מאיץ חלקיקים הוא מכשיר שיוצר קרן של חלקיקים אטומיים או תת-אטומיים טעונים חשמלית הנעים במהירויות כמעט אור. עבודתו מבוססת על עלייה באנרגיה שלהם על ידי שדה חשמלי ושינוי במסלול - על ידי מגנטי.
למה מיועדים מאיצי חלקיקים?
מכשירים אלה נמצאים בשימוש נרחב בתחומים שונים של מדע ותעשייה. כיום, ישנם יותר מ-30 אלף מהם בכל רחבי העולם. עבור פיזיקאי, מאיצי חלקיקים משמשים כלי למחקר יסודי על מבנה האטומים, טבעם של כוחות גרעיניים ותכונותיהם של גרעינים שאינם מתרחשים בטבע. האחרונים כוללים טרנסאורניום ואלמנטים לא יציבים אחרים.
בעזרת צינור פריקה התאפשר לקבוע את המטען הספציפי. מאיצי חלקיקים משמשים גם בייצור רדיואיזוטופים, ברדיוגרפיה תעשייתית, בטיפול בקרינה, בסטריליזציה של חומרים ביולוגיים וברדיופחמן.אָנָלִיזָה. המתקנים הגדולים ביותר משמשים בחקר אינטראקציות בסיסיות.
משך החיים של חלקיקים טעונים במנוחה ביחס למאיץ קטן מזה של חלקיקים המואצים למהירויות הקרובות למהירות האור. זה מאשר את היחסיות של מרווחי זמן SRT. לדוגמה, ב-CERN הושגה עלייה של פי 29 בחייהם של מיואונים במהירות של 0.9994c.
מאמר זה דן כיצד מאיץ חלקיקים פועל, פיתוחו, סוגים שונים ומאפיינים ייחודיים.
עקרונות האצה
ללא קשר לאיזה מאיצי חלקיקים אתה מכיר, לכולם יש אלמנטים משותפים. ראשית, לכולם חייב להיות מקור של אלקטרונים במקרה של קינסקופ טלוויזיה, או אלקטרונים, פרוטונים והאנטי-חלקיקים שלהם במקרה של מתקנים גדולים יותר. בנוסף, לכולם חייבים להיות שדות חשמליים כדי להאיץ את החלקיקים והשדות המגנטיים כדי לשלוט במסלול שלהם. בנוסף, הוואקום במאיץ החלקיקים (10-11 mm Hg), כלומר הכמות המינימלית של שארית אוויר, נחוץ כדי להבטיח אורך חיים ארוך של הקורות. ולבסוף, לכל המתקנים חייבים להיות אמצעים לרשום, לספור ולמדוד חלקיקים מואצים.
Generation
אלקטרונים ופרוטונים, שנמצאים בשימוש הנפוץ ביותר במאיצים, נמצאים בכל החומרים, אבל קודם כל צריך לבודד אותם מהם. בדרך כלל נוצרים אלקטרוניםממש כמו בקינסקופ - במכשיר שנקרא "אקדח". זוהי קתודה (אלקטרודה שלילית) בוואקום, אשר מחוממת עד לנקודה שבה אלקטרונים מתחילים להתנתק מהאטומים. חלקיקים בעלי מטען שלילי נמשכים לאנודה (אלקטרודה חיובית) ועוברים דרך השקע. האקדח עצמו הוא גם המאיץ הפשוט ביותר, שכן האלקטרונים נעים בהשפעת שדה חשמלי. המתח בין הקתודה לאנודה הוא בדרך כלל בין 50-150 קילו וולט.
