что такое ускоритель протонов
Что такое ускоритель частиц? Как это работает?
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.
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:
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
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.
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:
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.
Настольный ускоритель протонов
Ускорители элементарных частиц — одни из самых громоздких физических приборов. Причина этого проста: даже самые сильные ускоряющие электрические поля в современных ускорителях составляют несколько мегавольт на метр. Если мы хотим разгонять по прямой частицы до энергий хотя бы в сотни МэВ, нам потребуется ускорительный участок длиной в добрую сотню метров. По этой причине такие ускорители делают циклическими: в них пучок циркулирует по кругу, а ускорительная секция на каждом обороте слегка подталкивает его вперед.
Между тем, ускорители имеют целый ряд технологических и даже медицинских применений. Для этих задач, конечно, очень желательно сделать ускорители более компактными, более дешевыми и мобильными; в идеале их хотелось бы сделать настольными установками. Однако добиться этого, используя традиционные методы ускорения, нереально. Поэтому физики уже давно разрабатывают совершенно новую, намного более эффективную схему ускорения частиц — за счет взаимодействия короткого и сверхинтенсивного лазерного импульса с веществом. Конкретных вариантов таких лазерных или лазерно-плазменных ускорителей придумано и реализовано уже много. Один из них — ускорение протонов слоем горячих электронов (target normal sheath acceleration, TNSA), метод, предложенный всего десяток лет назад, — мы разберем в этой задаче.
Рис. 1. Ускорение протонов слоем горячих электронов. Показаны последовательные этапы этого процесса: (a) поглощение сверхмощного лазерного импульса в фольге и образования облака горячих электронов, (b) попытка электронов вылететь из фольги и возникновение заряженного слоя, (c) ускорение протонов в возникшем электрическом поле. На фотографии показана реальная установка (фото с сайта www-atom.fysik.lth.se)
Последовательные этапы этого процесса показаны на рис. 1. На тонкую фольгу микронной толщины фокусируется ультракороткий и сверхмощный лазерный импульс. Длительность его не превышает пикосекунды, размер пятна в фокусе — около 10 микрон, зато пиковая интенсивность может достигать 10 22 Вт/см 2 (см. недавнюю статью Горизонты петаваттных лазерных комплексов в журнале УФН). Поглощаясь в поверхностном слое фольги, этот лазерный импульс резко нагревает электронный газ до температур в десятки миллиардов (!) градусов (по поводу того, как долго горячий электронный газ может сосуществовать с холодными ионами, см. нашу задачу Горячие электроны).
Облако горячих электронов пролетает фольгу насквозь и вылетает с противоположной стороны. Однако как только электроны начинают покидать фольгу, в ней, в тонком приповерхностном слое, возникает большой нескомпенсированный положительный заряд, который сдерживает дальнейший вылет электронов. В результате вблизи поверхности фольги возникает сильное перпендикулярное электрическое поле. Такая ситуация «держится» несколько пикосекунд, после чего начинается разрушение материала.
Однако еще до разрушения успевает сработать микроускоритель протонов. Ионы вещества чувствуют возникшее вблизи поверхности электрическое поле и начинают в нём разгоняться. Быстрее всего ускоряются самые легкие ионы — протоны; для этого на задней стороне фольги наносится очень тонкая пленка, богатая водородом, например водная пленка. Они-то и образуют узконаправленный пучок ускоренных протонов, который возникает на выходе из установки.
Задача
Исходя из этого описания, оцените по порядку величины, какие при этом достигаются ускоряющие электрические поля, до каких энергий будут ускоряться протоны и сколько при этом будет длиться процесс ускорения. Температуру горячего электронного газа примите равной 10 МэВ (то есть примерно 100 млрд градусов).
Подсказка
Плоский двойной заряженный слой (то есть фактически плоский конденсатор) создает электрическое поле между слоями заряда, но снаружи полем можно пренебречь. Поэтому ключевой шаг в решении — оценить величину разделенного заряда и толщину этого слоя d.
Эти величины можно найти из условия равновесия горячего электронного газа. Предположим, что некоторая часть электронов уже вылетела из металла. Возникшее электрическое поле тянет их назад. Температура позволяет «подняться» этим электронам против электрических сил, по аналогии с молекулами воздуха, которые поднимаются вверх на некоторую высоту против силы тяжести. Можно записать электрический аналог распределения Больцмана и найти, насколько далеко электроны с температурой T способны удалиться от поверхности фольги.
Далее надо учесть, что в самой фольге нескомпенсированный положительный заряд тоже простирается на некоторую глубину, которая того же порядка, что и d. Можно для оценок считать, что в этом слое металла отсутствуют все свободные электроны — горячие электроны «вытолкнули» их вглубь материала. Тогда все эти уравнения удастся связать друг с другом и найти искомые величины.
Решение
Взглянем вновь рис. 2b. Конечно, концентрация электронов (а точнее, концентрация их нехватки по сравнению с ионами решетки) меняется с глубиной плавно, но для оценок будем считать, что все свободные электроны «ушли» из приповерхностной области толщиной d. Тогда в этом слое имеется положительный заряд с поверхностной плотностью
.
