Partikelaccelerator

En partikelaccelerator er en anordning eller et system, hvor elektrisk ladede partikler (fx elementære partikler , atomkerner , ioniserede atomer eller molekyler ) accelereres til høje hastigheder af elektriske felter . Der er generelt et vakuum i det indre af speederen . Acceleratorfysik beskriver de fysiske love og driftsformer for de forskellige typer partikelacceleratorer .

Afhængigt af partikeltypen og typen af ​​accelerator kan de accelererede partikler næsten nå lysets hastighed . Deres kinetiske energi er derefter et multiplum af deres egen hvileenergi . I disse tilfælde beskriver den særlige relativitetsteori partiklernes bevægelse.

De største acceleratorfaciliteter bruges i grundlæggende forskning (fx inden for højenergifysik ) til at undersøge stofens grundlæggende interaktioner med højenergipartiklerne og til at undersøge de mindste strukturer. Derudover bliver partikelacceleratorer også stadig vigtigere inden for medicin og til mange industrielle anvendelser.

Store acceleratorer omtales ofte som “maskiner” i teknisk jargon , men de er noget vildledende.

Historie om udviklingen mod stadig højere energier

Indtil omkring 1950: MeV-området

Tandemaccelerator fra Maier-Leibnitz-laboratoriet
Ventilatorformede bjælkeleder i eksperimentalsalen i et acceleratoranlæg
Cyclotron til protonbehandling

De første acceleratorer - endnu ikke udpeget - arbejdede med direkte spændinger . Karl Ferdinand Braun udviklet Braunsche rør ( billedrør ) i 1897 , hvilket Max Dieckmann bruges som et billede skribent i 1906 . I den videre udvikling som et tv-rør dominerede det tv-teknologien i det 20. århundrede. I katodestrålerøret accelereres elektroner mod en fluorescerende skærm. Elektronpistolen, den indeholder, bruges også i elektronmikroskopet og dagens elektronacceleratorer .

DC-spændingsacceleratorerne inkluderer Cockcroft-Walton-acceleratoren og Van de Graaff-acceleratoren med partikelenergier på det meste et par MeV (megaelektron volt). I 1932 lykkedes John Cockcroft og Ernest Walton for første gang at udløse en nuklear reaktion på lette atomkerner ved hjælp af protoner, der blev accelereret på denne måde .

For at opnå højere energier foreslog Rolf Wideröe i 1929 at bruge højfrekvente alternerende felter mellem cylinderelektroder, der er anbragt bag hinanden på en fælles akse. Længderne på cylindrene (stigende i takt med partiklernes stigende hastighed) og frekvensen justeres, så partiklerne accelereres mellem elektroderne.

Næsten på samme tid, Ernest Lawrence udviklede den cyklotron . Den første cyklotron blev bygget i Berkeley fra 1930 i samarbejde med M. Stanley Livingston . I den bevæger de ladede partikler sig i et magnetfelt på en spiralbane fra midten og udad og accelereres regelmæssigt, når de passerer mellemrummet mellem to D-formede elektroder. Dagens cyklotroner når partikelenergier på op til nogle få 100 MeV.

En anden type orbitalaccelerator med en omtrent cirkulær bane, der kun var egnet til lette partikler som elektroner, var betatronen (Wideröe, Kerst , Max Steenbeck ). Den havde ingen elektroder, men det elektriske felt, der kræves til acceleration, blev induceret ved at ændre magnetfeltet over tid . Omkring 1950 accelererede Betatron elektroner op til 300 MeV.

Fra omkring 1950: GeV-området

Størrelsen på det nødvendige vakuumkammer og magneterne begrænser cyklotronernes konstruktionsmuligheder. Det næste trin på vej til stadig højere partikelenergi var derfor accelerationen på en sti, der forblev konstant på trods af stigende energi, enten i et lige arrangement ( lineær accelerator ) eller som en bane i ringacceleratorer med regelmæssigt arrangerede individuelle afbøjningsmagneter. Det originale Wideröe-princip blev brugt igen til accelerationen, men i stedet for mellem cylinderelektroder finder det sted i specielt formede hulrumsresonatorer . I moderne systemer er disse designet til at være så superledende som muligt for at spare energi . Superledningsevne anvendes også i nogle tilfælde til de magnetiske spoler.

