de aceleración artificial Li(p,α)He provocada por partículas. Un divisor de voltaje de varios pasos genera un voltaje de CC de gradiente constante para acelerar los iones linealmente.
En 1930, Earnest O. Lawrence construyó el primer ciclotrón, que medía sólo 10cm de diámetro. Posteriormente, con financiación de M. Stanley Livingston, se construyó un ciclotrón más grande, con un diámetro de 25 cm, cuya energía de partículas aceleradas podía alcanzar 1 MeV. Unos años más tarde, utilizaron iones de hidrógeno de 4,8 MeV y haces de deuterio obtenidos del ciclotrón para bombardear el núcleo objetivo y producir un haz de neutrones de alta intensidad. También produjeron radionucleidos artificiales como 24Na, 32P y 131I por primera vez.
1940 Un nuevo tipo de betatrones de electrones aceleradores (Betatrones) fue inventado por D. W. Kerst utilizando el campo eléctrico de vórtice generado por inducción electromagnética. Es un acelerador circular que acelera los electrones. La diferencia con un ciclotrón es que la aceleración de los electrones se logra aumentando el flujo magnético que pasa a través de la órbita del electrón, y los electrones corren en una órbita fija. En este acelerador, la energía perdida por la radiación debe tratarse del mismo modo que los efectos relativistas de los electrones. Todas las partículas aceleradas irradian energía electromagnética y, dentro de un cierto rango de energía cinética, la pérdida de radiación de los electrones acelerados es mayor que la de los protones. Esta energía radiante perdida se llama radiación sincrotrón. Por tanto, la energía máxima de un betatrón está limitada a unos pocos cientos de MeV.
En el proceso de desarrollo del acelerador de inducción de electrones, se propuso la teoría de la oscilación de los electrones y se resolvió el problema de estabilidad de las partículas cargadas durante la aceleración. Esta teoría es aplicable a varios tipos de aceleradores de enfoque de campo magnético de gradiente. Por lo tanto, el acelerador ha jugado un papel importante en la historia del desarrollo de aceleradores.
Además de utilizarse principalmente para generar rayos gamma para reacciones nucleares y otras aplicaciones, los betatrones también se utilizan ampliamente en aspectos industriales y médicos: como ensayos no destructivos, irradiación industrial, radioterapia, etc.
En 1945, V.I. Wechsler y E.M. Macmillan propusieron respectivamente el principio de estabilización automática de fase en la aceleración resonante, y propusieron teóricamente un método para superar el límite superior de energía del ciclotrón, promoviendo así la construcción y el desarrollo. de una nueva generación de aceleradores ciclorresonantes de media y alta energía como son los sincrotrones de electrones, los sincrociclotrones y los sincrotrones de protones.
Las tres principales instalaciones de investigación de física de alta energía de China: el acelerador de partículas de China
En la década de 1980, mi país construyó sucesivamente tres importantes instalaciones de investigación de física de alta energía: el Beijing Electron Colisionador de positrones, Acelerador de iones pesados de Lanzhou e Instalación de radiación sincrotrón de Hefei.
¿Por qué el país gasta tanto dinero en construir estas tres instalaciones de investigación en física de alta energía?
Laboratorio del Acelerador de Radiación Sincrotrón de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la comprensión de los seres humanos sobre la estructura de la materia evolucionó gradualmente desde ver diversos materiales a nuestro alrededor hasta usar lupas, Los microscopios, y más tarde los aceleradores de partículas, los colisionadores de electrones, etc., penetran gradualmente en los niveles profundos de las células, los átomos, los átomos y los núcleos atómicos. Cada paso más profundo traerá enormes beneficios sociales y económicos. El descubrimiento del núcleo atómico y sus electrones extranucleares ha llevado al desarrollo de la radio, los semiconductores, la televisión, el radar, los láseres y los rayos X. La investigación sobre los núcleos atómicos en las últimas décadas ha sentado una base teórica para la utilización de la energía atómica. .
Para entender la microestructura de una sustancia, primero hay que romperla en pedazos. Los aceleradores de partículas utilizan partículas de alta velocidad para "romper" la sustancia medida, lo que permite que los positrones y los electrones negativos choquen en movimiento, lo que puede producir cambios máximos en la microestructura de la sustancia, lo que nos permite comprender las propiedades básicas de la sustancia.
Colisionador de electrones y positrones de Beijing
El colisionador de electrones y positrones de Beijing es una máquina que puede hacer que haces de electrones positivos y negativos viajen en direcciones opuestas en el mismo anillo. Un dispositivo experimental de física de alta energía. que acelera y choca de frente en un lugar designado. Debido al efecto del campo magnético, después de que el positrón y los electrones negativos ingresan al anillo, se mueven a lo largo de una órbita designada bajo el control de una computadora electrónica y chocan en un área designada dentro del anillo, lo que resulta en una reacción de alta energía. . Luego se utiliza un detector de partículas grandes para distinguir las partículas cargadas producidas después de la colisión y sus productos derivados, y las señales electrónicas extraídas se ingresan en la computadora para su procesamiento. Fue fundado el 7 de octubre de 1984 y terminado en octubre de 1988. Incluye el colisionador de electrones y positrones, el espectrómetro de Beijing (detector de partículas grandes) y la instalación de radiación sincrotrón de Beijing.