Здесь n — концентрация свободных электронов в металле, а |e| — модуль заряда электрона. Такая же по модулю, но противоположная по знаку зарядовая плотность находится и в слое горячего электронного газа над поверхностью (этот слой называется «виртуальным катодом»). Получается своеобразный конденсатор с напряженностью электрического поля
.
Горячие электроны могут «подняться» против этого поля на расстояние, которое получается из формулы
,
где k — постоянная Больцмана. Связав все эти уравнения друг с другом, получим
.
Полученная толщина, на самом деле, широко известна в физике и называется дебаевской длиной, ее обычно обозначают λD (полученное выражение, впрочем, справедливо только для достаточно горячего газа электронов). Она характеризует то расстояние, на котором свободные электроны экранируют электрический заряд. Величина электрического поля получается равной
.
Подставив числа (например, для железа n порядка 10 28 м –3 ), получим дебаевскую длину порядка 0,2 микрона и электрическое поле напряженностью 3·10 13 B/м. Этот ускоряющий градиент (30 ТэВ на метр!) в миллионы раз сильнее, чем то, что сейчас доступно в традиционных ускорителях. Если бы нам удалось удерживать такой градиент на длине в полметра, протоны тогда разогнались бы до энергий Большого адронного коллайдера! К сожалению, этот градиент существует только в тонком слое толщиной d, что и ограничивает максимальную энергию протонов. В рамках наших очень приближенных оценок приобретенная протонами энергия составит примерно
,
то есть после всех вычислений мы возвращаемся к величине тепловой энергии электронов (10 МэВ в данной задаче). Протоны с кинетической энергией 10 МэВ движутся со скоростью примерно 1/7 скорости света. Ускорение на дистанции d от нуля до этой скорости займет примерно 10 фемтосекунд (то есть 0,01 пикосекунды).
Послесловие
Полученные оценки являются самой первой, даже, скорее, нулевой степенью приближения в этой задаче. Уже чуть более серьезные расчеты в рамках той же самой модели показывают, что облако горячих электронов простирается существенно дальше, чем на одну дебаевскую длину, см. рис. 2. Электрическое поле, конечно, ослабевает при удалении от поверхности, но довольно медленно. Поэтому ускорение получится более эффективным, и максимальная энергия будет в несколько раз превышать тепловую энергию горячего электронного газа.
Рис. 2. Более аккуратное решение задачи о плоском виртуальном катоде показывает, что электронное облако простирается далеко за пределы одной дебаевской длины. Красным и зеленым показаны плотность ионов и электронов, синим — напряженность электрического поля. Изображение из статьи: Marius Schollmeier. Proton energy scaling laws — Generation of above-100-MeV proton beams with Z-Petawatt? (PDF, 4,6 Мб)
В приведенных выше расчетах для простоты предполагалось, что из приповерхностного слоя фольги электроны проводимости ушли полностью. Это, скорее, верхний предел на возникшую плотность заряда, а значит, и на эффективность ускорения. Реалистичные расчеты (особенно с учетом того, что и ионы не остаются неподвижными) показывают, что эта плотность заряда будет заметно меньше. В результате этого толщина двойного заряженного слоя возрастает, поле — ослабевает, а время ускорения, соответственно, удлиняется. Тем не менее ускоряющее поле остается очень большим, порядка 1 теравольт на метр, а процесс ускорения длится порядка 1 пикосекунды. Максимальная достигнутая сейчас энергия протонов находится в районе 50 МэВ.
Цель физиков на этом пути — достичь энергий порядка 200 МэВ и при этом обеспечить узкое угловое и энергетическое распределение протонов. Тогда эти лазерные ускорители протонов станут революционным медицинским инструментом в терапии онкозаболеваний. Протонная терапия, конечно, существует уже давно, но благодаря новым ускорителям она станет на порядки компактнее, дешевле, а значит, и доступнее.
Как работает ускоритель
Предварительный ускоритель
Первым делом частицы надо создать и затем разогнать до небольшой энергии. Всё это делается в маленьком предварительном ускорителе. Электроны и протоны добывают из обычного вещества, например, с помощью электрического поля или ионизации. Частицы «утягиваются» электрическим полем, ускоряются под его действием, а затем попадают в небольшой синхротрон, который называется «накопитель». В нём частицы накапливаются, и когда их станет достаточно много, они «впрыскиваются» в основной ускоритель. Там с ними начинаются эксперименты, а в предварительном ускорителе частицы вновь накапливаются с нуля. Каждый такой цикл занимает несколько часов.
Если же надо проводить эксперименты с частицами, которых отсутствуют в обычном веществе (например, антипротоны), то схема усложняется. Вначале, как и раньше, получают протоны, затем пучок протонов направляется на специальную мишень (конвертор). При столкновении протонов с ядрами мишени рождается мешанина частиц, среди которых есть и антипротоны. С помощью магнитных полей эти антипротоны выделяют и затем направляют в накопитель.
