Ускорители элементарных частиц генераторы свч излучения второе

Ускоритель частиц - это устройство, которое ускоряет субатомные частицы до высоких скоростей, используя электромагнитные поля. Он генерирует пучок заряженных частиц, который используется в многочисленных исследовательских целях. История ускорителя частиц восходит к 1930 году, когда ученые разработали трансформатор на 200 000 вольт и ускоряли протоны по прямой траектории. Хотя машина не выполнила свое предназначение, она начала …

Ускорители элементарных частиц генераторы свч излучения второе

Что такое ускоритель частиц? Как это работает?

Ускоритель частиц — это устройство, которое ускоряет субатомные частицы до высоких скоростей, используя электромагнитные поля. Он генерирует пучок заряженных частиц, который используется в многочисленных исследовательских целях.

История ускорителя частиц восходит к 1930 году, когда ученые разработали трансформатор на 200 000 вольт и ускоряли протоны по прямой траектории. Хотя машина не выполнила свое предназначение, она начала поиски ускорителей частиц более высокой энергии, которые продолжаются и по сей день.

Ускоритель частиц — это большое устройство, которое продвигает субатомные частицы на высоких скоростях, используя электрические и магнитные поля. Для более технически склонных умов это машина, которая ускоряет электрически заряженные частицы, близкие к скорости света, и удерживает их в четко определенных лучах, используя электромагнитные поля.

В 20-м веке ускорители частиц были названы атомными разрушителями. Название сохраняется, несмотря на то, что современные ускорители создают столкновения между двумя субатомными частицами, а не атомными ядрами.

Столкновения таких частиц могут помочь ученым понять, как работает Вселенная. Ускорители частиц высоких энергий чрезвычайно полезны для фундаментальных и прикладных исследований в различных областях, от электроники и медицины до международной безопасности.

Мы рассмотрели некоторые из наиболее интересных фактов и статистических данных о современных ускорителях частиц, которые пробудят в вас интерес к физике частиц. Давайте начнем с основного.

Типы ускорителей частиц

Существует два основных типа ускорителей:

1) Электростатические ускорители: используйте статические электрические поля для увеличения скорости заряженных частиц. Положительная частица притягивается к отрицательно заряженной пластине, а отрицательная частица притягивается к положительно заряженной пластине.

Они простые, менее дорогие и имеют ограниченный выход энергии, что означает, что они не могут разогнать частицы до чрезвычайно высоких скоростей. Максимальная кинетическая энергия частиц зависит от ускоряющего напряжения, которое ограничено явлением, называемым электрическим пробоем.

Генератор Ван де Граафа и генератор Кокрофта-Уолтона являются наиболее распространенным примером электростатических ускорителей. Катодно-лучевая трубка любого старого компьютерного монитора является небольшим примером ускорителя этого типа.

2) Электродинамические ускорители: используйте изменяющиеся электромагнитные поля (либо колеблющиеся радиочастотные поля, либо магнитную индукцию) для ускорения частиц.

В этих устройствах частицы пропускаются через одно и то же электромагнитное поле несколько раз, поэтому они могут достигать гораздо более высоких скоростей, чем в электростатических ускорителях. Максимальная кинетическая энергия частиц не ограничена напряженностью ускоряющего поля.

Эти ускорители можно подразделить на два класса:

  1. Линейный, в котором частицы ускоряются по прямой
  2. Циркуляр, в котором частицы изгибаются на приблизительно круговой орбите с помощью магнитных полей. Частицы движутся по этой орбите, пока не достигнут достаточной энергии.

Как это работает?

На базовом уровне ускорители частиц генерируют пучок заряженных частиц, который используется для многочисленных исследовательских целей. Обычно пучок состоит из заряженных субатомных частиц (таких, как протоны и электроны), но в некоторых случаях используются целые атомы более тяжелых элементов (таких, как уран и золото).

Например, в кольцевых ускорителях частицы непрерывно ускоряются в круглой трубе. Напряженность электрического поля увеличивается с каждым проходом, повышая уровень энергии пучка частиц.

Когда частицы достигают необходимой скорости, цель (например, тонкий кусок металлического листа) помещается в их дорожку, где детектор частиц анализирует столкновение.

В целом, существует 6 ключевых компонентов в ускорителях частиц:

А) Частица S : обеспечивает ускорение частиц (таких, как электроны или протоны). Один баллон с газообразным водородом, например, может быть источником частиц. Один атом водорода содержит один электрон и один протон.

Б) Металлическая труба: содержит вакуум, в котором движется пучок частиц. Вакуум поддерживает беспыльную среду для беспрепятственного перемещения электрически заряженных частиц.

С) Электромагниты: контролируют движение частиц, когда они проходят через металлическую трубу.

Д) Электрические поля: регулярно переключаются с положительного на отрицательный. Это генерирует радиоволны, которые ускоряют заряженные частицы.

E) Цели: когда частицы достигают желаемой скорости, они сталкиваются с неподвижной целью. Иногда сталкиваются два пучка частиц.

