Электростатический ускоритель частиц - Electrostatic particle accelerator

В Атомный сокрушитель Westinghouse, рано Ускоритель Ван де Граафа построен в 1937 году в исследовательском центре Westinghouse в Форест-Хиллз, штат Пенсильвания. На разрезе показаны тканевые ленты, которые переносят заряд на грибовидный высоковольтный электрод. Чтобы улучшить изоляцию, машина была заключена в сосуд высокого давления длиной 65 футов, в котором во время работы создавалось давление 120 фунтов на квадратный дюйм. Воздух высокого давления увеличил напряжение на машине с 1 МВ до 5 МВ.

750 кэВ Ускоритель Кокрофта-Уолтона начальный этап KEK ускоритель в Цукубе, Япония. Генератор высокого напряжения справа, ионный источник и лучевая трубка слева

An электростатический ускоритель частиц один из двух основных типов ускорители частиц, в котором заряженные частицы ускоряются до высокой энергии, проходя через статический высокое напряжение потенциал. Это контрастирует с другой категорией ускорителей частиц, осциллирующие полевые ускорители частиц, в котором частицы ускоряются путем последовательного прохождения через несколько падений напряжения, создаваемых колебательными напряжениями на электродах. Из-за их более простой конструкции исторически электростатические типы были первыми ускорителями частиц. Двумя основными типами являются Генератор Ван де Граафа изобретен Роберт Ван де Грааф в 1929 г., а Ускоритель Кокрофта-Уолтона изобретен Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон в 1932 году. Максимальная энергия частиц, производимая электростатическими ускорителями, ограничена ускоряющим напряжением на машине, которое ограничено пробой изоляции нескольким мегавольт. Осциллирующие ускорители не имеют этого ограничения, поэтому они могут достигать более высоких энергий частиц, чем электростатические машины.

Однако эти машины имеют такие преимущества, как более низкая стоимость, возможность получения непрерывных пучков и более высокие токи пучка, что делает их полезными в промышленности, поэтому они, безусловно, являются наиболее широко используемыми ускорителями частиц. Они используются в промышленных приложениях для облучения, таких как пластик. термоусадочная пленка производство, высокая мощность Рентгеновские аппараты, радиационная терапия в медицине, радиоизотоп производство, ионные имплантеры в производстве полупроводников и стерилизации. Многие университеты по всему миру имеют электростатические ускорители для исследовательских целей. Более мощные ускорители обычно включают в себя электростатическую машину в качестве первой ступени для ускорения частиц до достаточно высокой скорости, чтобы впрыснуть в основной ускоритель.

Электростатические ускорители иногда путают с линейные ускорители (линейные ускорители) просто потому, что они оба ускоряют частицы по прямой. Разница между ними в том, что электростатический ускоритель ускоряет заряженную частицу, пропуская ее через единственную разность потенциалов постоянного тока между двумя электродами, в то время как линейный ускоритель ускоряет частицу, последовательно пропуская ее через несколько падений напряжения, создаваемых между несколькими ускоряющими электродами с колеблющимся напряжением. .

Подробности

Хотя эти машины разгоняются атомные ядра, сфера применения не ограничивается ядерными науками ядерная физика, ядерная астрофизика и ядерная химия. Действительно, эти применения перевешиваются другими видами использования ядерных пучков. Из примерно 26 000 ускорителей по всему миру ~ 44% предназначены для лучевая терапия, ~ 41% для ионная имплантация, ~ 9% для промышленной обработки и исследований, ~ 4% для биомедицинских и других низкоэнергетических исследований (менее 1% - это машины с большей энергией).^[1]

Эти ускорители используются для ядерная медицина в медицинская физика, анализ проб с использованием таких методов, как ПИКС в материаловедение, профилирование глубины в физика твердого тела, и в меньшей степени масс-спектрометрия вторичных ионов в геологический и космохимический работает, и даже нейтронные пучки могут быть получены из заряженных частиц, выходящих из этих ускорителей, для выполнения нейтронная кристаллография в физика конденсированного состояния. Принципы, используемые в электростатических ядерных ускорителях, можно использовать для ускорения любых заряженных частиц, но физика элементарных частиц работает в гораздо более высоких энергетических режимах, чем могут достичь эти машины, и существуют различные лучшие методы, подходящие для электронные лучи, поэтому эти ускорители используются для ускорения ядер.

