ПРИСКОРЮВАЧІ ЗАРЯДЖЕНИХ ЧАСТИНОК

Задачі:
Фундаментальні дослідження – вивчення структури ядра та механізмів ядерних реакцій
Прикладні використання (медицина, промислові використання та інше) – як важливе доповнення до першої задачі

Обмеження природних джерел частинок для бомбардування ядер

Обмеження природних джерел частинок для бомбардування ядер
226Ra
214Po

Для вивчення ядра енергій частинок від природних радіоактивних джерел явно недостатньо (інтенсивності космічного випромінювання дуже низькі і не контрольовані)
226Ra
7.7 МеВ
dmin≈30 фм
Au
α
dmin

Історичні попередники
(прискорення електронів)
В 1853 році французький науковець А. Массон спробував пропускати електричні розряди (іскри) через скляну трубку, з якої відкачено повітря
В 1870 році відкриття катодних променів англійським вченим Вільямом Круксом (William Crookes) – круксові трубки
В 1896-1897 роки - англійський фізик Дж. Дж. Томсон – схожа трубка, довів, що катодні промені – електрони, визначив для нього відношення його заряду до маси

Прості формули в основі

Basic Formalism
Rest Energy:
Relativistic Parameter:
Velocity:
Relativistic Mass:
Energy in eV:
(Electron rest mass 9.1*10-31kg gives a rest energy of 511 keV)
Energy

Каскадний перемножувач напруги
Каскадний прискорювач
генератор Кокрофта –Уолта
(Cockroft-Walton)
1932 рік

Каскадний прискорювач
генератор Кокрофта –Уолта
(Cockroft-Walton)
Трансмутація атомних ядер з використанням прискорених атомних частинок
700 (800) кВ
Протони з енергією 400 кВ
7Li + p → 4He + 4He
7Li + p → 7Be + n
УФТІ, 10 жовтня 1932, ЕСГ,
К.Синельников, А.Лейпунський, А.Вальтер, А. Латишев

Каскадний прискорювач
генератор Кокрофта –Уолта
(Cockroft-Walton)

Каскадний прискорювач
генератор Кокрофта –Уолта
(Cockroft-Walton)

Каскадний перемножувач напруги
Каскадний перемножувач – схема Грейнахера (Грайнахер-Greinacher)

Електростатичний генератор (ЕСГ)
(Високовольтний генератор
Ван-де-Граафа)
High voltage generation:
Van de Graaff Generator

Електростатичний генератор (ЕСГ) - Високовольтний генератор Ван-де-Граафа
High voltage generation: Van de Graaff Generator
Robert Jemison Van de Graaff
20 December 1901
16 January 1967
Перші генератори
рік - 80 кВ
(з допомогою
Nicholas Burke,
Princeton University)
1932 рік - 1 МВ
1933 рік - 7 МВ
associate professor,
Massachusetts
Institute of
Technology (MIT)
УФТІ, 10 жовтня 1932, ЕСГ,
К.Синельников, А.Лейпунський, А.Вальтер, А. Латишев
7Li + p → 4He + 4He

Електростатичний генератор (ЕСГ) - Високовольтний генератор Ван-де-Граафа
High voltage generation: Van de Graaff Generator

Електростатичний генератор (ЕСГ) - Високовольтний генератор Ван-де-Граафа
High voltage generation: Van de Graaff Generator
Ван-де-Грааф прискорювач MIT.
Почали будувати до другої світової війни – запустили на повну енергію 10 МеВ вже після війни.
Сфери в діаметрі 15 футів, обладнання в сферах на висоті 43 футів

Електростатичний генератор (ЕСГ) - Високовольтний генератор Ван-де-Граафа
High voltage generation: Van de Graaff Generator
Koffler accelerator at the
Weizmann Institute of Science, Rehovot
Israel
14 MV Pelletron
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) with
14C, 7Be, 10Be, 26Al, 36Cl, 41Ca,
44Ti, 59Ni, 90Sr, 129I, 236U, 239Pu,
240Pu, 242Pu, 244Pu

Електростатичний генератор (ЕСГ) - Високовольтний генератор Ван-де-Граафа
High voltage generation: Van de Graaff Generator
Відео 1
Відео 2
Відео 3
Відео 4
Відео 5
Відео 6
Відео 7

Високовольтні пробої в повітрі –
Швидкий кінець епохи прискорювачів прямої дії -
каскадних та електростатичних (Ван-де-Граафа) – і розквіт любителів блискавок
http://tesladownunder.com/