F) Детекторы: регистрируют столкновение частиц и выявляют радиацию или субатомные частицы, генерируемые в процессе.

Самые большие ускорители частиц в мире

В настоящее время в мире действуют более 30 000 ускорителей частиц. Из них 44% используются для лучевой терапии, 41% для ионной имплантации, 9% для промышленной обработки и 4% для низкоэнергетических и биомедицинских исследований. Только 1% существующих ускорителей способны генерировать энергии свыше одного миллиарда электрон-вольт или 1 ГэВ.

В настоящее время Большой адронный коллайдер является самым мощным ускорителем частиц в мире. Он способен ускорять два пучка протонов до энергии 6,5 тера электрон-вольт. Когда эти два мощных пучка сталкиваются, они создают энергию центра масс 13 тераэлектронвольт (ТэВ).

Карта Большого адронного коллайдера| ЦЕРН

Машина лежит в туннеле глубиной 175 метров. Это 27 километров в окружности, и его кольцо магнитов может создавать магнитное поле 8.36 Тесла.

Структура содержит более 1000 дипольных магнитов, которые удерживают частицы, движущиеся почти со скоростью света: одна частица движется по 27-километровому кольцу 11 000 раз в секунду.

Он был разработан Европейской организацией ядерных исследований в сотрудничестве с более чем 10 000 исследователей и сотнями лабораторий и университетов из более чем 100 стран.

Частица бозона Хиггса, которую иногда называют «частицей Бога», была обнаружена в Большом Адронном Коллайдере в 2012 году. В том же году физики сформировали кварк-глюонную плазму, которая могла достигать 5,5 триллиона градусов по Цельсию — самой высокой температуры, зарегистрированной рукотворной машиной.

Бозон Хиггса впервые наблюдался во время экспериментов на Большом адронном коллайдере | Изображение предоставлено: Designua / Shutterstock

В ближайшие годы эта гигантская машина позволит физикам проверить различные теории физики элементарных частиц, включая анализ свойств бозонов Хиггса, поиск новых элементарных частиц, предлагаемых суперсимметричными теориями, а также других загадок во вселенной.

Применение

От промышленности до энергоснабжения, от здравоохранения до безопасности — помимо научных исследований, существует несколько областей, в которых технологии, связанная с ускорением частиц, положительно влияет на жизнь людей.

Применение в медицине. Ежегодно миллионы пациентов получают диагностику и лечение на основе ускорителей в клиниках и больницах по всему миру. Ускоренные частицы (такие, как протоны, электроны или более тяжелые заряженные частицы) используются для уничтожения раковых клеток и создания детального изображения изнутри тела.

Потребительские товары: ускорители частиц в настоящее время используются в различных промышленных процессах, начиная от сшивания пластмассы для термоусадочной пленки и заканчивая производством компьютерных чипов.

В частности, ускорители ионных пучков используются для изготовления электронных микросхем и упрочнения поверхностей материалов, подобных тем, которые используются в искусственных соединениях. Ускорители с электронным пучком, с другой стороны, обычно используются для изменения свойств материала, таких как пластические модификации для обработки поверхности.

Национальная безопасность: ускорители играют важную роль в управлении запасами, проверке грузов и характеристике материалов. Они в основном используются для сканирования контейнеров и предметов и помогают идентифицировать оружие и другие опасные материалы.

Что еще они могут сделать?

Анализ столкновений частиц высоких энергий может быть полезным для фундаментальных и прикладных исследований в науке. Это может помочь физикам решить некоторые фундаментальные проблемы в физике, включая глубокую структуру пространства-времени и взаимосвязь между общей теорией относительности и квантовой механикой.

Столкновение двух протонов создает поток частиц мусора | CERN

Вот четыре основных вопроса, на которые ученые надеются ответить в течение следующих нескольких десятилетий:

  1. Существуют ли дополнительные измерения, предсказанные моделями теории струн?
  2. Какова природа темной материи?
  3. Как выглядела ранняя вселенная?
  4. Почему мы видим асимметрию между веществом и антивеществом во вселенной?

По словам Стивена Хокинга, технология, основанная на ускорителе частиц, является самой близкой вещью к машинам времени. В 2010 году он написал статью, объясняющую, как можно путешествовать во времени.

Три шага до аналитического инструмента. Перспективные генераторы излучения Вавилова—Черенкова для ускорителей частиц

Разработанный метод расчета характеристик излучения можно легко преобразовать в программный код с небольшими требованиями к вычислительным ресурсам. Это поможет другим ученым при расчете полностью трехмерных моделей, важных для прикладной физики, когда численное моделирование с помощью стандартных пакетов сильно затруднено.

Излучение Вавилова—Черенкова — электромагнитное, генерируемое равномерно движущимися заряженными частицами в диэлектрических и магнитных средах. Его открыл в 1934 году Павел Черенков, в то время аспирант академика Сергея Вавилова. В последующие годы этот эффект активно исследовался в основном для разработки детекторов быстрых частиц. Сегодня, например, такие детекторы находятся на километровой глубине в озере Байкал и регистрируют нейтрино — частицы, прилетающие к нам из космоса и скрывающие ответы на главные вопросы об устройстве Вселенной.