Односторонние машины

Используя высокое напряжение на клемме сохраняется статический потенциал порядка миллионов вольт, заряженные частицы можно ускорить. Простым языком электростатический генератор в основном гигант конденсатор (правда, без пластин). Высокое напряжение достигается либо методами Кокрофт и Уолтон или же Ван де Грааф, причем ускорители часто называют в честь этих изобретателей. Ван де Граафа оригинальный дизайн размещает электроны на изолирующем листе или поясе с помощью металлической гребенки, а затем лист физически переносит иммобилизованные электроны к терминалу. Хотя при высоком напряжении клемма является проводником, и внутри проводника есть соответствующая гребенка, которая может собирать электроны с листа; должен Закон Гаусса, внутри проводника отсутствует электрическое поле, поэтому электроны не отталкиваются платформой, когда они оказываются внутри. Ремень похож по стилю на обычная конвейерная лента, за одним важным исключением: это бесшовное. Таким образом, если ремень сломан, ускоритель необходимо до некоторой степени разобрать, чтобы заменить ремень, который из-за его постоянного вращения и обычно состоит из резинка, не является особенно редким явлением. Практические трудности с ремнями привели к другому средству для физической транспортировки зарядов: цепочке гранул. В отличие от обычной цепи, эта цепь не проводит ток от одного конца к другому, поскольку в ее конструкции используются как изоляторы, так и проводники. Эти типы ускорителей обычно называют Пеллетроны.

Как только платформа может быть электрически заряжена одним из вышеуказанных способов, некоторые источник положительных ионов размещается на платформе в конце луча, поэтому его называют терминалом. Однако, поскольку источник ионов находится под высоким потенциалом, нельзя получить доступ к источнику ионов для управления или обслуживания напрямую. Таким образом, такие методы, как пластиковые стержни, подключенные к различным рычагам внутри терминала, могут разветвляться и переключаться дистанционно. Не говоря уже о практических проблемах, если платформа заряжена положительно, она будет отталкивать ионы той же электрической полярности, ускоряя их. Поскольку E = qV, где E - возникающая энергия, q - ионный заряд, а V - конечное напряжение, максимальная энергия частиц, ускоренных таким образом, практически ограничена пределом разряда высоковольтной платформы, около 12 МВ. в окружающих атмосферных условиях. Этот предел можно увеличить, например, оставив платформу HV в баке изоляционный газ с высшим диэлектрическая постоянная чем воздух, например SF₆ который имеет диэлектрическую проницаемость примерно в 2,5 раза больше, чем у воздуха. Однако даже в танке SF₆ максимально достижимое напряжение составляет около 30 МВ. Могут быть и другие газы с еще лучшими изолирующими свойствами, но SF₆ также химически инертный и нетоксичный. Для дальнейшего увеличения максимальной энергии ускорения тандем была изобретена концепция использования одного и того же высокого напряжения дважды.

Тандемные ускорители

Обычно положительно заряженные ионы ускоряются, потому что это полярность атомного ядра. Однако, если кто-то хочет использовать один и тот же статический электрический потенциал дважды для ускорения ионов, тогда полярность заряда ионов должна измениться с анионов на катионы или наоборот, пока они находятся внутри проводника, где они не будут чувствовать электрическую силу. Оказывается, просто удалить или лишить электроны энергичного иона. Одним из свойств взаимодействия иона с веществом является обмен электронами, при котором ион может терять энергию, вкладывая ее в материю, чего мы интуитивно должны ожидать от снаряда, выпущенного в твердое тело. Однако по мере того, как цель становится тоньше или снаряд становится более энергичным, количество энергии, вкладываемой в фольгу, становится все меньше и меньше.

Тандемы размещают источник ионов за пределами терминала, что означает, что доступ к источнику ионов, когда терминал находится под высоким напряжением, значительно менее труден, особенно если терминал находится внутри бензобака. Итак, анионный пучок от распыление источник ионов вводится с платформы с относительно низким напряжением в сторону вывода высокого напряжения. Внутри терминала луч падает на тонкую фольгу (порядка микрограммов на квадратный сантиметр), часто углерод или же бериллий, отрывая электроны от ионного пучка, превращая их в катионы. Поскольку трудно создать анионы с зарядовым состоянием более -1, тогда энергия частиц, выходящих из тандема, равна E = (q + 1) V, где мы добавили второй потенциал ускорения от этого аниона к положительному зарядовому состоянию. q выходящий из стриппера фольги; мы складываем эти разные знаки заряда вместе, потому что мы увеличиваем энергию ядра в каждой фазе. В этом смысле мы можем ясно видеть, что тандем может удвоить максимальную энергию протонного пучка, максимальное состояние заряда которого просто +1, но преимущество, полученное тандемом, имеет убывающую отдачу по мере того, как мы идем к большей массе, как, например, для Например, можно легко получить состояние заряда 6+ кремний луч.