Високовольтні пробої в повітрі –
Швидкий кінець епохи прискорювачів прямої дії -
каскадних та електростатичних (Ван-де-Граафа)
Сухий азот Еле-газ

ЕЛЕГАЗ
Гексафторид сірки (елегаз або шестифториста сірка, SF6)
неорганічна речовина, при нормальних умовах важкий газ, в 5 разів важчий за повітря.
Практично безбарвний газ,
має високу пробивну напругу (89 кВ/см). Електрична міцність елегазу залежить від тиску, вона в 2-4 рази вище, ніж у повітря.
Назва «елегаз» шестифториста сірка отримала від скорочення «електричний газ»
Електрична міцність при атмосферному тиску і зазорі 1 см становить Е = 89 кВ/см
У центрі молекули елегазу розташований атом сірки, а на рівній відстані від нього в вершинах правильного октаедра розташовуються шість атомів фтору. Це визначає високу ефективність захоплення електронів молекулами, їх відносно велику довжину вільного пробігу і слабку реакційну здатність. Тому елегаз має високу електричну міцність.
Елегаз нешкідливий у суміші з повітрям. Однак внаслідок порушення технології виробництва елегазу або його розкладання в апараті під дією електричних розрядів (дугового, коронного, часткових), в елегазі можуть виникати надзвичайно активні в хімічному відношенні і шкідливі для людини домішки, а також різні тверді з'єднання, що осідають на стінах конструкції. Інтенсивність утворення таких домішок залежить від наявності в елегазі домішок кисню і особливо пари води.

Альтернатива прямому прискоренню з використанням високої напруги – багатократне прискорення відносно низькою напругою – лінійні та циклічні прискорювачі

Лінійні прискорювачі
Норвезький фізик Рольф Відерое (Rolf Wideröe) – 1928 – перший демонстраційний резонансний лінійний прискорювач
Рольф Відерое (Rolf Wideröe)
11 липня, 1902, Осло, Норвегіяя
11 жовтня, 1996, Nussbaumen, Швейцарія
50 кеВ, іони натрія, напругою 25 кВ
Рольф Відерое біля одної з моделей лінійного резонансного прискорювача в музеї Röntgen-Museum in Remscheid
Швед Густав Адольф Ізінг (Gustaf Adolf Ising) - 1924 - запропонував принцип лінійного резонансного прискорювача

Лінійний резонасний радіочастотний прискорювач (схема Відерое)

Лінійний резонасний радіочастотний прискорювач
Неможливо прискорювати неперервні пучки, а тільки банчі (bunches)

Лінійний резонасний радіочастотний прискорювач (прискорювач Альвареца)
1947 - Alvarez LINAC
Більшість сучасних протонних лінійних прискорювачів - в основі схема прискорення Альвареца

Лінійний резонасний радіочастотний прискорювач (прискорювач Альвареца)
1947 - Alvarez LINAC
Альварец – Нобелівська премія 1968 року за внесок у фізику елементарних частинок (велика кількість резонансів, воднева бульбашкова камера, обробка даних)
Для схеми Відероу – підводи до трубок дрейфу несуть напругу, для схеми Альвареца – тільки охолодження
Luis Walter Alvarez
13 June, 1911, San Francisco, US
1 September, 1988, Berkeley, US

Лінійний резонасний радіочастотний прискорювач для електронів
(Схема хвильовода з кільцевими діафрагмами – Disk-Loaded Waveguide )

Лінійний резонасний радіочастотний прискорювач для електронів
(Магнетрони -> Клістрони)

Лінійний резонасний радіочастотний прискорювач для електронів
(Магнетрони -> Клістрони)
1939: Hansen and Varian brothers invent the klystron

Циклотрон
(Лоуренс, 1932)
Лоуренса надихнула ідея Відерое
Lawrence and Livingston construct first cyclotron (1932), accelerating
1.2 MeV protons
2000 В ? 80 кВ
Для протонів першого циклотрону
2 січня 1930 року - зробив аспірант Лоуренса
Лівінгстон

Циклотрон
Milton Stanley Livingston
* 25 May 1905
† 25 August 1986
"for the invention and development of the cyclotron and for results obtained with it, especially with regard to artificial radioactive elements"

Циклотрон
2000 В ? 80 кВ
Для протонів першого циклотрону
Період не залежить від швидкості (енергії) нерелятивістської частинки

