Varautuneiden hiukkasten kiihdytin on luokka laitteita korkean energian varautuneiden hiukkasten ( alkuainehiukkasten , ionien ) tuottamiseen. Suurimmat kiihdyttimet ovat kalliita tiloja, jotka vaativat kansainvälistä yhteistyötä. Esimerkiksi CERNissä sijaitseva Large Hadron Collider (LHC) , joka on lähes 27 kilometriä pitkä rengas, on kymmenien tuhansien tutkijoiden työn tulos yli sadasta maasta. LHC mahdollisti protonien , joiden kokonaisenergia oli 13 TeV , törmäyksen sisääntulevien hiukkasten massakeskusjärjestelmässä , mikä on maailmanennätys [1] .
Suhteellisen alhaisen energian kiihdytettyjä hiukkasia käytetään kuvan saamiseksi televisioruudulta tai elektronimikroskoopilla , röntgensäteiden ( katodisädeputkien ) saamiseksi, syöpäsolujen tuhoamiseen ja bakteerien tappamiseen. Kiihdytettäessä varautuneita hiukkasia yli 1 megaelektronivoltin (MeV) energioihin, niitä käytetään mikroobjektien (esimerkiksi atomiytimien ) rakenteen ja perusvoimien luonteen tutkimiseen . Useissa laitteistoissa, joita kutsutaan törmätäjiksi , hiukkasten energian käytön tehostamiseksi niiden säteet törmäävät (vastasäteet) [2] .
Kiihdyttimen toiminta perustuu varautuneiden hiukkasten vuorovaikutukseen sähkö- ja magneettikenttien kanssa . Sähkökenttä pystyy tekemään työtä hiukkaselle, eli lisäämään sen energiaa. Magneettikenttä, joka luo Lorentzin voiman , vain taivuttaa hiukkasen muuttamatta sen energiaa ja asettaa kiertoradan, jota pitkin hiukkaset liikkuvat.
Rakenteellisesti kiihdyttimet voidaan jakaa pohjimmiltaan kahteen suureen ryhmään. Nämä ovat lineaarisia kiihdyttimiä , joissa hiukkassäde kulkee kiihdytysrakojen läpi kerran, ja syklisiä kiihdyttimiä , joissa säteet liikkuvat suljettuja käyriä (esim. ympyröitä) pitkin kulkeen kiihdytysrakojen läpi useita kertoja. Kiihdyttimiä voidaan myös luokitella käyttötarkoituksensa mukaan: törmäimet , neutronilähteet , vahvistimet, synkrotronisäteilyn lähteet, syövänhoitoon käytettävät laitteistot , teolliset kiihdyttimet .
Ideologisesti yksinkertaisin lineaarinen kiihdytin. Hiukkasia kiihdyttää jatkuva sähkökenttä ja ne liikkuvat suorassa linjassa tyhjökammion läpi, jota pitkin kiihdytyselektrodit sijaitsevat. Varautuneiden hiukkasten kiihtyvyys tapahtuu sähkökentällä, joka on vakio tai hieman muuttuva koko hiukkaskiihdytyksen ajan. Korkeajännitteisen kiihdytin tärkeä etu verrattuna muuntyyppisiin kiihdyttimiin on mahdollisuus saada aikaan pieni energian leviäminen hiukkasista, jotka kiihdytetään aikavakiossa ja tasaisessa sähkökentässä. Tämän tyyppisille kiihdyttimille on ominaista korkea hyötysuhde (jopa 95%) ja mahdollisuus luoda suhteellisen yksinkertaisia suuria voimalaitoksia (500 kW ja enemmän), mikä on erittäin tärkeää, kun kiihdyttimiä käytetään teollisiin tarkoituksiin.
Suurjännitekiihdyttimet voidaan jakaa neljään ryhmään korkeajännitettä tuottavien generaattoreiden tyypin mukaan:
Tämän tyyppisissä koneissa kiihtyvyys tapahtuu pyörteissähkökentällä, jonka synnyttävät ferromagneettiset renkaat, joiden käämit on asennettu säteen akselia pitkin.
Lineaarinen resonanssikiihdytinKutsutaan usein myös nimellä LINAC (lyhenne sanoista LINEar Accelerator). Kiihtyvyys tapahtuu suurtaajuisten resonaattoreiden sähkökentän vaikutuksesta . Lineaarisia kiihdyttimiä käytetään useimmiten elektronitykistä tai ionilähteestä saatujen hiukkasten ensiökiihdyttämiseen. Ajatus täysenergiaisesta lineaarisesta törmätimestä ei kuitenkaan ole uusi. Linakkien tärkein etu on mahdollisuus saada ultrapieniä emittanssia ja säteilystä johtuvien energiahäviöiden puuttuminen, jotka kasvavat suhteessa hiukkasen energian neljänteen potenssiin.