La finalización del Colisionador de Electrones y Positrones de Beijing ha abierto amplias perspectivas para la investigación de aplicaciones de radiación sincrotrón y física de partículas de mi país. Sus principales indicadores de rendimiento alcanzaron el nivel avanzado internacional en la década de 1980, y algunos indicadores de rendimiento siguen siendo los mejores entre dispositivos similares del mundo.
Acelerador de iones pesados de Lanzhou
Acelerador de iones pesados de Lanzhou El acelerador de iones pesados de Lanzhou es el primer acelerador de iones pesados desarrollado de forma independiente en mi país. También es el acelerador y de mayor energía en mi país. El acelerador de iones pesados con la mayor variedad de partículas y la mayor escala es el tercer ciclotrón de su tipo en el mundo después de Francia y Japón. Se puso en funcionamiento oficialmente en H de 1989, y sus principales indicadores tienen. Alcanzó el nivel avanzado internacional. Investigadores del Instituto de Física Moderna de la Academia de Ciencias de China utilizaron este acelerador para sintetizar y estudiar con éxito más de 10 nuevos nucleidos con ideas físicas innovadoras.
Instalación de Radiación Sincrotrón de Hefei
Acelerador Lineal del Laboratorio Nacional de Radiación Sincrotrón de Hefei La Instalación de Radiación Sincrotrón de Hefei estudia principalmente la estructura y los cambios del espectro después del acelerador de partículas, infiriendo así las propiedades básicas de estos. partículas. Fue fundado en abril de 1984 y oficialmente terminado el 26 de abril de 1989. Hasta ahora, ha construido cinco estaciones experimentales, ha recibido un gran número de usuarios nacionales y extranjeros y ha logrado una serie de resultados valiosos.
El Laboratorio del Acelerador de Radiación Sincrotrón de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China se completó y depuró antes de lo previsto en abril de 1989.
Acelerador de partículas láser
El científico estadounidense Tomas Plettner informó en las "Physical Review Letters" publicadas recientemente que él y sus colegas de la Universidad de Stanford y el Centro de Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) utilizaron un acelerador comercial. Un láser con una longitud de onda de 800 nanómetros modula la energía de los electrones que viajan en el vacío, logrando el mismo efecto de modulación que un campo eléctrico que disminuye a 40 millones de voltios por metro. Se espera que esta tecnología se convierta en un nuevo tipo de acelerador de partículas láser, utilizado para acelerar partículas del orden de Tev (billones de electronvoltios).
Los aceleradores tradicionales deben convertirse en gigantes de cientos de metros o incluso más para aumentar la energía de las partículas al nivel requerido por los físicos de partículas. En los últimos años, los científicos han desarrollado una tecnología basada principalmente en plasma láser, que puede alcanzar gradientes de aceleración más altos que los aceleradores tradicionales, permitiendo así acortar la duración de la aceleración. Sin embargo, algunas técnicas anteriores a menudo resultaban en pérdidas de radiación en el sincrotrón o reducían la calidad del haz de partículas, lo que limitaba su atractivo para los físicos de partículas.
El nuevo método desarrollado por el equipo de investigación de la Universidad de Stanford utiliza un rayo láser para acelerar mientras se aplica un campo eléctrico longitudinal en la misma dirección que el láser para formar un efecto de aceleración superpuesto.
La energía obtenida por el electrón es naturalmente igual a la suma de la energía ejercida por el campo eléctrico longitudinal y el rayo láser solo. El dispositivo acelera los electrones en el vacío, en lugar de en el entorno del plasma, mucho más complejo.
En el espacio natural, la velocidad de fase de un láser (la velocidad a la que viaja la luz de una sola longitud de onda) es menor que la velocidad de los electrones, por lo que no afecta al efecto de aceleración. Sin embargo, Plettner y sus colegas han utilizado ahora una cinta de polímero recubierta de oro para colocar una "línea límite" en el punto donde interactúan el haz de electrones y el haz de luz. Esta línea mitiga la interacción entre el haz de electrones y el haz de luz, haciendo que los dos; Este problema se soluciona generando el intercambio de energía necesario para la aceleración de los electrones.
"La motivación original y principal de este trabajo fue explorar la posibilidad de desarrollar un acelerador de partículas que reduciría la longitud de los aceleradores lineales existentes en un orden de magnitud", dijo Plettner. colisiones con energía de hasta La aparición de colisiones de leptones 'compactas' de alto brillo de 1 Tev o incluso más". Se informa que el nuevo método también puede conducir al desarrollo de tecnología de pequeñas fuentes de rayos X. (Fuente: Casa Láser)