בנוסף לאלקטרונים, כל החומרים מכילים פרוטונים, אבל רק גרעיני אטומי המימן מורכבים מפרוטונים בודדים. לכן, מקור החלקיקים עבור מאיצי פרוטונים הוא מימן גזי. במקרה זה, הגז מיונן והפרוטונים בורחים דרך החור. במאיצים גדולים, פרוטונים מיוצרים לרוב כיוני מימן שליליים. הם אטומים עם אלקטרון נוסף, שהם תוצר של יינון של גז דו-אטומי. קל יותר לעבוד עם יוני מימן טעונים שלילי בשלבים הראשונים. ואז הם מועברים דרך נייר כסף דק שמונע מהם אלקטרונים לפני השלב האחרון של התאוצה.
Acceleration
איך מאיצי חלקיקים עובדים? המאפיין המרכזי של כל אחד מהם הוא השדה החשמלי. הדוגמה הפשוטה ביותר היא שדה סטטי אחיד בין פוטנציאלים חשמליים חיוביים לשליליים, בדומה לזה שקיים בין הדקים של סוללה חשמלית. בכזהשדה, אלקטרון הנושא מטען שלילי נתון לכוח המכוון אותו לעבר פוטנציאל חיובי. היא מאיצה אותו, ואם אין דבר שימנע זאת, המהירות והאנרגיה שלו מתגברים. אלקטרונים הנעים לעבר פוטנציאל חיובי בחוט או אפילו באוויר מתנגשים באטומים ומאבדים אנרגיה, אבל אם הם נמצאים בוואקום, הם מאיצים כשהם מתקרבים לאנודה.
המתח בין המיקום ההתחלתי והסופי של אלקטרון קובע את האנרגיה הנרכשת על ידו. כאשר עוברים דרך הפרש פוטנציאל של 1 V, הוא שווה ל-1 אלקטרון וולט (eV). זה שווה ערך ל-1.6 × 10-19 ג'אול. האנרגיה של יתוש מעופף גדולה פי טריליון. בקינסקופ, האלקטרונים מואצים במתח של מעל 10 קילוואט. מאיצים רבים משיגים אנרגיות גבוהות בהרבה, הנמדדות במגה, גיגה וטראלקטרון וולט.
זנים
כמה מהסוגים המוקדמים ביותר של מאיצי חלקיקים, כמו מכפיל המתח ומחולל ואן דה גראף, השתמשו בשדות חשמליים קבועים שנוצרו על ידי פוטנציאלים של עד מיליון וולט. לא קל לעבוד עם מתחים כה גבוהים. חלופה מעשית יותר היא הפעולה החוזרת ונשנית של שדות חשמליים חלשים הנוצרים על ידי פוטנציאלים נמוכים. עיקרון זה משמש בשני סוגים של מאיצים מודרניים - ליניאריים ומחזוריים (בעיקר בציקלוטונים וסינכרוטרונים). מאיצי חלקיקים ליניאריים, בקיצור, מעבירים אותם פעם אחת ברצףשדות מאיצים, ואילו בשדות המחזוריים הם נעים שוב ושוב לאורך מסלול מעגלי דרך שדות חשמליים קטנים יחסית. בשני המקרים, האנרגיה הסופית של החלקיקים תלויה בהשפעה המשולבת של השדות, כך שהרבה "זעזועים" קטנים מצטברים כדי לתת את ההשפעה המשולבת של אחד גדול.
המבנה החוזר של מאיץ ליניארי ליצירת שדות חשמליים כרוך באופן טבעי בשימוש במתח AC ולא במתח DC. חלקיקים בעלי מטען חיובי מואצים לעבר הפוטנציאל השלילי ומקבלים תנופה חדשה אם הם עוברים ליד החיובי. בפועל, המתח אמור להשתנות מהר מאוד. לדוגמה, באנרגיה של 1 MeV, פרוטון נע במהירויות גבוהות מאוד של 0.46 מהירות האור, ונוסע 1.4 מ' ב-0.01 אלפיות השנייה. המשמעות היא שבתבנית חוזרת באורך של כמה מטרים, השדות החשמליים חייבים לשנות כיוון בתדר של לפחות 100 מגה-הרץ. מאיצים ליניאריים ומחזוריים של חלקיקים טעונים, ככלל, מאיצים אותם באמצעות שדות חשמליים מתחלפים בתדר של 100 עד 3000 מגה-הרץ, כלומר, החל מגלי רדיו ועד גלי מיקרו.
