Een deeltjesversneller is een apparaat dat een straal van elektrisch geladen atomaire of subatomaire deeltjes creëert die met bijna lichtsnelheden bewegen. Zijn werk is gebaseerd op een toename van hun energie door een elektrisch veld en een verandering in het traject - door een magnetische.
Waar dienen deeltjesversnellers voor?
Deze apparaten worden veel gebruikt in verschillende gebieden van wetenschap en industrie. Tegenwoordig zijn er meer dan 30 duizend van over de hele wereld. Voor een natuurkundige dienen deeltjesversnellers als hulpmiddel voor fundamenteel onderzoek naar de structuur van atomen, de aard van kernkrachten en de eigenschappen van kernen die niet in de natuur voorkomen. Deze laatste omvatten transuranium en andere onstabiele elementen.
Met behulp van een ontladingsbuis werd het mogelijk om de specifieke lading te bepalen. Deeltjesversnellers worden ook gebruikt bij de productie van radio-isotopen, bij industriële radiografie, bij bestralingstherapie, bij de sterilisatie van biologische materialen en bij radioactieve koolstof.analyse. De grootste installaties worden gebruikt bij de studie van fundamentele interacties.
De levensduur van geladen deeltjes in rust ten opzichte van de versneller is korter dan die van deeltjes die worden versneld tot snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen. Dit bevestigt de relativiteit van SRT-tijdsintervallen. Bij CERN werd bijvoorbeeld een 29-voudige toename van de levensduur van muonen bereikt met een snelheid van 0,9994c.
Dit artikel bespreekt hoe een deeltjesversneller werkt, de ontwikkeling ervan, de verschillende typen en onderscheidende kenmerken.
Principes van versnelling
Welke deeltjesversnellers je ook kent, ze hebben allemaal gemeenschappelijke elementen. Ten eerste moeten ze allemaal een elektronenbron hebben in het geval van een televisiekinescoop, of elektronen, protonen en hun antideeltjes in het geval van grotere installaties. Bovendien moeten ze allemaal elektrische velden hebben om de deeltjes te versnellen en magnetische velden om hun baan te beheersen. Daarnaast is het vacuüm in de deeltjesversneller (10-11 mm Hg), oftewel de minimale hoeveelheid restlucht, nodig om een lange levensduur van de bundels te garanderen. En tot slot moeten alle installaties de middelen hebben om versnelde deeltjes te registreren, tellen en meten.
Generatie
Elektronen en protonen, die het meest worden gebruikt in versnellers, worden in alle materialen aangetroffen, maar ze moeten er eerst van worden geïsoleerd. Elektronen worden meestal gegenereerdnet als in een kinescoop - in een apparaat dat een "pistool" wordt genoemd. Het is een kathode (negatieve elektrode) in een vacuüm, die wordt verwarmd tot het punt waarop elektronen beginnen af te breken van atomen. Negatief geladen deeltjes worden aangetrokken door de anode (positieve elektrode) en gaan door de uitlaat. Het kanon zelf is ook de eenvoudigste versneller, aangezien de elektronen bewegen onder invloed van een elektrisch veld. De spanning tussen de kathode en de anode ligt gewoonlijk tussen 50-150 kV.
Naast elektronen bevatten alle materialen protonen, maar alleen de kernen van waterstofatomen bestaan uit enkele protonen. Daarom is de bron van deeltjes voor protonversnellers gasvormige waterstof. In dit geval wordt het gas geïoniseerd en ontsnappen de protonen door het gat. In grote versnellers worden protonen vaak geproduceerd als negatieve waterstofionen. Het zijn atomen met een extra elektron, die het product zijn van ionisatie van een diatomisch gas. In de beginfase is het gemakkelijker om met negatief geladen waterstofionen te werken. Daarna worden ze door een dunne folie geleid die ze van elektronen berooft voor de laatste versnellingsfase.