Lineære acceleratorer har den fordel, at partiklerne ikke lider noget energitab fra synkrotronstråling , hvilket er uundgåeligt med ringacceleratorer. (Imidlertid er der også anvendelser af synkrotronstråling, og derfor er elektronsynkrotroner, der betjenes specifikt til at generere den, se nedenfor.) Ringacceleratorer har derimod den fordel, at de samme accelerationsenheder bruges hver gang partikelpakken drejer, og er derfor mere økonomiske.

Sådanne ringacceleratorer, hvor accelerationen og afbøjningen af ​​partiklerne, der accelereres til næsten lysets hastighed, er synkroniseret ( synkrotron ), var baseret på ideerne fra Vladimir Iossifowitsch Weksler (fra Lebedew Institute ) og Edwin McMillan (i Berkeley) fra midt i 1940'erne efter anden verdenskrig projiceret, Bevatron af Lawrence i Berkeley (1954) og Cosmotron i Brookhaven (1952 under ledelse af Livingston). Med Bevatron blev protoner accelereret op til ca. 6 GeV (gigaelektron volt).

Et vigtigt skridt fremad var opfindelsen af ​​"stærkt fokus" i begyndelsen af ​​1950'erne. Afbøjningsmagneterne blev forsynet med polstykker, der skiftevis er skråtstillede på begge sider, således at magnetfelterne på tværs af partiklernes flygeretning har gradienter med skiftende retninger. Dette resulterer i en stabilisering (fokusering) af partikelforløbene. I forhold til afbøjningen af ​​en partikel i den tværgående retning svarer det klart til arrangementet med opsamling og divergerende linser bag lyset med fokus med en nettoeffekt. Ideen kom fra Ernest Courant , Livingston og Hartland Snyder i USA (og uafhængigt før af Nicholas Christofilos ). Dette muliggjorde konstruktionen af ​​protonsynkrotroner i 30 GeV-området ved CERN ( Proton Synchrotron , PS , 1960) og i Brookhaven ( Alternating Gradient Synchrotron , AGS , 1960). I dag (2015) accelererede den største synkrotronfacilitet , Large Hadron Collider , protoner til 6,5 TeV.

Superledende resonator til acceleration af elektroner og positroner; Længde ≈ 1 m, resonansfrekvens 1,3 GHz; lavet af niob med høj renhed .

Højenergiacceleratorer til elektroner kom først i 1960'erne. Eksempler er SLAC lineær accelerator og DESY synchrotron . International Linear Collider ILC, planlagt i globalt samarbejde, skal have en samlet længde på 30 km og muliggøre elektron-positron kollisioner med 500 GeV eller mere. Den Hulrumsresonatoren udviklet som en acceleration element til dette formål består af ni elliptisk formede celler (rotations- ellipsoider ). Længden af ​​en enkelt celle vælges, så det elektriske felt i bølgen bare vender, når en partikel kommer ind i den næste celle. Ved typiske driftstemperaturer på omkring 2 K er niobhulrummet superledende og kræver mindre energi for at fungere end konventionelle hulrum af kobber. Med denne type resonator er der opnået en energiforøgelse på mere end 40 MeV pr. Meter.

I slutningen af ​​1960'erne begyndte design og konstruktion af store acceleratorer til tunge ioner, såsom UNILAC ved GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research . Det accelererer ioner af ethvert massetal til ca. 11 MeV / u (megaelektron volt pr. Atommasseenhed ).

Opbevaringsringe

Et andet vigtigt koncept, der blev udviklet i 1960'erne, er lagerringen , en synkrotron, der ikke fremskynder partiklerne, men i stedet samler dem med konstant energi og "lagrer dem", indtil strålen når en høj strømstyrke. Lagringsringideen blev propageret i vest af Bruno Touschek (omkring 1960), baseret på hvis ideer den første lagerring blev bygget i Frascati i 1961, efterfulgt af Stanford (CBX, baseret på ideerne fra Gerard Kitchen O'Neill ) og opbevaringsringe i Rusland, hvor Budker havde lignende ideer.

Opbevaringsringe til elektroner tjener i dag (2013) hovedsageligt som kilder til synkrotronstråling. Opbevaringsringe til ioner anvendes i partikelfysik, især i form af kollidere . Dette er systemer med to bjælker, der roterer i modsatte retninger; Kollisioner (Engl. Collision , collision) af disse partikler tillader næsten fuldstændig omdannelse af kinetisk energi til nye partikler (se Colliding Beam Experiment ).