Циклотрон
Циклотрон:
Постійне магнітне поле
Нерелятивістські частинки

Циклотрон
Автофазування
Принцип автофазування відкрили В.І.Векслер (1944 р.) і незалежно Е. Макміллан (1945)
Релятивістські ефекти ? еквівалентне «збільшення» маси ? Т трохи міняється

Циклотрон
Автофазування

Вертикальне фокусування
в циклотроні

Приклад:
характеристики циклотрона
для енергії протонів 20 МеВ

Трохи фізичного гумору
(PD Dr. HP Beck)
Так бачать циклотрон студенти-фізики

Так бачать циклотрон фізики - експериментатори в ФВЕ

Так бачать циклотрон інженери-радіоелектронщики

Так бачать циклотрон інженери-механіки

Так бачать циклотрон спеціалісти служби радіаційної безпеки

А так бачить циклотрон директор

Релятивістське обмеження
Лоуренс побудував серію циклотронів в 30-х роках 20 сторіччя – найбільший з них 60-дюймовий Crocker Cyclotron в 1939 році. Він прискорював електрони до енергій 12 МеВ та альфа частинкидо 48 МеВ
На 1% частота менша => за 25 циклів затримка на 25% => зсув в зону гальмування
Тому для електронів – циклотрон не ефективний (мала енергія спокою)

Ізохронний циклотрон
Магнітне поле збільшують в середньому з радіусом при збільшенні релятивістської енергії, при цьому для ефективного фокусування використовують складний закон поведінки магнітного поля по радіусу і по азимуту
Одним із способів підвищення максимально енергії циклотрона є знаходження такої модифікації циклотрона, в якій період обертання частинки не залежить від її енергії. Якщо додатково зажадати при цьому сталості частоти прискорює напруги, то азимутально-симетричне магнітне поле має зростати з радіусом за законом
Але при такій поведінці поля не буде вертикального фокусування – для його забезпечення вводять азимутальну залежність поля.
Вперше запропонував Американський вчений Томас. У 1938 році він показав, що при певній конфігурації магнітного поля орбіти заряджених частинок виявляються стійкими і ізохронними. Але популярною така схема циклотронів стала тільки у наші дні

Ізохронний циклотрон
Енергії протонів досягають порядку сотень МеВ

Фазотрон (синхроциклотрон)
Енергії протонів досягають порядку сотень МеВ
Надпровідний синхроциклотрон (TriNiobium Core™, Mevion)- 250 МеВ, діаметр 1.8 м. Для протонної терапії
Перший прискорювач в CERN –
Синхроциклотрон, 600 МеВ, 1957

Синхроциклотрон
(фазотрон)
Графік Лівінгстона
зменшують при збільшенні релятивістської енергії

Синхронізм при прискоренні
Прості теоретичні розрахунки приводили до кількості частинок, які попадали в режим прискорення із зміною частоти, яка прямувала до нуля.
Групування частинок в банч для прискорення забезпечується принципом автофазування, яке відкрили
Радянський вчений В.І. Векслер в 1944 році
і незалежно
Американський вчений Е.Макмілліан у 1945 році

Синхронізм при прискоренні
Ідея принципу автофазування полягає в тому, що для компенсації збільшення періоду обертання частинок, що веде до порушення синхронізму, змінюють
або частоту прискорюючої електричного поля,
або індукцію магнітного поля,
або те й інше.
Принцип автофазування використовується в:
Ізохронному циклотроні
Фазотроні (синхроциклотроні),
Синхротроні,
синхрофазотроні.

Синхротрон
Синхротрон - один з типів резонансних циклічних прискорювачів. Характеризується тим, що в процесі прискорення частинок орбіта пучка залишається постійного радіуса, а магнітне поле поворотних магнітів на цьому радіусі зростає.
Крім того, залишається постійною частота прискорюючого електричного поля (для електронів v=c)
Перший синхротрон (електронний) побудовано в США (Edwin McMillan) – 1944 рік
LEP – більше 100 ГеВ
Енергії електронних синхротронів – до сотень ГеВ

Синхротрон
(Синхротронне випромінювання)
Втрати енергії на радіаційне випромінювання за один оберт
Е – повна енергія
? Актуально тільки для електронів

Синхротрон
(Синхротронне випромінювання)
АЛЬТЕРНАТИВА - ондулятори
Soliel, Saclay (Paris)