Versnelling
Hoe werken deeltjesversnellers? Het belangrijkste kenmerk van elk van hen is het elektrische veld. Het eenvoudigste voorbeeld is een uniform statisch veld tussen positieve en negatieve elektrische potentialen, vergelijkbaar met dat tussen de klemmen van een elektrische batterij. In zulkeveld, is een elektron met een negatieve lading onderhevig aan een kracht die het naar een positieve potentiaal leidt. Ze versnelt hem, en als er niets is om dit te voorkomen, nemen zijn snelheid en energie toe. Elektronen die naar een positieve potentiaal in een draad of zelfs in lucht bewegen, botsen met atomen en verliezen energie, maar als ze zich in een vacuüm bevinden, versnellen ze naarmate ze de anode naderen.
De spanning tussen de begin- en eindpositie van een elektron bepa alt de energie die het krijgt. Wanneer je door een potentiaalverschil van 1 V gaat, is dit gelijk aan 1 elektronvolt (eV). Dit komt overeen met 1,6 × 10-19 joule. De energie van een vliegende mug is een biljoen keer groter. In een kinescoop worden elektronen versneld door een spanning van meer dan 10 kV. Veel versnellers bereiken veel hogere energieën, gemeten in mega-, giga- en tera-elektronvolt.
Rassen
Sommige van de vroegste typen deeltjesversnellers, zoals de spanningsvermenigvuldiger en de Van de Graaff-generator, gebruikten constante elektrische velden die werden gegenereerd door potentialen tot een miljoen volt. Het is niet eenvoudig om met zulke hoge spanningen te werken. Een praktischer alternatief is de herhaalde actie van zwakke elektrische velden die worden gegenereerd door lage potentialen. Dit principe wordt gebruikt in twee soorten moderne versnellers - lineair en cyclisch (voornamelijk in cyclotrons en synchrotrons). Lineaire deeltjesversnellers, kortom, passeren ze één keer door een reeksversnellende velden, terwijl ze in het cyclische veld herhaaldelijk langs een cirkelvormig pad door relatief kleine elektrische velden bewegen. In beide gevallen hangt de uiteindelijke energie van de deeltjes af van het gecombineerde effect van de velden, zodat vele kleine "schokken" optellen om het gecombineerde effect van één grote te geven.
De herhalende structuur van een lineaire versneller om elektrische velden te creëren, omvat natuurlijk het gebruik van AC in plaats van DC-spanning. Positief geladen deeltjes worden versneld richting de negatieve potentiaal en krijgen een nieuwe impuls als ze de positieve potentiaal passeren. In de praktijk zou de spanning zeer snel moeten veranderen. Bij een energie van 1 MeV reist een proton bijvoorbeeld met zeer hoge snelheden van 0,46 de lichtsnelheid en reist hij 1,4 m in 0,01 ms. Dit betekent dat in een zich enkele meters lang herhalend patroon de elektrische velden van richting moeten veranderen met een frequentie van minimaal 100 MHz. Lineaire en cyclische versnellers van geladen deeltjes versnellen ze in de regel met behulp van elektrische wisselvelden met een frequentie van 100 tot 3000 MHz, d.w.z. variërend van radiogolven tot microgolven.
Een elektromagnetische golf is een combinatie van afwisselende elektrische en magnetische velden die loodrecht op elkaar oscilleren. Het belangrijkste punt van de versneller is om de golf zo aan te passen dat wanneer het deeltje arriveert, het elektrische veld wordt gericht in overeenstemming met de versnellingsvector. Dit kan met een staande golf - een combinatie van golven die in tegengestelde richtingen in een gesloten lus reizen.ruimte, zoals geluidsgolven in een orgelpijp. Een alternatief voor zeer snel bewegende elektronen die de lichtsnelheid benaderen, is een lopende golf.
Autophasing
Een belangrijk effect bij het accelereren in een wisselend elektrisch veld is "autophasing". In één oscillatiecyclus gaat het wisselveld van nul via een maximale waarde weer naar nul, da alt tot een minimum en stijgt naar nul. Dus het gaat door de waarde die nodig is om twee keer te versnellen. Als het versnellende deeltje te vroeg arriveert, zal het niet worden beïnvloed door een veld van voldoende sterkte en zal de duw zwak zijn. Wanneer ze de volgende sectie bereikt, zal ze te laat zijn en een sterkere impact ervaren. Als gevolg hiervan zal autophasing plaatsvinden, de deeltjes zullen in fase zijn met het veld in elk versnellend gebied. Een ander effect zou zijn om ze in de loop van de tijd in bosjes te clusteren in plaats van een continue stroom.