גל אלקטרומגנטי הוא שילוב של שדות חשמליים ומגנטיים מתחלפים המתנודדים בניצב אחד לשני. נקודת המפתח של המאיץ היא להתאים את הגל כך שכאשר החלקיק מגיע, השדה החשמלי מכוון בהתאם לווקטור התאוצה. ניתן לעשות זאת עם גל עומד - שילוב של גלים הנעים בכיוונים מנוגדים בלולאה סגורה.חלל, כמו גלי קול בצינור עוגב. חלופה לאלקטרונים הנעים במהירות רבה המתקרבים למהירות האור היא גל נע.
Autophasing
אפקט חשוב בעת האצה בשדה חשמלי מתחלף הוא "אופי-פאזינג". במחזור אחד של תנודה, השדה המתחלף עובר מאפס דרך ערך מקסימלי שוב לאפס, יורד למינימום ועולה לאפס. אז זה עובר את הערך הדרוש כדי להאיץ פעמיים. אם החלקיק המאיץ מגיע מוקדם מדי, אז הוא לא יושפע משדה בעל חוזק מספיק, והדחיפה תהיה חלשה. כשהיא תגיע לקטע הבא, היא תאחר ותחווה השפעה חזקה יותר. כתוצאה מכך, תתרחש שלב אוטומטי, החלקיקים יהיו בשלב עם השדה בכל אזור מאיץ. השפעה נוספת תהיה לקבץ אותם לאורך זמן בגושים ולא בזרם מתמשך.
כיוון קרן
שדות מגנטיים גם ממלאים תפקיד חשוב באופן שבו מאיץ חלקיקים טעונים פועל, מכיוון שהם יכולים לשנות את כיוון התנועה שלהם. המשמעות היא שניתן להשתמש בהם כדי "לכופף" את הקורות לאורך מסלול מעגלי כך שיעברו דרך אותו קטע האצה מספר פעמים. במקרה הפשוט ביותר, חלקיק טעון הנע בזווית ישרה לכיוון שדה מגנטי אחיד נתון לכוחמאונך הן לווקטור של תזוזה והן לשדה. זה גורם לקורה לנוע לאורך מסלול מעגלי בניצב לשדה עד שהיא עוזבת את אזור הפעולה שלה או שכוח אחר מתחיל לפעול עליה. אפקט זה משמש במאיצים מחזוריים כגון ציקלוטרון וסינכרוטרון. בציקלוטרון, שדה קבוע נוצר על ידי מגנט גדול. החלקיקים, כשהאנרגיה שלהם גדלה, מסתחררים החוצה, מואצים עם כל סיבוב. בסינכרוטרון, הצרורות נעות סביב טבעת בעלת רדיוס קבוע, והשדה שנוצר על ידי האלקטרומגנטים סביב הטבעת גדל ככל שהחלקיקים מואצים. המגנטים ה"מתכופפים" הם דיפולים כשהקוטב הצפוני והדרומי מכופפים בצורת פרסה כך שהקרן יכולה לעבור ביניהם.
התפקיד החשוב השני של האלקטרומגנטים הוא לרכז אלומות כך שיהיו כמה שיותר צרות ואינטנסיביות. הצורה הפשוטה ביותר של מגנט מיקוד היא עם ארבעה קטבים (שניים צפוניים ושניים דרומיים) זה מול זה. הם דוחפים את החלקיקים לכיוון המרכז בכיוון אחד, אך מאפשרים להם להתפשט בכיוון הניצב. מגנטים מרובע פולים ממקדים את האלומה בצורה אופקית, ומאפשרים לה לצאת מפוקוס אנכית. לשם כך, יש להשתמש בהם בזוגות. מגנטים מורכבים יותר עם יותר קטבים (6 ו-8) משמשים גם למיקוד מדויק יותר.