В последние годы возник новый виток интереса к этому, казалось бы, давно и хорошо изученному явлению. Излучение Вавилова—Черенкова предлагают использовать как в мощных источниках терагерцевого излучения, так и для диагностики пучков заряженных частиц в ускорителях. Соответствующие эксперименты в последние годы ставились на кольцевом электронно-позитронном ускорителе Корнеллского университета и микротроне Томского политехнического университета, а также на линейных ускорителях в ЦЕРНе, Дарсбери, Стэнфордском университете, университетах Цинхуа и Киото.

Для генерации излучения Вавилова—Черенкова нужен радиатор (так называемая мишень) из диэлектрического материала. Поскольку у любой реалистичной мишени сложная геометрия с несколькими резкими границами, построить строгое решение соответствующей электродинамической задачи не представляется возможным. Поэтому на первый план выходит задача построения аналитического метода, использующего для приближенного решения тот или иной малый параметр задачи. Над развитием такого метода исследовательская группа под руководством Андрея Тюхтина, доктора физико-математических наук, заведующего кафедрой радиофизики физического факультета СПбГУ, начала работать около восьми лет назад.

«Теоретические подходы, заложенные в наш метод, сами по себе не новы. Образно выражаясь, в виде разрозненной мозаики они обсуждались и использовались ранее в различных работах. Наша идея, которая в итоге оказалась весьма плодотворной, состояла в объединении этих подходов в единый аналитический инструмент, позволяющий корректно учесть большую часть характерных особенностей типичных диэлектрических мишеней, перспективных на данный момент. Отмечу, что наш метод был успешно апробирован в ряде численных экспериментов, то есть численных расчетов с помощью современных пакетов электродинамического моделирования, таких как Comsol Multiphysics»,— отмечает Андрей Тюхтин.

Основные шаги обсуждаемого комбинированного подхода состоят в следующем. На первом шаге учитывается взаимодействие пучка заряженных частиц с границами мишени, ближайшими к его траектории.

Читайте также  Щетки генератора golf 4 замена

Это делается при решении так называемой эталонной задачи. Например, в случае, когда диэлектрическая мишень имеет технологический канал цилиндрической формы для пролета пучка, в качестве эталонной выступает задача определения электромагнитного поля в безграничном диэлектрике с таким каналом.

Как правило, у эталонной задачи есть строгое аналитическое решение, что позволяет рассматривать каналы любого радиуса. На втором шаге учитывается, что типичные размеры мишени существенно превышают длину волны, поэтому для описания взаимодействия волны излучения Вавилова—Черенкова с внешней границей мишени могут использоваться законы геометрической оптики.

Третий шаг связан с расчетом распространения излучения, вышедшего из диэлектрического объекта, в свободном пространстве, для чего в зависимости от ситуации целесообразно либо продолжить использование геометрической оптики, либо перейти к более общему подходу на основе интегралов Стрэттона—Чу по «засвеченной» части внешней границы. Формулы Стрэттона—Чу — выражение электродинамической теоремы о том, что поле в любой точке некоторой области пространства может быть вычислено с помощью интегралов по произвольной поверхности, которая охватывает эту область и на которой известны касательные компоненты электромагнитного поля.

«В наших последних работах с помощью описанного выше метода проанализировано излучение Вавилова—Черенкова при пролете заряда сквозь тонкий канал в конической диэлектрической мишени в направлении от носика к основанию. В первом случае выходная поверхность является плоской. Теория предсказывает, что при определенных параметрах черенковские волны выходят из мишени параллельно оси структуры и согласованно, то есть когерентно складываются в волновой зоне — так возникает эффект “черенковского прожектора” — явление резкого увеличения интенсивности при малых углах наблюдения. Во втором случае выходная поверхность имеет форму гиперболической линзы, что позволяет сфокусировать черенковские волны в малой окрестности заданной точки, расположенной на оси структуры на конечном расстоянии от нее. Мы назвали такую мишень “концентратором излучения Вавилова—Черенкова”. Существенными преимуществами обеих рассмотренных мишеней является возможность концентрации излучения от релятивистских частиц и высокая стабильность системы по отношению к смещению траектории с оси канала»,— отмечает Сергей Галямин, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры радиофизики физического факультета СПбГУ.

Разработанный метод — эффективный инструмент для расчета характеристик излучения Вавилова—Черенкова от открытых диэлектрических мишеней сложной формы, перспективных с точки зрения современных приложений. Аналитические результаты этого метода могут быть легко преобразованы в программный код с небольшими требованиями к вычислительным ресурсам. Зачем это нужно?