Syklinen kiihdytin, jossa hiukkasia kiihdytetään pyörresähkökentällä, jonka aiheuttaa säteen kiertoradan ympäröimän magneettivuon muutos. Koska pyörteisen sähkökentän luomiseksi on välttämätöntä muuttaa ytimen magneettikenttää ja magneettikenttiä ei- suprajohtavissa koneissa yleensä rajoittavat raudan kyllästymisen vaikutukset ~20 kG:n tasolla, on olemassa yläraja. betatronin maksimienergia. Betatroneja käytetään pääasiassa elektronien kiihdyttämiseen 10-100 MeV:n energioihin (betatronissa saavutettava enimmäisenergia on 300 MeV).
Wideröe kehitti ja loi ensimmäisen betatronin vuonna 1928 , jota hän ei kuitenkaan onnistunut laukaisemaan. Ensimmäisen luotettavan betatronin loi D. V. Kerst vasta 1940-1941 Yhdysvalloissa .
CyclotronSyklotronissa hiukkaset ruiskutetaan lähellä magneetin keskustaa tasaisella kentällä pienellä alkunopeudella. Lisäksi hiukkaset pyörivät magneettikentässä ympyrässä kahden onton elektrodin sisällä, ns. laitteisiin , joihin syötetään vaihtojännite. Hiukkanen kiihtyy jokaisella kierroksella hiukkasten välisessä raossa olevalla sähkökentällä. Tätä varten on välttämätöntä, että jännitteen polariteetin muutoksen taajuus deesin yli on yhtä suuri kuin hiukkasen kierrostaajuus. Toisin sanoen syklotroni on resonanssikiihdytin . On selvää, että energian kasvaessa hiukkasradan säde kasvaa, kunnes se lähtee magneetista.
Syklotroni on ensimmäinen syklisistä kiihdyttimistä. Sen suunnittelivat ja rakensivat ensimmäisen kerran vuonna 1930 Lawrence ja Livingston , josta ensimmäinen sai Nobel-palkinnon vuonna 1939 . Toistaiseksi syklotroneja on käytetty raskaiden hiukkasten kiihdyttämiseen suhteellisen alhaisiin energioihin, jopa 50 MeV/nukleoni.
MicrotronSe on myös muuttuva monikertakiihdytin. Resonoiva syklinen kiihdytin, jolla on jatkuva käyttömagneettikenttä, kuten syklotronilla, ja kiihdyttävä jännitetaajuus. Mikrotronin ideana on tehdä hiukkasen kierrosajan lisäyksestä, joka saadaan jokaisella kierroksella tapahtuvasta kiihtyvyydestä, kiihdytysjännitteen värähtelyjakson kerrannaiseksi.
FAGKiihdytin, jolla on vakio (kuten syklotronissa), mutta epähomogeeninen kenttä ja vaihtuva kiihdytyskentän taajuus.
Phasotron (synkrosyklotroni)Perusero syklotroniin on kiihdytyksen aikana muuttuvan sähkökentän taajuus. Tämä mahdollistaa automaattisen vaiheistuksen ansiosta nostaa kiihdytettyjen ionien maksimienergiaa verrattuna syklotronin raja-arvoon. Fasotronien energia saavuttaa 600-700 MeV.
SynchrophasotronSyklinen kiihdytin, jonka tasapainoradan pituus on vakio. Jotta hiukkaset pysyisivät samalla kiertoradalla kiihdytyksen aikana, sekä johtava magneettikenttä että kiihtyvän sähkökentän taajuus muuttuvat.
SynkrotroniSyklinen kiihdytin, jolla on vakio kiertoradan pituus ja vakiotaajuus kiihtyvällä sähkökentällä, mutta jolla on muuttuva käyttömagneettikenttä.
Accelerator-rekuperaattoriPohjimmiltaan tämä on linakki, mutta sädettä ei pudota käytön jälkeen, vaan se ohjataan "väärässä" vaiheessa kiihtyvään rakenteeseen ja hidastuu antaen energiaa takaisin. Lisäksi on olemassa monivaiheisia rekuperaattorikiihdyttimiä, joissa säde mikrotroniperiaatteen mukaisesti kulkee useita kiihdytysrakenteen läpi (mahdollisesti eri reittejä pitkin) ensin saamalla energiaa ja sitten palauttaen sen.
Koherentin röntgensäteilyn erikoislähde.
Kiihdytin törmäyspalkeissa. Puhtaasti kokeelliset tilat, joiden tarkoituksena on tutkia korkeaenergisten hiukkasten törmäysprosesseja.
| hiukkaskiihdyttimiä | ||
|---|---|---|
| Suunnittelultaan |
| |
| Ajanvarauksella |
| |