ככל שהאנרגיה של החלקיקים עולה, עוצמת השדה המגנטי המנחה אותם עולה. זה שומר על הקורה באותו נתיב. הקריש מוכנס לטבעת ומאיץ אותוהאנרגיה הדרושה לפני שניתן יהיה למשוך אותה ולהשתמש בה בניסויים. נסיגה מושגת על ידי אלקטרומגנטים שנדלקים כדי לדחוף חלקיקים החוצה מטבעת הסינכרוטרון.
התנגשות
מאיצי חלקיקים המשמשים ברפואה ובתעשייה מייצרים בעיקר אלומה למטרה מסוימת, כמו טיפול בקרינה או השתלת יונים. זה אומר שהחלקיקים משמשים פעם אחת. במשך שנים רבות, אותו הדבר היה נכון לגבי מאיצים המשמשים במחקר בסיסי. אבל בשנות ה-70 פותחו טבעות שבהן שתי הקורות מסתובבות בכיוונים מנוגדים ומתנגשות לאורך כל המעגל. היתרון העיקרי של מתקנים כאלה הוא שבהתנגשות חזיתית, האנרגיה של החלקיקים נכנסת ישירות לאנרגיית האינטראקציה ביניהם. זה מנוגד למה שקורה כאשר האלומה מתנגשת בחומר במצב מנוחה: במקרה זה, רוב האנרגיה מושקעת על הפעלת חומר המטרה, בהתאם לעקרון שימור המומנטום.
כמה מכונות אלומה מתנגשות בנויות עם שתי טבעות מצטלבות בשני מקומות או יותר, שבהן חלקיקים מאותו סוג מסתובבים בכיוונים מנוגדים. מתנגשים עם חלקיקים ואנטי-חלקיקים שכיחים יותר. לאנטי-חלקיק יש מטען הפוך מהחלקיק הקשור אליו. לדוגמה, פוזיטרון טעון חיובי ואילו אלקטרון טעון שלילי. זה אומר שהשדה שמאיץ את האלקטרון מאט את הפוזיטרון,נעים באותו כיוון. אבל אם האחרון נע בכיוון ההפוך, הוא יאיץ. באופן דומה, אלקטרון שנע דרך שדה מגנטי יתכופף שמאלה, ופוזיטרון יתכופף ימינה. אבל אם הפוזיטרון נע לעברו, אז דרכו עדיין תסטה ימינה, אבל לאורך אותה עקומה של האלקטרון. יחד, זה אומר שחלקיקים אלה יכולים לנוע לאורך טבעת הסינכרוטרון עקב אותם מגנטים ולהאיץ על ידי אותם שדות חשמליים בכיוונים מנוגדים. רבים מהמתנגשים החזקים ביותר על קורות מתנגשות נוצרו על פי עיקרון זה, מכיוון שנדרשת רק טבעת מאיץ אחת.
הקרן בסינכרוטרון אינה נעה ברציפות, אלא משולבת ל"גושים". אורכם יכול להיות כמה סנטימטרים וקוטר עשירית המילימטר, ומכילים כ-1012 חלקיקים. זוהי צפיפות קטנה, שכן חומר בגודל כזה מכיל כ-1023 אטומים. לכן, כאשר אלומות מצטלבות עם אלומות מתקרבות, יש רק סיכוי קטן שהחלקיקים יתקשרו זה עם זה. בפועל, הצרורות ממשיכות לנוע לאורך הטבעת ולהיפגש שוב. הוואקום העמוק במאיץ החלקיקים (10-11 mmHg) נחוץ כדי שהחלקיקים יוכלו להסתובב במשך שעות רבות מבלי להתנגש במולקולות אוויר. לכן הטבעות נקראות גם מצטברות, שכן הצרורות נשמרים בהן למעשה מספר שעות.