Часто у задачи осевая симметрия, то есть определенное сечение, прокрученное на 360°, нарисует всю трехмерную модель. Тогда достаточно решить задачу только в этом сечении, что существенно упрощает дело: трехмерная задача, по сути, становится двумерной. Это очень существенно при численном моделировании. Область моделирования разбивается на мелкие ячейки, и чем больше ячеек, тем больше нужно памяти и тем дольше идут расчеты. Если никакой симметрии нет, то размер модели в памяти компьютера возрастает сразу на несколько порядков. Например, если плоская модель имела 1000х1000 ячеек, то трехмерная модель будет иметь в 1000 раз больше ячеек. И если плоская модель (даже с запасом) влезает в память вашего компьютера, то аналогичная трехмерная не влезает никак, принципиально и увеличение памяти в несколько раз здесь не поможет. А программный код на основе разработанного исследователями метода справится и с расчетом полностью трехмерных моделей, когда численное моделирование с помощью стандартных пакетов сильно затруднено.

Глава III. Физикам нужны частицы больших энергий

§ 5. Линейные резонансные ускорители

Опыт создания высоковольтных ускорителей показал, что получение потоков быстрых частиц с энергией, большей нескольких миллионов электрон-вольт, является весьма трудной задачей. Размеры ускорительных установок росли, достигая многих метров, а напряжение на них почти не удавалось повысить.

Именно поэтому в 30-х годах все усиленней начинают разрабатываться новые методы ускорения, не требующие создания очень

высоких напряжений. Идея этих методов заключается в следующем. Чтобы в высоковольтном ускорителе получить протоны с энергией 10 Мэв, их необходимо ускорять в электрическом поле с разностью потенциалов 10 миллионов вольт. Но той же энергии в 10 Мэв протоны могут достичь, пройдя последовательно двести раз электрическое поле с разностью потенциалов 50 000 вольт. Создание такого поля — сравнительно простая техническая задача. Необходимо, однако, решить другую важную задачу — добиться успешного прохождения частицами ряда ускоряющих промежутков. Как это осуществить?

Попробуем в уже знакомой нам ионной трубке соединить между собой промежуточные электроды изображенным на рис. 20 способом. Тогда образуются две группы электродов — одна, соединенная с положительным полюсом источника напряжения (1, 3) а другая — с отрицательным (2, 4). Посмотрим, будет ли в подобной системе происходить многократное ускорение частиц.


Рис. 20. Попытка осуществления многократного ускорения частиц небольшим по величине электрическим полем

Вылетающие из ионного источника положительно заряженные частицы в первой щели действительно увеличат скорость, попав в ускоряющее поле. Находясь в полости второго электрода, протоны будут двигаться по инерции, не подвергаясь действию со стороны поля. Но, подлетая ко второй щели, протоны попадут в тормозящее электрическое поле, в котором потеряют энергию, приобретенную ранее. Следовательно, в таком простом виде схема ускорителя не годится.

Для последовательного многократного ускорения необходимо, чтобы частицы в каждой щели встречали «попутное» ускоряющее поле. Нельзя ли во время прохождения частицей полости промежуточных электродов переключать концы у источника напряжения, меняя таким образом направление электрического поля в щели с тормозящего на ускоряющее. Попробуем сосчитать, с какой частотой нужно производить подобные переключения. Скорость протона с энергией 50 кэв, то есть уже после первого прохождения щели, составит 3500 км /сек. Трубку длиной в 10 см он пройдет за десятимиллионные доли секунды. Естественно, никакой механический переключатель не может успеть сработать за такой короткий срок.

Учеными был найден выход из создавшегося затруднения. Они решили использовать для ускорения частиц не генераторы постоянного тока с переключателями, а высокочастотные генераторы переменного тока, подобные тем, которые применяются на радиостанциях. В этих генераторах направление тока, а следовательно и полярность напряжения, меняется миллионы и десятки миллионов раз в секунду.

Посмотрим, как будет работать ускоритель, питающийся от высокочастотного генератора (рис. 21). Пусть все нечетные промежуточные электроды будут соединены с заземленным выводом, а все четные электроды — с высоковольтным выводом генератора. Часть вылетающих из ионного источника протонов подлетит к первой щели в момент, когда потенциал на соседнем электроде будет -V, то есть поле будет ускоряющим. По мере пролета этих частиц внутри электрода 2 напряжение на нем будет увеличиваться, станет равным нулю и к моменту вылета протонов из полости электрода 2 станет равным +V. Так как следующий, третий, электрод заземлен, то электрическое поле будет снова иметь нужное направление и протоны вновь ускорятся. Для успешного ускорения необходимо, чтобы разгоняемые частицы всегда при подходе к щели попадали в ускоряющее поле. Это значит, что время пролета частиц между двумя соседними щелями не должно изменяться. Но скорость частиц постепенно нарастает. Следовательно, промежуточные электроды необходимо делать переменной, увеличивающейся длины. В этом случае время прохождения трубки, равное отношению длины трубки к скорости частицы, будет оставаться неизменным и равным полупериоду генератора высокой частоты.