Straalrichting
Magnetische velden spelen ook een belangrijke rol in hoe een geladen deeltjesversneller werkt, omdat ze de richting van hun beweging kunnen veranderen. Dit betekent dat ze kunnen worden gebruikt om de balken langs een cirkelvormig pad te "buigen", zodat ze meerdere keren door hetzelfde versnellende gedeelte gaan. In het eenvoudigste geval wordt een geladen deeltje dat loodrecht op de richting van een uniform magnetisch veld beweegt, onderworpen aan een krachtloodrecht zowel op de vector van zijn verplaatsing als op het veld. Dit zorgt ervoor dat de straal langs een cirkelvormig traject loodrecht op het veld beweegt totdat het zijn werkgebied verlaat of een andere kracht erop begint in te werken. Dit effect wordt gebruikt in cyclische versnellers zoals de cyclotron en synchrotron. In een cyclotron wordt een constant veld opgewekt door een grote magneet. De deeltjes, terwijl hun energie groeit, spiralen naar buiten en versnellen bij elke omwenteling. In een synchrotron bewegen de bundels rond een ring met een constante straal, en het veld dat door de elektromagneten rond de ring wordt gecreëerd, neemt toe naarmate de deeltjes versnellen. De "buigende" magneten zijn dipolen waarvan de noord- en zuidpool in een hoefijzervorm zijn gebogen, zodat de straal ertussen kan passeren.
De tweede belangrijke functie van elektromagneten is om bundels te concentreren zodat ze zo smal en intens mogelijk zijn. De eenvoudigste vorm van een focusmagneet is met vier polen (twee noord en twee zuid) tegenover elkaar. Ze duwen de deeltjes in één richting naar het midden, maar laten ze zich in de loodrechte richting voortplanten. Vierpolige magneten richten de straal horizontaal, waardoor deze verticaal onscherp kan worden. Om dit te doen, moeten ze in paren worden gebruikt. Complexere magneten met meer polen (6 en 8) worden ook gebruikt voor nauwkeuriger scherpstellen.
Naarmate de energie van de deeltjes toeneemt, neemt de sterkte van het magnetische veld dat ze geleidt toe. Hierdoor blijft de straal op hetzelfde pad. Het stolsel wordt in de ring gebracht en versneld totbenodigde energie voordat het kan worden onttrokken en gebruikt in experimenten. Terugtrekken wordt bereikt door elektromagneten die worden ingeschakeld om deeltjes uit de synchrotronring te duwen.
Collision
Partikelversnellers die in de geneeskunde en de industrie worden gebruikt, produceren voornamelijk een straal voor een specifiek doel, zoals bestralingstherapie of ionenimplantatie. Dit betekent dat de deeltjes eenmalig worden gebruikt. Hetzelfde gold jarenlang voor versnellers die in fundamenteel onderzoek worden gebruikt. Maar in de jaren zeventig werden ringen ontwikkeld waarin de twee bundels in tegengestelde richting circuleren en langs het hele circuit botsen. Het belangrijkste voordeel van dergelijke installaties is dat bij een frontale botsing de energie van de deeltjes direct in de energie van de interactie tussen de deeltjes gaat. Dit staat in contrast met wat er gebeurt als de straal botst met materiaal in rust: in dit geval wordt de meeste energie besteed aan het in beweging brengen van het doelmateriaal, in overeenstemming met het principe van behoud van momentum.
Sommige machines met botsende bundels zijn gebouwd met twee ringen die elkaar op twee of meer plaatsen kruisen, waarin deeltjes van hetzelfde type in tegengestelde richting circuleren. Colliders met deeltjes en antideeltjes komen vaker voor. Een antideeltje heeft de tegengestelde lading van het bijbehorende deeltje. Een positron is bijvoorbeeld positief geladen, terwijl een elektron negatief geladen is. Dit betekent dat het veld dat het elektron versnelt, het positron vertraagt,in dezelfde richting bewegen. Maar als de laatste in de tegenovergestelde richting beweegt, zal hij versnellen. Evenzo zal een elektron dat door een magnetisch veld beweegt naar links buigen en een positron naar rechts. Maar als het positron er naar toe beweegt, zal zijn pad nog steeds naar rechts afwijken, maar langs dezelfde curve als het elektron. Samen betekent dit dat deze deeltjes door dezelfde magneten langs de synchrotronring kunnen bewegen en door dezelfde elektrische velden in tegengestelde richtingen kunnen worden versneld. Veel van de krachtigste versnellers op botsende balken zijn volgens dit principe gemaakt, aangezien er slechts één versnellerring nodig is.