הרשמה
מאיצי חלקיקים ברובם יכולים לרשום מה קורה מתיכאשר חלקיקים פוגעים במטרה או קרן אחרת הנעה בכיוון ההפוך. ב-kinescope של טלוויזיה, אלקטרונים מאקדח פוגעים בזרחן על פני השטח הפנימיים של המסך ופולטים אור, ובכך משחזר את התמונה המשודרת. במאיצים, גלאים מיוחדים כאלה מגיבים לחלקיקים מפוזרים, אך הם נועדו בדרך כלל ליצור אותות חשמליים שניתן להמיר לנתוני מחשב ולנתח אותם באמצעות תוכנות מחשב. רק יסודות טעונים יוצרים אותות חשמליים על ידי מעבר דרך חומר, למשל על ידי אטומים מרגשים או מייננים, וניתן לזהות אותם ישירות. חלקיקים ניטרליים כגון נויטרונים או פוטונים ניתנים לזיהוי בעקיפין באמצעות התנהגותם של החלקיקים הטעונים שהם מניעים.
ישנם גלאים מיוחדים רבים. חלקם, כמו מונה גייגר, פשוט סופרים חלקיקים, בעוד שאחרים משמשים, למשל, כדי להקליט מסלולים, למדוד מהירות או למדוד את כמות האנרגיה. גלאים מודרניים נעים בגודל ובטכנולוגיה ממכשירים קטנים המחוברים למטען ועד לתאי גז גדולים מלאי חוטים המזהים את השבילים המיוננים שנוצרו על ידי חלקיקים טעונים.
היסטוריה
מאיצי חלקיקים פותחו בעיקר כדי לחקור את התכונות של גרעיני אטום וחלקיקים יסודיים. מגילוי התגובה בין גרעין החנקן לחלקיק האלפא על ידי הפיזיקאי הבריטי ארנסט רתרפורד ב-1919, כל המחקר בפיזיקה גרעינית עד1932 בילתה עם גרעיני הליום ששוחררו מהתפרקות של יסודות רדיואקטיביים טבעיים. לחלקיקי אלפא טבעיים יש אנרגיה קינטית של 8 MeV, אך ראתרפורד האמין שכדי לצפות בהתפרקות של גרעינים כבדים, יש להאיץ אותם באופן מלאכותי לערכים גדולים עוד יותר. בזמנו זה נראה קשה. עם זאת, חישוב שנעשה בשנת 1928 על ידי גאורגי גאמוב (באוניברסיטת גטינגן, גרמניה) הראה שניתן להשתמש ביונים בעלי אנרגיות נמוכות בהרבה, וזה עורר ניסיונות לבנות מתקן שסיפק קרן מספקת למחקר גרעיני.
אירועים אחרים בתקופה זו הדגימו את העקרונות שלפיהם מאיצי חלקיקים בנויים עד היום. הניסויים המוצלחים הראשונים עם יונים מואצים באופן מלאכותי בוצעו על ידי קוקקרופט ו-וולטון ב-1932 באוניברסיטת קיימברידג'. באמצעות מכפיל מתח, הם האיצו פרוטונים ל-710 keV והראו שהאחרונים מגיבים עם גרעין הליתיום ויוצרים שני חלקיקי אלפא. עד 1931, באוניברסיטת פרינסטון בניו ג'רזי, רוברט ואן דה גראף בנה את הגנרטור האלקטרוסטטי הראשון לחגורה בעלת פוטנציאל גבוה. מכפילי מתח Cockcroft-W alton ומחוללי Van de Graaff עדיין משמשים כמקורות כוח עבור מאיצים.
