Ускорители заряженных частиц — это устройства, предназначенные для разгона заряженных частиц, таких как протоны, электроны или ионы, до высоких скоростей и энергий с использованием электрических и магнитных полей. Эти ускорители играют ключевую роль в фундаментальных и прикладных исследованиях, таких как физика элементарных частиц, ядерная физика, материаловедение, медицина и другие области.
Ускоренные частицы сталкиваются с целями или друг с другом, позволяя учёным исследовать структуру материи на самых фундаментальных уровнях. Также ускорители широко применяются для создания радионуклидов, радиотерапии и стерилизации медицинских инструментов.
Принцип работы ускорителей заряженных частиц
Основной принцип ускорения частиц заключается в том, что заряженные частицы могут быть ускорены при воздействии на них электрического поля, так как они взаимодействуют с электрическими и магнитными полями согласно законам классической электродинамики.
- Электрические поля создают силы, действующие на заряженные частицы, заставляя их разгоняться.
- Магнитные поля применяются для управления траекторией движения частиц, изгибая их на нужную орбиту или фокусируя пучки частиц.
Виды ускорителей заряженных частиц
Ускорители можно классифицировать по нескольким основным критериям: по типу траектории (линейные и циклические), по типу ускоряемых частиц (электроны, протоны, ионы и т.д.) и по их применению (исследовательские, медицинские и т.д.).
Линейные ускорители (линаксы)
Линейные ускорители (лин. акселераторы, или лин. ускорители) ускоряют частицы по прямой траектории, используя последовательные ускоряющие электрические поля.
- Принцип работы: Линейный ускоритель состоит из последовательных полостей (дрифтовых трубок или резонаторов), в которых создаются переменные электрические поля. Эти поля создаются радиочастотными генераторами, и их фаза изменяется таким образом, что частица получает ускорение в каждом резонаторе.
- Применение: Линейные ускорители широко используются для медицины (например, для радиотерапии рака), в исследовательских целях (как инжекторы в больших циклических ускорителях), а также в промышленности для обработки материалов.
- Преимущества: Простота конструкции и возможность ускорять частицы до высоких энергий без потерь на синхротронное излучение (что важно для тяжелых частиц, таких как протоны).
- Недостатки: Требуют большой длины для достижения высоких энергий, что может быть проблематично для создания компактных установок.
Пример: линейный ускоритель SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), который используется для исследования элементарных частиц.
Циклические ускорители
В циклических ускорителях заряженные частицы движутся по круговой или спиральной траектории под воздействием постоянного или изменяющегося магнитного поля. Частицы совершают множество оборотов, что позволяет ускорителю разогнать их до очень высоких энергий за сравнительно короткий путь.
Циклотрон — это ускоритель, в котором заряженные частицы движутся по спиральной траектории внутри двух полукруглых камер (диэлектрических камер), называемых «дейронами», под воздействием постоянного магнитного поля. Электрическое поле между этими камерами изменяется с определённой частотой, что позволяет частицам накапливать энергию по мере их движения.
- Принцип работы: Частицы, находящиеся внутри дейронов, движутся по круговой траектории под действием постоянного магнитного поля. При прохождении через промежуток между дейронами частицы получают ускорение от переменного электрического поля. По мере увеличения энергии радиус их траектории увеличивается, и они постепенно выходят на более широкие круги.
- Применение: Циклотроны используются в медицине для производства радиоизотопов, в ядерной физике, в материаловедении для изучения взаимодействий частиц с веществом.
- Преимущества: Простота конструкции и компактность.
- Недостатки: Ограничение по энергии, так как на очень больших скоростях частицы начинают испытывать релятивистские эффекты (масса частиц увеличивается), что требует более сложных конструкций для дальнейшего ускорения.
Синхротрон — это более сложный тип циклического ускорителя, в котором магнитное поле изменяется синхронно с увеличением энергии частиц, чтобы удерживать их на постоянной траектории. Одновременно с этим синхронизируется частота ускоряющего электрического поля, чтобы частицы постоянно ускорялись.
- Принцип работы: Заряженные частицы движутся по круговой орбите под воздействием магнитных полей, которые увеличиваются по мере роста энергии частиц. Ускорение происходит при прохождении частиц через ускоряющие участки с электрическим полем, частота которого синхронизирована с движением частиц.
- Применение: Синхротроны используются для фундаментальных исследований в физике высоких энергий. Например, Большой адронный коллайдер (LHC) — это синхротрон, который используется для исследования элементарных частиц.
- Преимущества: Возможность достижения очень высоких энергий, необходимая для исследований на уровне элементарных частиц.
- Недостатки: Сложность конструкции и высокие затраты на строительство и эксплуатацию.
Бустерные ускорители — это промежуточные ускорители, которые используются для предварительного разгона частиц до того, как они будут введены в основной ускоритель (например, в синхротрон или коллайдер). Эти устройства позволяют обеспечить более эффективное ускорение в основной установке, так как частицы вводятся уже с некоторым запасом энергии.
Пример: PS Booster в ЦЕРНе, который разгоняет протоны до энергий порядка 1.4 ГэВ перед их инжекцией в основной ускоритель — Протонный синхротрон (PS).
Коллайдеры — это особый тип ускорителей, в которых два пучка частиц ускоряются по противоположным направлениям и сталкиваются друг с другом на высокой скорости. Коллайдеры используются для исследования взаимодействий между элементарными частицами при максимальных энергиях столкновения.
- Принцип работы: В коллайдере два пучка частиц (например, протоны или электроны) разгоняются в противоположных направлениях и сталкиваются в специальных детекторах, которые фиксируют результаты этих столкновений. Коллайдеры позволяют достичь очень высоких энергий взаимодействий, так как энергия столкновения складывается из энергий обоих пучков.
- Пример: Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе — крупнейший и наиболее известный коллайдер в мире. Он используется для изучения элементарных частиц, таких как бозон Хиггса, кварки, лептоны и т.д.
- Преимущества: Коллайдеры позволяют изучать взаимодействия элементарных частиц на очень высоких энергиях, что даёт возможность исследовать свойства материи на самых фундаментальных уровнях.
- Недостатки: Высокая сложность конструкции и очень большие затраты на строительство и обслуживание.
Бетатрон — это ускоритель, предназначенный для ускорения электронов. Он использует изменяющееся магнитное поле для ускорения электронов по круговой орбите. Электроны в бетатроне движутся в вакуумной камере под воздействием переменного магнитного поля, и их ускорение происходит за счёт электромагнитной индукции.
- Применение: Бетатроны использовались для получения рентгеновского излучения высокой энергии и в экспериментах по физике частиц. Сегодня бетатроны редко используются в физике элементарных частиц, но находят применение в радиологии и промышленности.
- Преимущества: Простота конструкции для ускорения электронов.
- Недостатки: Ограничение по энергии, поскольку ускорение электронов ограничивается потерями на синхротронное излучение.
Применение ускорителей
Ускорители заряженных частиц находят применение в различных областях:
- Фундаментальные исследования: Исследование элементарных частиц, открытие новых частиц и изучение физических законов на высоких энергиях.
- Медицина: Линейные ускорители используются для радиотерапии рака, циклотронные установки применяются для создания радионуклидов для диагностики и лечения.
- Промышленность: Обработка материалов, стерилизация, неразрушающий контроль, создание тонких плёнок и покрытий.
- Ядерная физика: Изучение взаимодействий атомных ядер и нейтронов, создание новых изотопов.
Ускорители заряженных частиц — это мощные инструменты, которые продолжают находить всё новые применения в науке, медицине и промышленности. | 