Невозможно легко превратить каждый элемент в анион, поэтому тандемы очень редко ускоряют какой-либо благородные газы Тяжелее чем гелий, хотя KrF⁻ и XeF⁻ были успешно произведены и ускорены тандемом.^[2] Однако нередко создавать соединения для получения анионов, и TiH₂ может быть извлечен как TiH⁻ и используется для получения протонного пучка, потому что эти простые и часто слабо связанные химические вещества будут разламываться на фольге терминального стриппера. Получение пучка анионных ионов было основным предметом исследования при применении тандемного ускорителя, и рецепты и выходы для большинства элементов можно найти в Поваренной книге отрицательных ионов.^[3] Тандемы также могут работать в терминальном режиме, где они работают как односторонний электростатический ускоритель, который является более распространенным и практичным способом получения пучков благородных газов.

Название «тандем» происходит от этого двойного использования одного и того же высокого напряжения, хотя тандемы могут также называться в том же стиле, что и обычные электростатические ускорители, в зависимости от метода зарядки терминала.

Геометрия

Одна уловка, которую следует учитывать при работе с электростатическими ускорителями, заключается в том, что обычно вакуумные линии пучка делают из стали. Однако нельзя очень хорошо соединить токопроводящую стальную трубу от вывода высокого напряжения с землей. Таким образом, многие кольца из прочного стекла, как Pyrex, собраны вместе таким образом, что их интерфейс представляет собой вакуумное уплотнение, подобное медному прокладка; одиночная длинная стеклянная трубка может взорваться под вакуумом или расколоться, выдержав собственный вес. Что важно для физики, эти расположенные между собой проводящие кольца помогают создать более однородное электрическое поле вдоль ускоряющей колонны. Эта линия луча из стеклянных колец просто поддерживается сжатием на любом конце терминала. Поскольку стекло непроводящее, его можно опереть на землю, но такие опоры рядом с выводом могут вызвать разряд вывода, в зависимости от конструкции. Иногда сжатия оказывается недостаточно, и весь пучок может разрушиться и расколоться. Эта идея особенно важна при проектировании тандемов, потому что они, естественно, имеют более длинные линии луча, и линия луча должна проходить через терминал.

Чаще всего электростатические ускорители располагаются горизонтально. Однако некоторые тандемы могут иметь U-образную форму, и в принципе луч можно повернуть в любом направлении с помощью магнитного диполя на выводе. Некоторые электростатические ускорители расположены вертикально, где либо источник ионов, либо, в случае вертикального тандема U-образной формы, терминал находится на вершине башни. Расположение башни может быть способом экономии места, а также линия луча, соединяющаяся с выводом из стеклянных колец, может использовать некоторое преимущество силы тяжести как естественного источника сжатия.

Энергия частиц

В одностороннем электростатическом ускорителе заряженная частица ускоряется за счет единственной разности потенциалов между двумя электродами, поэтому энергия на выходе частицы ${ displaystyle E}$ равен заряду частицы ${ displaystyle q}$ умноженное на ускоряющее напряжение ${ displaystyle V}$

${ displaystyle E = qV}$

В тандемном ускорителе частица дважды ускоряется одним и тем же напряжением, поэтому выходная энергия равна ${ displaystyle 2qV}$. Если заряд ${ displaystyle q}$ в условных единицах кулоны и потенциал ${ displaystyle V}$ в вольт энергия частицы будет дана в джоули. Однако из-за того, что заряд элементарных частиц настолько мал (заряд электрона равен 1,6x10⁻¹⁹ кулонов), энергия в джоулях очень мала.

Поскольку все элементарные частицы имеют заряды, кратные элементарный заряд на электроне, ${ displaystyle e = 1,6 (10 ^ {- 19})}$ кулонов, физики частиц используют другую единицу для выражения энергии частиц, электрон-вольт (эВ), что упрощает расчет. Электронвольт равен энергии частицы с зарядом 1е усиление проходит через разность потенциалов в один вольт. В приведенном выше уравнении, если ${ displaystyle q}$ измеряется элементарными зарядами е и ${ displaystyle V}$ в вольтах, энергия частицы ${ displaystyle E}$ дан в эВ. Например, если альфа-частица который имеет заряд 2е ускоряется разностью напряжений в один миллион вольт (1 МВ), он будет иметь энергию в два миллиона электрон-вольт, сокращенно 2 МэВ. Ускоряющее напряжение электростатических машин находится в диапазоне от 0,1 до 25 МВ, а заряд на частицах составляет несколько элементарных зарядов, поэтому энергия частиц находится в диапазоне низких МэВ. Более мощные ускорители могут производить энергию в диапазоне гигаэлектронвольт (ГэВ).

Рекомендации

внешняя ссылка

• База данных электростатических ускорителей МАГАТЭ