Eksempler på opbevaringsringe er:

  • SPEAR (Stanford Positron Electron Asymmetric Ring) ved SLAC i Stanford (fra 1972, elektron-positron collider med to gange 4 GeV), hvor charmonium og tau-lepton blev opdaget.
  • på CERN de krydsende lagringsringe (ISR) (Proton-Antiproton, to gange 31 GeV, fra 1971), SPS (udvidet til Proton-Antiproton Collider fra 1981, to gange 450 GeV), Large Electron-Positron Collider (LEP, 1989 til 2000, to gange 104 GeV i LEP II) og dagens Large Hadron Collider (Proton-Proton Collider, i øjeblikket den største accelerator til dato med to gange 6,5 TeV)
  • den TevatronFermilab (fra 1987 Proton-Antiproton Collider, to gange 900 GeV, fra 2002 to gange 1 TeV; lukket ned i 2011)
  • ESR, eksperimentel opbevaringsring på GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research
  • eller de forskellige opbevaringsringe på DESY (Doris, Petra, Hera).

arter

anvendelsesområder

Synkrotronstråling

Synkrotronstråling var oprindeligt et "affaldsprodukt" af store elektronacceleratorer bygget til fysisk forskning (fx i HASYLAB ved DESY ). I dag (2014) bruges det på en række forskellige måder inden for materialeforskning, medicinsk diagnostik og andre applikationer og produceres derfor i mange specialbyggede elektronacceleratorsystemer.

Et specielt tilfælde af generering af synkrotronstråling er frielektronlaseren .

Priser

Den Robert R. Wilson-prisen , den IEEE partikelaccelerator Videnskab og Teknologi Award , de EPS Accelerator Group Priser, og det USPAS prisen for Achievement i Accelerator Fysik og Teknologi er tildelt til resultater på området for accelerator fysik . Nobelpriser på dette område er tildelt Ernest Lawrence , John Cockcroft , Ernest Walton , Edwin McMillan og Simon van der Meer . Derudover er mange andre nobelpriser baseret på opdagelser foretaget ved partikelacceleratorer.

Se også

litteratur

  • Herbert Daniel : Accelerator , Teubner 1974
  • F. Hinterberger: Fysik af partikelacceleratorer og ionoptik. 2. udgave. Springer 2008, ISBN 978-3-540-75281-3 .
  • Ragnar Hellborg (red.): Elektrostatiske acceleratorer . Springer Verlag, Berlin 2005, ISBN 3-540-23983-9 .
  • Klaus Wille: Fysik af partikelacceleratorer og synkrotronstrålingskilder. Teubner, 2. udgave, 1996
  • Pedro Waloschek , Oskar Höfling : De mindste partiklers verden. Advance on the structure of matter , rororo 1984, 2. udgave 1988 (populærvidenskab)
  • Andrew Sessler, Edmund Wilson: Engines of Discovery - et århundrede med partikelacceleratorer. World Scientific 2007 (historie)

Til højenergiacceleratorer:

  • Helmut Wiedemann Particle Accelerator Physics. 3. Udgave. Springer 2007, ISBN 3-540-49043-4 .

Weblinks

Commons : Particle Accelerator  - Samling af billeder, videoer og lydfiler
Wiktionary: partikelaccelerator  - forklaringer på betydninger, ordets oprindelse, synonymer, oversættelser

Kilder og noter

  1. Frank Hinterberger, Fysik af partikelacceleratorer og ionoptik, Springer, 2008, ISBN 978-3-540-75281-3 .
  2. DA Edwards, MJ Syphers, en introduktion til fysik af højenergiacceleratorer, Wiley, 1993, ISBN 0-471-55163-5 .
  3. Helmholtz Center Berlin for materialer og energiheling fra partikelacceleratoren Archivlink ( Memento fra 6. maj 2013 i Internetarkivet ), adgang til den 7. juli 2013.
  4. DC spænding acceleratorer er i alt undertiden benævnt "elektrostatisk accelerator" i litteraturen, men kun nogle af deres typer på effekter af electrostatics baseret
  5. CERN-meddelelse fra 5. juni 2015 home.web.cern.ch
  6. World of Physics Superledende højfrekvente hulrum , åbnet 26. november 2015.
  7. ^ SLAC SPEAR History , adgang til 7. juli 2013.