Рис. 21. Принцип действия резонансного ускорителя

Описанный метод ускорения был назван резонансным. Резонансом называется явление сильного возрастания амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающей силы к частоте собственных колебаний тела. Явления резонанса находят себе самое разнообразное применение в различных областях науки и техники. В качестве примера укажем радиотехнику, где на каждом шагу используются свойства резонанса в электрических цепях. При ускорении резонансным методом частота, с которой частицы пересекают ускоряющие промежутки, должна быть равна частоте (в рассмотренном случае — удвоенной частоте) генератора, создающего ускоряющее электрическое поле.

Описанный нами резонансный ускоритель был назван линейным. В нем частицы движутся приблизительно по прямолинейным траекториям. Приращение энергии частиц в таком ускорителе происходит скачкообразно. Величина каждого скачка зависит не только от величины максимального напряжения генератора высокой частоты, но и от того, в какой момент или, как говорят, в какой фазе пересекает частица ускоряющую щель. Если прохождение щели происходит в тот момент, когда напряжение наибольшее, то фазу θ считают равной нулю. Если напряжение успевает несколько понизиться, то фаза θ1 считается положительной (рис. 22, правая часть), и наоборот, когда в момент прохождения щели напряжение еще не достигло максимального значения, фаза θ2 — отрицательна.

Читайте также  Что такое трекинг генератором


Рис. 22. Различные фазы прохождения частицей ускоряющей щели

При сохранении точного резонанса фаза частицы остается во время ускорения постоянной, и частица каждый раз будет приобретать одинаковую энергию. Скорость частицы будет быстро расти. Именно это обстоятельство затрудняло применение линейных ускорителей. Генераторы достаточно коротких волн в 30-х годах отсутствовали и приходилось применять чрезвычайно длинные трубки. По этой причине линейные ускорители использовались для ускорения тяжелых, обладающих меньшей скоростью ионов.

Значительно большее распространение получил другой резонансный ускоритель — циклотрон.

Может ли ускоритель частиц уничтожить Землю?

Для дальнейшего изучения физики элементарных частиц науке требуются всё более мощные и крупные ускорители частиц, однако каждый раз, когда озвучиваются планы строительства очередного суперколлайдера, со всех сторон начинают слышаться крики, смысл которых можно резюмировать одной панической фразой — «Он нас уничтожит!». И ладно бы только нас, но и всю Вселенную!

В этом вопросе вы наверняка занимаете одну из двух сторон.

Либо думаете, как большинство просвещённых людей, что столкновение двух фотонов на околосветовой скорости может привести лишь к появлению на свет нескольких прелестных фотоизображений и пропаже пары-другой протонов.

Либо считаете, что фотографии сделать не удастся, так как все фотографы на Земле мгновенно превратятся в пыль.

Но квантовый мир, как многие знают, это очень странное место, где простая логика работает далеко не всегда, поэтому давайте отбросим в сторону все догадки, отключим ненужную здесь интуицию, и попытаемся проанализировать, каким именно образом нас может уничтожить тот же БАК (Большой адронный коллайдер).

Страпельки

Одной из самых необычных гипотез в рамках интересующего нас вопроса является существование так называемых «страпелек» (от англ. strangelet — strange (странный) + droplet (капля)).

Это гипотетические формы материи, состоящие из верхних, нижних и странных кварков.

Благодаря своей структуре, они гораздо более устойчивы, чем обычные атомные ядра. При некоторых условиях страпельки гипотетически могут «переформатировать» обычную материю, превращая её в подобную себе.

Происходить это будет в результате неконтролируемой цепной реакции, которая сожмёт Землю в 100-метрового диаметра «странность». Это что-то вроде субатомной версии льда-девять. Если вы не знаете, что такое «лёд-девять», прочитайте «Колыбель для кошки». Классиков надо не только знать, но и читать. А это Воннегут, достояние не только Америки, но и всего человечества.

Страпельки были на слуху, когда в США запускался релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC). Он, однако, работает с 2000 года, и пока ничего страшного с нами не произошло. Естественно, это очень приятно.

Чёрная дыра

Всякий человек, представляющий себе, что такое чёрная дыра, очень боится оказаться с ней рядом. Ускорителям же частиц приписывается способность создавать их. Дальше работает человеческое воображение, рисующее, как в чреве такой дыры исчезает столь дорогая нам Земля. И, знаете, доля правды во всём этом есть. Но вы просто не представляете, насколько преувеличены те опасения, что с ней связаны.

Физики допускают теоретическую возможность образования микроскопических чёрных дыр, но это совсем не тот объект, которого должно бояться. Прежде всего, нужно вспомнить, что сила притяжения чёрной дыры напрямую зависит от её массы.

Черная дыра и Луна

Если бы Земля вдруг сжалась до девяти миллиметров в диаметре, превратившись в чёрную дыру, Луна продолжала бы как ни в чём ни бывало обращаться вокруг неё — её орбита не изменилась бы. Что у такой Земли, что, допустим, у мармеладной, сила притяжения одинакова — если масса остаётся неизменной. Поэтому микроскопическая чёрная дыра практически не способна к всасыванию чего бы то ни было — чтобы набрать массу в один килограмм, ей потребуется три триллиона лет.