Система «руления» пучком. Поворотные магниты
Когда физики говорят про движение частиц внутри ускорителя, то они называют их коллективно: пучок частиц. Этот пучок не размазан по всей длине трубы, а собран в отдельные сгустки частиц. Обычно сгусток представляет собой длинную (несколько сантиметров или десятков сантиметров) и тонкую (десятки микрон) «иголочку», состоящую из летящих рядом частиц.
По первому закону Ньютона, частицы в свободном состоянии стремятся двигаться по прямой. Поэтому для того, чтобы удерживать их внутри кольцевого ускорителя, их траекторию приходится заворачивать с помощью магнитного поля. Для этого вдоль ускорительного кольца на некотором расстоянии друг от друга устанавливают специальные поворотные магниты. В результате траектория пучка становится похожей на скругленный многоугольник: в его вершинах пучок поворачивается на небольшой угол, а затем летит до следующего магнита по прямой. Именно на прямых участках установлена вся остальная аппаратура.
Чем больше энергия частиц, тем труднее завернуть их в дугу нужного радиуса и тем более сильные поворотные магниты приходится использовать. На коллайдере LHC используются поворотные магниты с индукцией 8 Тесла (примерно в 100 тысяч раз сильнее магнитного поля Земли). Такое сильное поле удается получать лишь в сверхпроводящих электромагнитах и только при очень низкой температуре. В результате всю установку (а это кольцо периметром в 27 км!) приходится охлаждать до очень низких температур (ниже 2 К). Это лишний раз подчеркивает, что ускорительное кольцо — это не просто «труба с магнитным полем», а сложнейшая техническая конструкция.
Магнитное поле в поворотных магнитах не однородное; оно чуть слабее во внутренней части и чуть сильнее во внешней части дуги. Это сделано для того, чтобы вернуть обратно пучок, слегка сбившийся с оптимальной орбиты.
Система контроля и «аварийный выход» для пучка
Несмотря на то, что пучок частиц содержит не так много частиц (суммарная масса всех частиц в пучке обычно составляет нанограммы и меньше!), в нём может быть запасена огромная кинетическая энергия. Например, протонный пучок на LHC обладает энергией, сопоставимой с кинетической энергией летящего реактивного самолета. Если будет потерян контроль над пучком, то он, вырвавшись на свободу, прожжет стенку вакуумной трубы, аппаратуру ускорителя и даже многометровые бетонные стены. Поэтому система слежения за положением пучка абсолютно необходима для безопасной работы ускорителя.
Система слежения в режиме реального времени контролирует, где именно внутри вакуумной трубы проходит в данный момент траектория пучка. Если она немного отклоняется от оси трубы, магнитные поля стараются выровнять его положение. Если же отклонение становится критическим, то происходит «сброс пучка» — специальный очень быстрый магнит резко включается и выводит пучок из кольца ускорителя по специальному «аварийному выходу» вдаль, где огромная бетонная мишень принимает на себя всю его энергию. Обычно достаточно сделать по одному аварийному выходу на каждый из двух встречных пучков: нестабильность пучка развивается не столь быстро, и пучок за это время успеет долететь до своего выхода.
Регулярный сброс пучка происходит также и в штатном режиме. Летая в ускорителе, пучок постепенно теряет частицы — некоторые выбывают при столкновениях в детекторе, некоторые просто рассеиваются на остаточных молекулах газа в вакуумной камере. Каждые несколько часов, когда пучок ослабевает в несколько раз, его «сбрасывают» на ту же стоящую поодаль мишень, а в ускоритель впрыскивается новая порция частиц.
Ускорительная секция
Когда частицы только-только «впрыснуты» из предварительного ускорителя в основной, они обладают еще слишком малой энергией, и их нужно ускорять. Это осуществляется в специальной ускорительной секции — клистроне. Клистрон — это специальная вакуумная камера причудливой формы, отдаленно напоминающий пустую микроволновку. В этой камере возбуждается мощная стоячая электромагнитная волна, частота и фаза которой тщательно согласованы с пролетающими сгустками: когда очередной сгусток влетает в ускорительную секцию, сильное электрическое поле его подталкивает вперед.
Магнитные линзы
Частицы, летящие в пучке друг рядом с другом, имеют одинаковые электрические заряды и поэтому отталкиваются. В результате пучок стремится расплыться в поперечном направлении. Для предотвращения этого расхождения пучок приходится постоянно фокусировать. Этим занимаются специальные квадрупольные магниты, расставленные вдоль ускорительного кольца, — «магнитные линзы».
Самая важная пара магнитных линз установлена непосредственно перед входом встречных пучков в детектор — эти линзы называют «финальные квадруполи». Именно там частицы из встречных пучков должны будут столкнуться, чтобы породить новые тяжелые частицы. Вероятность столкновения тем выше, чем «туже» сфокусированы пучки в месте встречи: если диаметр «пятна фокусировки» в каждом пучке уменьшить в два раза, то частота столкновений возрастет в 16 раз.