העיקרון של מאיץ תהודה ליניארי הוכח על ידי רולף ווידרו בשנת 1928. באוניברסיטה הטכנולוגית בריין-וסטפאל באאכן, גרמניה, הוא השתמש במתח חילופין גבוה כדי להאיץ יוני נתרן ואשלגן לאנרגיות פעמייםמעבר לאלו המדווחים על ידם. בשנת 1931 בארצות הברית, ארנסט לורנס ועוזרו דיוויד סלואן מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי השתמשו בשדות בתדר גבוה כדי להאיץ את יוני הכספית לאנרגיות העולה על 1.2 MeV. עבודה זו השלימה את מאיץ החלקיקים הכבדים Wideröe, אך קרני יונים לא היו שימושיות במחקר גרעיני.
מאיץ התהודה המגנטי, או ציקלוטרון, הוגה על ידי לורנס כשינוי של מתקן Wideröe. תלמידו של לורנס ליווינגסטון הדגים את עקרון הציקלוטרון ב-1931 על ידי הפקת יוני 80 keV. בשנת 1932 הכריזו לורנס וליווינגסטון על האצת פרוטונים ליותר מ-1 MeV. מאוחר יותר בשנות ה-30 הגיעה האנרגיה של ציקלוטרונים לכ-25 MeV, וזו של מחוללי Van de Graaff הגיעה לכ-4 MeV. בשנת 1940, דונלד קרסט, שיישם את התוצאות של חישובי מסלול קפדניים בתכנון של מגנטים, בנה את הבטאטרון הראשון, מאיץ אלקטרוני אינדוקציה מגנטי, באוניברסיטת אילינוי.
פיסיקה מודרנית: מאיצי חלקיקים
לאחר מלחמת העולם השנייה, המדע של האצת חלקיקים לאנרגיות גבוהות התקדם במהירות. הוא הוקם על ידי אדווין מקמילן בברקלי ולדימיר וקסלר במוסקבה. בשנת 1945, שניהם תיארו באופן עצמאי את עקרון יציבות הפאזה. תפיסה זו מציעה אמצעי לשמירה על מסלולי חלקיקים יציבים במאיץ מחזורי, שהסיר את המגבלה על אנרגיית הפרוטונים ואיפשר ליצור מאיצי תהודה מגנטית (סינקרוטרונים) לאלקטרונים. Autophasing, יישום עקרון יציבות השלב, אושר לאחר הבנייהסינכרוציקלטרון קטן באוניברסיטת קליפורניה וסינכרוטרון באנגליה. זמן קצר לאחר מכן, מאיץ התהודה ליניארי הפרוטון הראשון נוצר. עיקרון זה נמצא בשימוש בכל סינכרוטרונים פרוטונים גדולים שנבנו מאז.
בשנת 1947, וויליאם הנסן, באוניברסיטת סטנפורד בקליפורניה, בנה את מאיץ האלקטרונים הראשון של גל נוסע באמצעות טכנולוגיית מיקרוגל שפותחה עבור מכ ם במהלך מלחמת העולם השנייה.
התקדמות במחקר התאפשרה על ידי הגדלת האנרגיה של פרוטונים, מה שהוביל לבניית מאיצים גדולים יותר ויותר. מגמה זו נעצרה בגלל העלות הגבוהה של ייצור מגנטים טבעתיים ענקיים. הגדול ביותר שוקל כ-40,000 טון. דרכים להגדלת האנרגיה מבלי להגדיל את גודל המכונות הדגימו בשנת 1952 על ידי Livingston, Courant ו-Snyder בטכניקה של מיקוד לסירוגין (המכונה לפעמים מיקוד חזק). סינכרוטרונים המבוססים על עיקרון זה משתמשים במגנטים קטנים פי 100 מבעבר. מיקוד כזה משמש בכל הסינכרוטרונים המודרניים.
בשנת 1956, קרסט הבין שאם שתי קבוצות של חלקיקים יישמרו במסלולים מצטלבים, ניתן היה לראות אותם מתנגשים. היישום של רעיון זה הצריך הצטברות של אלומות מואצות במחזורים הנקראים אחסון. טכנולוגיה זו אפשרה להשיג את אנרגיית האינטראקציה המקסימלית של חלקיקים.