Но у неё нет этого времени. Стивен Хокинг предположил, что чёрные дыры «испаряются», испуская «излучение Хокинга». И даже в самом лучшем случае микроскопический объект этого типа просуществует всего 10 -23 секунды. Так что даже если в результате работы ускорителя элементарных частиц чёрная дыра всё-таки возникнет, никакой опасности представлять она не будет.

Теория распада вакуума

И, наконец, третий страх, связанный с коллайдерами — они могут уничтожить не только Землю, но и всё сущее. Эта так называемая «теория распада вакуума«, которая постулирует, что вакуум во Вселенной находится в метастабильном состоянии. Читайте также о том, где находится самая дальняя точка Вселенной.

Это значит, что он кажется стабильным, но что-то может вывести его из равновесия, в результате чего он перейдёт в более устойчивое энергетическое состояние — истинный вакуум.

В этом случае возникнет сфера нового вакуума, которая будет расширяться со скоростью света, стирая на своём пути всё, что встречается. В самом буквальном смысле. Некоторые теоретики предполагают, что ускорители частиц могут стать тем самым инструментом, который сдвинет с мёртвой точки наш привычный и безопасный «ложный вакуум» — может быть, даже при участии микроскопических чёрных дыр. Но, как и в двух предыдущих случаях, волноваться здесь, по большому счёту, не о чем.

Самым убедительным доказательством того, что апокалиптические сценарии, связанные с коллайдерами, ничего не стоят, является окружающий нас мир.

Сталкивающиеся элементарные частицы выглядят весьма впечатляюще под микроскопом. Они могут кого-то напугать, если паникёры, имеющие доступ к СМИ, будут во всеуслышание опасаться за дальнейшее существование человечества.

Однако во Вселенной подобные столкновения случаются сплошь и рядом, причём в гигантском количестве.

У нас над головой, прямо в атмосфере, происходят миллионы подобных «аварий», причём энергии в них гораздо больше, чем под силу достичь даже самому крупному коллайдеру. Космические лучи уже миллиарды лет непрерывно обстреливают Луну, а она до сих пор на месте. Всё так же прекрасна, как и раньше.

Если бы страпельки, микроскопические чёрные дыры или распад вакуума способны были угробить нас, они бы давно это сделали. Уничтожить Вселенную, сталкивая пару протонов здесь, на Земле, настолько же вероятно, как взорвать все электростанции мира, включив в своём туалете свет. Так что никаких причин ограничивать дальнейшее наращивание мощности коллайдеров не существует. Они как раз могут помочь нам лучше понять физику частиц. Увидеть, что вакуум стабилен, и никаких страпелек не существует в природе. Впрочем, этот никак не помешает человечеству паниковать и дальше, уже по другому поводу. Он всегда найдётся.

Ускоритель элементарных частиц

Ускори́тель заря́женных части́ц — класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий. Самые крупные ускорители являются дорогостоящими комплексами требующими международного сотрудничества. К примеру, Большой адронный коллайдер в ЦЕРН представляющий собой кольцо длиной почти 27 километров является результатом работы десятков тысяч учёных из более чем ста стран.

Работа ускорителя основана на взаимодействии заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, только отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

Конструктивно ускорители можно принципиально разделить на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), проходя ускоряющие промежутки по многу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители.

Содержание

  • 1 Конструкции ускорителей
    • 1.1 Линейные ускорители
      • 1.1.1 Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)
      • 1.1.2 Линейный индукционный ускоритель
      • 1.1.3 Линейный резонансный ускоритель
    • 1.2 Циклические ускорители
      • 1.2.1 Бетатрон
      • 1.2.2 Циклотрон
      • 1.2.3 Микротрон
      • 1.2.4 FFAG
      • 1.2.5 Фазотрон (синхроциклотрон)
      • 1.2.6 Синхрофазотрон
      • 1.2.7 Синхротрон
      • 1.2.8 Ускоритель-рекуператор
  • 2 Ускорители по назначению
    • 2.1 Лазер на свободных электронах
    • 2.2 Коллайдер
  • 3 Применение
  • 4 См. также
  • 5 Литература
  • 6 Ссылки

Конструкции ускорителей

Линейные ускорители

Высоковольтный ускоритель (ускоритель прямого действия)

Идеологически наиболее простой линейный ускоритель. Частицы ускоряются постоянным электрическим полем и движутся прямолинейно по вакуумной камере, вдоль которой расположены ускоряющие электроды. Ускорение заряженных частиц происходит электрическим полем, неизменным или слабо меняющимся в течение всего времени ускорения частиц. Важное преимущество высоковольтного ускорителя по сравнению с другими типами ускорителей — возможность получения малого разброса по энергии частиц, ускоряемых в постоянном во времени и однородном электрическом поле. Данный тип ускорителей характеризуется высоким КПД (до 95 %) и возможностью создания сравнительно простых установок большой мощности (500 кВт и выше), что весьма важно при использовании ускорителей в промышленных целях.