Синхрофазотрон
(Протонний синхротрон
зі слабким фокусуванням)
Синхрофазотрон – головний тип сучасних резонансних циклічних прискорювачів. Характеризується тим, що в процесі прискорення частинок орбіта пучка залишається постійного радіуса, а магнітне поле поворотних магнітів на цьому радіусі зростає.
Крім того, змінюється частота прискорюючого електричного поля (для важких частинок - протонів, ядер)
Перший в світі – Космотрон, США, БНЛ, 1952, 3 ГеВ,
Бермінгемський протонний синхротрон (1953 р., Марк Оліфант, 1 ГеВ)
Синхрофазотрон ОІЯД – 1957 р., 10 ГеВ (в 2002 році зупинено)
http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/e96/PAPERS/ORALS/FRX04A.PDF

Історія великих прискорювачів
Cosmotron
Протонний синхротрон із слабким фокусуванням,
BNL (Brookhaven National Laboratory), USA
1952 (1953, повна енергія) – 1966 (1969, демонтований), 3.3 ГеВ
Вперше продукувалися – усі типи мезонів, які були відомі з дослідження космічних променів, K0L мезони, перші векторні мезони

BNL (Brookhaven National Laboratory), USA

RHIC
(Relativistic Heavy Ion Collider)
BNL (Brookhaven National Laboratory), USA
Коллайдер з накопичувальними кільцями, які перетинаються, прискорює протони і важкі іони, довжина кілець 3834 метри, надпровідні магніти (диполі 3.45 Т)
1 -- Electron Beam Ion Source (EBIS)
2 – Linac
3 -- Booster
4 -- Alternating Gradient Synchrotron (AGS)
5 – Beamline
6 -- two rings of RHIC
Au+Au – 200 ГеВ на нуклонну пару в системі центру мас

Історія великих прискорювачів
Bevatron
Протонний синхротрон із слабким фокусуванням,
LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory), USA, Каліфорнія
1954 – 1971, 6 ГеВ
1971-1993 – як бустер важких іонів
для лінійного прискорювача
SuperHILAC (Super Heavy Ion Linear Accelerator),
Bevatron+SuperHILAC=Bevalac
2009-2011 - демонтаж
Вперше зареєстровані антипротони в 1955 році – Нобелівська премія (Еміліо Сегре та Оуен Чемберлен, 1959 р.) , використовувалися бульбашкові камери з рідкого водню (Луїс Альварес, Нобелівська премія 1968 р., за відкриття резонансів з використанням бульбашкової камери)

LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory), USA, Каліфорнія
Berkeley Lab

Історія великих прискорювачів
Станфордський лінійний прискорювач
Радіочастотний лінійний прискорювач електронів, SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory (з 2008 р.), стара назва - Stanford Linear Accelerator Center), USA
1966 (22 ГеВ повна енергія) – …,
50 ГеВ для електронів і позитронів, в режимі колайдера в СЦМ енергія 90 ГеВ
Продукувалися 3 нобелівські премії: 1976 – очарований кварк, J/ψ (J/Psi) мезон; 1990 – кваркова структура протонів і нейтронів; 1995 – тау-лептон
Найдовший лінійний прискорювач - 3.2 км

SLAC (SLAC National Accelerator Laboratory)

Історія великих прискорювачів
Синхрофазотрон, Дубна, СРСР
Протонний синхротрон, Дубна, СРСР
1957 (повна енергія) – 2002, 10 ГеВ

Синхрофазотрон, Дубна, СРСР

Історія великих прискорювачів
Синхрофазотрон У-70, Протвино
(біля Серпухова), СРСР
Протонний синхротрон, Протвино, СРСР
1967 (повна енергія 76 ГеВ) – …, 70 ГеВ
http://www.liveinternet.ru/showjournal.php?journalid=1109359&tagid=82941

Протвино (біля Серпухова)

Протвино
Примари СРСР – руїни недобудованого суперколайдера на 3000 ГеВ
(УНК – «ускорительно-накопительный комплекс»)
(1983 - 1994)
Довжина основного кільця 21 км (тунель повністю прорито), У-70 планувався як початкова розгонна ланка, на глибині 20-60 м
Історія великих прискорювачів