De straal in de synchrotron beweegt niet continu, maar wordt gecombineerd tot "klonten". Ze kunnen enkele centimeters lang en een tiende van een millimeter in diameter zijn, en bevatten ongeveer 1012 deeltjes. Dit is een kleine dichtheid, aangezien een stof van deze grootte ongeveer 1023 atomen bevat. Wanneer bundels elkaar kruisen met tegemoetkomende bundels, is er daarom slechts een kleine kans dat de deeltjes met elkaar interageren. In de praktijk blijven de trossen langs de ring bewegen en ontmoeten elkaar weer. Het diepe vacuüm in de deeltjesversneller (10-11 mmHg) is nodig zodat de deeltjes vele uren kunnen circuleren zonder in aanraking te komen met luchtmoleculen. Daarom worden de ringen ook wel accumulatief genoemd, omdat de bundels er feitelijk enkele uren in worden bewaard.
Registreren
Deeltjesversnellers kunnen voor het grootste deel registreren wat er gebeurt wanneerwanneer deeltjes een doel raken of een andere straal die in de tegenovergestelde richting beweegt. In een televisiekinescoop vallen elektronen van een kanon op een fosfor op het binnenoppervlak van het scherm en zenden licht uit, dat zo het uitgezonden beeld nabootst. In versnellers reageren dergelijke gespecialiseerde detectoren op verstrooide deeltjes, maar ze zijn meestal ontworpen om elektrische signalen te genereren die kunnen worden omgezet in computergegevens en geanalyseerd met behulp van computerprogramma's. Alleen geladen elementen wekken elektrische signalen op als ze door een materiaal gaan, bijvoorbeeld door atomen te prikkelen of te ioniseren, en kunnen direct worden gedetecteerd. Neutrale deeltjes zoals neutronen of fotonen kunnen indirect worden gedetecteerd door het gedrag van de geladen deeltjes die ze in beweging zetten.
Er zijn veel gespecialiseerde detectoren. Sommige, zoals de geigerteller, tellen gewoon deeltjes, terwijl andere worden gebruikt om bijvoorbeeld sporen op te nemen, snelheid te meten of de hoeveelheid energie te meten. Moderne detectoren variëren in grootte en technologie van kleine ladingsgekoppelde apparaten tot grote met draad gevulde, met gas gevulde kamers die de geïoniseerde sporen detecteren die door geladen deeltjes worden gecreëerd.
Geschiedenis
Deeltjesversnellers zijn voornamelijk ontwikkeld om de eigenschappen van atoomkernen en elementaire deeltjes te bestuderen. Vanaf de ontdekking van de reactie tussen de stikstofkern en het alfadeeltje door de Britse natuurkundige Ernest Rutherford in 1919, is al het onderzoek in de kernfysica tot1932 werd doorgebracht met heliumkernen die vrijkwamen bij het verval van natuurlijke radioactieve elementen. Natuurlijke alfadeeltjes hebben een kinetische energie van 8 MeV, maar Rutherford geloofde dat om het verval van zware kernen waar te nemen, ze kunstmatig moesten worden versneld tot nog grotere waarden. Op dat moment leek het moeilijk. Een berekening die in 1928 werd gemaakt door Georgy Gamow (aan de Universiteit van Göttingen, Duitsland) toonde echter aan dat ionen met veel lagere energieën konden worden gebruikt, en dit stimuleerde pogingen om een faciliteit te bouwen die voldoende straal bood voor nucleair onderzoek.