Высоковольтные ускорители можно разделить на четыре группы по типу генераторов, создающих высокое напряжение:

    Ускоритель Ван де Граафа. Ускоряющее напряжение создаётся генератором Ван де Граафа, основанном на механическом переносе зарядов диэлектрической лентой. В современных модификациях (пеллетронах) лента заменена цепью. Максимальные электрические напряжения

Читайте также  Форд эскорт ремонт генератора

20 МВ определяют максимальную энергию частиц

20 МэВ.
Каскадный ускоритель. Ускоряющее напряжение создаётся каскадным генератором (например, генератором Кокрофта-Уолтона, который создаёт постоянное ускоряющее высокое напряжение

5 МВ, преобразуя низкое переменное напряжение по схеме диодного умножителя.)

  • Трансформаторный ускоритель. Высокое переменное напряжение создаёт высоковольтный трансформатор, а пучок проходит в нужной фазе вблизи максимума электрического поля.
  • Импульсный ускоритель. Высокое напряжение создаётся импульсным трансформатором при разряде большого количества конденсаторов.
  • Линейный индукционный ускоритель

    Ускорение в таком типе машин происходит вихревым электрическим полем, которое создают ферромагнитные кольца с обмотками, установленные вдоль оси пучка.

    Линейный резонансный ускоритель

    Также часто называется ли́нак (сокращение от LINear ACcelerator). Ускорение происходит электрическим полем высокочастотных резонаторов. Линейные ускорители чаще всего используются для первичного ускорения частиц, полученных с электронной пушки или источника ионов. Однако, идея линейного коллайдера на полную энергию также не нова. Основным преимуществом линаков является возможность получения ультрамалых эмиттансов и отсутствие потерь энергии на излучение, которые растут пропорционально четвёртой степени энергии частиц.

    Циклические ускорители

    Бетатрон

    Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне

    20 кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10—100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).

    Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в 1928 году, который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан Д. В. Керстом лишь в 1940—1941 годах в США.

    Циклотрон

    В циклотроне частицы инжектируются вблизи центра магнита с однородным полем с небольшой начальной скоростью. Далее, частицы вращаются в магнитном поле по окружности внутри двух полых электродов, т. н. дуантов, к которым приложено переменное электрическое напряжение. Частица ускоряется на каждом обороте электрическим полем в щели между дуантами. Для этого необходимо, чтобы частота изменения полярности напряжения на дуантах была равна частоте обращения частицы. Иными словами, циклотрон является резонансным ускорителем. Понятно, что с увеличением энергии радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы магнита.

    Циклотрон — первый из циклических ускорителей. Впервые был разработан и построен в 1930 году Лоуренсом и Ливингстоном, за что первому была присуждена Нобелевская премия в 1939 году. До сих пор циклотроны применяются для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий, до 50 МэВ/нуклон.

    Микротрон

    Он же — ускоритель с переменной кратностью. Резонансный циклический ускоритель с постоянным как у циклотрона ведущим магнитным полем и частотой ускоряющего напряжения. Идея микротрона состоит в том, чтобы сделать приращение времени оборота частицы, получающееся за счёт ускорения на каждом обороте, кратным периоду колебаний ускоряющего напряжения.

    Ускоритель с постоянным (как в циклотроне), но неоднородным полем, и переменной частотой ускоряющего поля.

    Фазотрон (синхроциклотрон)

    Принципиальное отличие от циклотрона — изменяемая в процессе ускорения частота электрического поля. Это позволяет, за счёт автофазировки, поднять максимальную энергию ускоряемых ионов по сравнению с предельным значением для циклотрона. Энергия в фазотронах достигает 600—700 МэВ.

    Синхрофазотрон

    Циклический ускоритель с постоянной длиной равновесной орбиты. Чтобы частицы в процессе ускорения оставались на той же орбите, изменяется как ведущее магнитное поле, так и частота ускоряющего электрического поля.

    Синхротрон

    Циклический ускоритель с постоянной длиной орбиты и постоянной частотой ускоряющего электрического поля, но изменяющимся ведущим магнитным полем.

    Ускоритель-рекуператор

    По существу — это линак, но пучок после использования не сбрасывается, а направляется в ускоряющую структуру в «неправильной» фазе и замедляется, отдавая обратно энергию. Кроме того, бывают многопроходные ускорители-рекуператоры, где пучок, по принципу микротрона, совершает несколько проходов через ускоряющую структуру (возможно — по разным дорожкам), сперва набирая энергию, потом её возвращая.

    Ускорители по назначению

    Лазер на свободных электронах

    Специализированный источник когерентного рентгеновского излучения.

    Коллайдер

    Ускоритель на встречных пучках. Чисто экспериментальные установки, цель которых — изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.

    Самый крупный в мире ускоритель частиц готовится к старту

    Самый крупный в мире проект по столкновению невероятно насыщенных энергией частиц на запредельных скоростях, Большой адронный коллайдер при CERN, отремонтирован, обновлен и рвется с цепи. В этом месяце, как ожидается, БАК начнет свою работу по столкновению и расщеплению частиц даже не на атомы, а на еще более мелкие частицы. Он должен собрать много информации, которая поможет нам ответить на вопросы о темной материи, антиматерии и других неуловимых материях, которые снятся физикам много лет.