Історія великих прискорювачів
ЦЕРН

Історія великих прискорювачів
ЦЕРН

Історія великих прискорювачів
Протонний синхротрон, 28 ГеВ
PS (Proton Synchrotron), CERN
1959 – …, 28 ГеВ,
довжина кола 628.3 м
Давно використовується як бустер для більш потужних прискорювачів:
Intersecting Storage Rings (ISR)
Super Proton Synchrotron (SPS)
Large Electron-Positron Collider (LEP)
Large Hadron Collider (LHC)
Універсальна машина – може прискорювати протони, антипротони, електрони, позитрони і деякий набір іонів, інтенсивність збільшили з 1959 року в 1000 раз
Відкрито слабкі нейтральні струми в 1974

Історія великих прискорювачів
Адронний коллайдер,
ISR (Intersecting Storage Rings), CERN
1971 – 1984,
Перший в світі адронний колайдер
Максимальна енергія протонів у ISR - 31.5 ГеВ, в системі центру мас 62 ГеВ
Висока світимість для p-p зіткнень – в 1984 р. Отримано 1,4×1032см−2с−1
В основному працював в режимі протон-протонного коллайдера, а також протон-антипротонних зіткнень, використання дейтронних пучків
Розробка стахастичного охолодження - Симон Ван дер Меер, в 1984 Нобелівська премія

Історія великих прискорювачів
Супер Протонний Синхротрон,
SPS (Super Proton Synchrotron), CERN
Прискорював протони, антипротони, електрони, позитрони (як інжектор для LEP - Large Electron–Positron Collider) і важкі іони, зараз виступає фінальним інжектором для LHC (розганяє високоінтенсивні пучки протонів з 26 ГеВ до 450 ГеВ)
1983: знаходження W та Z бозонів (Нобелівська премія 1984 року)
1999: відкриття прямого порушення CP інваріантності

Історія великих прискорювачів
Великий електрон-позитронний коллайдер,
LEP (Large Electron–Positron Collider), CERN
1989 - 2000,
довжина кола 27 км,
максимальна енергія електронів і позитронів - 45 ГеВ (1989 р.),
Сумарна енергія - 209 ГеВ (2000 р.)
Уточнювалися характеристики Стандартної моделі

Історія великих прискорювачів
LHC, CERN
Історія прямо зараз

Історія великих прискорювачів
ТЕВАТРОН
Tevatron, USA, Батавія, Фермілаб
1983 - 2011,
Синхротрон, колайдер, довжина кола 6.3 км,
максимальна енергія - 980 ГеВ для кожного пучка,
Прискорює протони і антипротони

Фермілаб
Національна прискорювальна лабораторія імені Енріко Фермі

Фермілаб
Національна прискорювальна лабораторія імені Енріко Фермі

HERA
Hadron-Elektron-Ring-Anlage (Hadron Electron Ring Facility),
DESY(Deutsches Elektronen-Synchrotron ), Гамбург
Два кільця: електрони – 27.5 ГеВ, протони – 920 ГеВ
Кільце довжиною більше 6 км

МІКРОТРОН
Класична схема
Розрізний мікротрон
Класичний мікротрон, ідея якого була запропонована в 1944 році Векслером, являє собою круглий дипольний магніт, але на відміну від циклотрона частинки инжектуються не в центрі, а скраю, де встановлені порожнисті прискорюючі електроди. Далі частинки рухаються по колах все більшого радіуса, отримуючи на кожному обороті прирощення енергії таке, щоб нова частота обертання знову була кратна частоті ВЧ-системи.
На 1 оберт порядку 0.5 МеВ приріст енергії

РОЗРІЗНИЙ МІКРОТРОН
Імпульсний розрізний мікротрон на енергію 70 МеВ (НДІЯФ МДУ)
Розрізний мікротрон РАМ-55

Прискорювач електронів неперервної дії на принципі квазімікротрона,
CEBAF, 6 ГеВ (12 ГеВ), 1400 м
Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), Jefferson Lab, Jlab, USA

CEBAF, 6 ГеВ (12 ГеВ), 1400 м
Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), Jefferson Lab, Jlab, USA

Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF), Jefferson Lab, Jlab, USA

Індукційні прискорювачі
Бетатрон
Зміна магнітного поля призводить до утворення індукованого електричного поля, яке може прискорювати заряджені частинки
Ідея Відерое (Wideröe ) ? перший електронний прискорювач, робота якого базується на магнітній індукції (Donald Kerst, 1940 рік, 2.3 МеВ)
Donald William Kerst
* 1 November 1911, Galena, Illinois
† 19 August 1993Robert

Індукційні прискорювачі
Бетатрон
Bρ – магнітна жорсткість

Індукційні прискорювачі
Бетатрон