Andere gebeurtenissen uit deze periode demonstreerden de principes waarmee deeltjesversnellers tot op de dag van vandaag worden gebouwd. De eerste succesvolle experimenten met kunstmatig versnelde ionen werden uitgevoerd door Cockcroft en W alton in 1932 aan de Universiteit van Cambridge. Met behulp van een spanningsvermenigvuldiger versnelden ze protonen tot 710 keV en toonden aan dat deze laatste reageren met de lithiumkern om twee alfadeeltjes te vormen. In 1931 had Robert van de Graaff aan de Princeton University in New Jersey de eerste elektrostatische generator met hoog potentieel gebouwd. Cockcroft-W alton-spanningsvermenigvuldigers en Van de Graaff-generatoren worden nog steeds gebruikt als stroombronnen voor versnellers.
Het principe van een lineaire resonantieversneller werd in 1928 gedemonstreerd door Rolf Wideröe. Aan de Rijn-Westfalen University of Technology in Aken, Duitsland, gebruikte hij een hoge wisselspanning om natrium- en kaliumionen twee keer te versnellen tot energieëndie door hen zijn gemeld. In 1931 in de Verenigde Staten gebruikten Ernest Lawrence en zijn assistent David Sloan van de University of California, Berkeley hoogfrequente velden om kwikionen te versnellen tot energieën van meer dan 1,2 MeV. Dit werk was een aanvulling op de zware-deeltjesversneller van Wideröe, maar ionenbundels waren niet bruikbaar bij nucleair onderzoek.
De magnetische resonantieversneller, of cyclotron, is door Lawrence bedacht als een aanpassing van de Wideröe-installatie. De student van Lawrence Livingston demonstreerde het principe van het cyclotron in 1931 door 80 keV-ionen te produceren. In 1932 kondigden Lawrence en Livingston de versnelling van protonen tot meer dan 1 MeV aan. Later in de jaren dertig bereikte de energie van cyclotrons ongeveer 25 MeV en die van Van de Graaff-generatoren ongeveer 4 MeV. In 1940 bouwde Donald Kerst, die de resultaten van zorgvuldige baanberekeningen toepast op het ontwerp van magneten, de eerste betatron, een magnetische inductie-elektronenversneller, aan de Universiteit van Illinois.
Moderne fysica: deeltjesversnellers
Na de Tweede Wereldoorlog boekte de wetenschap van het versnellen van deeltjes tot hoge energieën snelle vooruitgang. Het werd gestart door Edwin Macmillan in Berkeley en Vladimir Veksler in Moskou. Beiden beschreven in 1945 onafhankelijk van elkaar het principe van fasestabiliteit. Dit concept biedt een middel om stabiele deeltjesbanen in een cyclische versneller te behouden, waardoor de beperking van de energie van protonen werd opgeheven en het mogelijk werd magnetische resonantieversnellers (syncrotronen) voor elektronen te creëren. Autophasing, de implementatie van het principe van fasestabiliteit, is na de bouw bevestigdeen kleine synchrocyclotron aan de Universiteit van Californië en een synchrotron in Engeland. Kort daarna werd de eerste proton lineaire resonantieversneller gemaakt. Dit principe is gebruikt in alle grote protonsynchrotrons die sindsdien zijn gebouwd.
In 1947 bouwde William Hansen, aan de Stanford University in Californië, de eerste lineaire lopende-golfelektronenversneller met behulp van microgolftechnologie die tijdens de Tweede Wereldoorlog voor radar was ontwikkeld.
Vooruitgang in onderzoek werd mogelijk gemaakt door de energie van protonen te vergroten, wat leidde tot de constructie van steeds grotere versnellers. Deze trend is gestopt door de hoge kosten van het maken van enorme ringmagneten. De grootste weegt ongeveer 40.000 ton. Manieren om energie te verhogen zonder de machine groter te maken, werden in 1952 gedemonstreerd door Livingston, Courant en Snyder in de techniek van afwisselend scherpstellen (soms sterk scherpstellen genoemd). Synchrotrons op basis van dit principe gebruiken magneten die 100 keer kleiner zijn dan voorheen. Een dergelijke scherpstelling wordt gebruikt in alle moderne synchrotrons.
In 1956 realiseerde Kerst zich dat als twee sets deeltjes in elkaar kruisende banen werden gehouden, ze met elkaar konden worden waargenomen. De toepassing van dit idee vereiste de accumulatie van versnelde bundels in cycli die opslag worden genoemd. Deze technologie maakte het mogelijk om de maximale interactie-energie van deeltjes te bereiken.