    Многие из ученых команды БАК уже с нетерпением ждут включения, потому что с момента последнего запуска коллайдера прошло более двух лет.

    Быстрее, сильнее, заново

    Доктор Андре Дэвид, один из исследователей БАК, говорит, что БАК может выпускать более мощные пучки протонов с большей силой, чем было раньше, до закрытия. Доктор Дэвид также объяснил, что чем больше энергии несет столкновение, тем больше оно производит мелких частиц, которые могут раскрыть что-то новое.

    «Конечная цель — понять, из чего состоит материя», — добавляет он.

    Но самый крупный в мире коллайдер частиц был не только отремонтирован и обновлен, это полностью новая машина — как корабль, которому заменили все доски.

    Инженеры сообщили, что модернизация и техническое обслуживание затронуло все магниты и криогенные и электрические системы. Весь процесс потребовал более двух лет и до 2 миллионов часов работы.

    Воссоздание Большого Взрыва

    БАК — это экспериментальная установка, похороненная глубоко под франко-швейцарской границей. Она расположена в 27-километровом туннеле, по которому ученые ездят на транспорте. Когда коллайдер начнет сталкивать частицы, протоны будут проходить 10-12-минутный круг менее чем за десятитысячную долю секунду, говорят инженеры БАК.

    Коллайдер должен начать сталкивать протонные пучки в середине марта и начнет новые сеансы столкновений в мае. Но до тех пор ученые и инженеры внесут последние штрихи.

    В мае ученые планируют воссоздать космические условия Вселенной, которые существовали в миллиардные доли секунды после Большого Взрыва. Согласно их теории, космос тогда был невероятно горячим, что позволяло материи распадаться на простейшие составляющие.

    БАК должен проделать тот же фокус и помочь ученым заглянуть в текстуру нашей Вселенной.

    Шаткая модель и одна частица

    В 2012 году эксперимент БАК позволил физикам обнаружить призрачную частицу под названием бозон Хиггса, которая стала важной частицей головоломки в Стандартной модели физики элементарных частиц. Годом спустя коллайдер был остановлен для обслуживания и реконструкции, и обновление потребовало больше времени, чем ожидалось.

    Хотя ученые и довольствуются открытием бозона, они не удовлетворены текущим состоянием физики элементарных частиц и своими находками. Бозон Хиггса, говорят ученые, это не конец пути, а новая дверь или «новый ключ» к сложному механизму. Кроме того, некоторые ученые жалуются, что смогли изучить только тысячу-другую частиц, в то время как частиц, объясняющих существующую Вселенную, намного больше.

    Один из ученых, участвующих в эксперименте, считает, что нынешняя Стандартная модель Вселенной, построенная на физике элементарных частиц, «очень и очень хороша», но не может объяснить Вселенную. Вот почему некоторые члены команды хотят сбросить с трона некоторые существующие теории и перестроить их с нуля, вместо того чтобы доказывать, что они верны.

    Воплощение темной материи

    Один из ключевых вопросов, которые поднимет эксперимент, это темная материя. Согласно Стандартной модели, 95% Вселенной состоит из темной материи и темной энергии, которые невозможно обнаружить оптическими инструментами вроде телескопов.

    Ученые CERN хотят раз и навсегда доказать, что темная материя существует не только в теории. Для этого команда планирует разбить частицу бозона Хиггса и заставить его распасться на протон и составляющую темной материи.

    Ожидание неожиданного

    Если ученым удастся, они разобьют текущую Стандартную модель и предоставят нам совершенно новое понимание Вселенной, которое называют «теорией всего».

    Кроме того, ученые планируют проверить другую теорию — которая связана с сосуществованием материи и антиматерии в видимой Вселенной. Материя и антиматерия, как полагают, сталкивались много раз в космосе, поэтому то, что мы сегодня воспринимаем как видимую Вселенную, является лишь результатом столкновений.

    В любом случае антиматерия — это гипотеза. Обычно в фантастических фильмах и книгах много антиматерии, но не в реальности, объясняют ученые. БАК начнет поиски антиматерии также в мае.

    Два других горячих вопроса — теории, связанные с отсутствием гравитации в Стандартной модели физики, и возможность существования множества мелких частиц во Вселенной. Ученые мечтают найти мельчайшую частицу в электроне.

    Однако через умы ученых проходят «миллионы безумных идей». Пока осталось просто дождаться запуска Большого адронного коллайдера и новых данных.

    Яков Кузнецов/ автор статьи

    Приветствую! Я являюсь руководителем данного проекта и занимаюсь его наполнением. Здесь я стараюсь собирать и публиковать максимально полный и интересный контент на темы связанные ремонтом автомобилей и подбором для них запасных частей. Уверен вы найдете для себя немало полезной информации. С уважением, Яков Кузнецов.

    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    NEVINKA-INFO.RU
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: