Zarracha tezlatkichi
Заррачалар тезлаткичи — электромагнит майдонлардан фойдаланган ҳолда зарядланган зарраларни юқори тезликка тезлаштирадиган ва уларни тўпламда ушлаб турадиган қурилмаларнинг умумий номи. Катта тезлаткичлар заррачалар физикасида коллайдерлар сифатида танилган(масалан, CЕРНдаги ЛҲC, Броокҳавен миллий лабораториясида РҲИC ва Фермилабдаги Теватрон). Бошқа турдаги заррача тезлаткичлари саратон касалликларида заррача терапияси, конденсацияланган моддалар физикаси тадқиқотларида синхротрон ёруғлик манбалари каби турли хил иловаларда қўлланади. Ҳозирда бутун дунёда 30 000 дан ортиқ тезлаткичлар ишламоқда.
Тезлаткичларнинг иккита асосий тури мавжуд. Электростатик тезлаткичлар ва вақт ўзгарувчан майдон тезлаткичлари. Электростатик тезлаткичлар заррачаларни тезлаштириш учун статик электр майдонлардан фойдаланади. Ушбу турдаги кичик мисол — оддий телевизор қабул қилгичдаги катод нурлари трубкаси. Мисолларни Cоcкcрофт-Wалт генератори ва Ван де Граафф генератори билан ҳам кўпайтириш мумкин. Ушбу тезлаткичларда зарралар томонидан олинган кинетик энергия электр қулаши билан чегараланади. Бошқа томондан, вақт ўзгарувчан майдон тезлаткичлари заррачаларни тезлаштириш ва бу қулаш муаммосини енгиш учун радиочастота электромагнит майдонларидан фойдаланади. Биринчи марта 1920 йилда ишлаб чиқилган ушбу тур бугунги тезлаткичлар концепцияси ва кенг коламли қурилмаларнинг асосини ташкил қилади.
Биринчи функсионал чизиқли заррачалар тезлаткичини, бетатрон ва сиклотронни тақдим этган ва ишлаб чиққан Ролф Wидерøэ, Густав Исинг, Лео Сзилард, Доналд Керст ва Эрнест Лаwренcе бу соҳанинг кашшофлари ҳисобланади.
20-асрда тезлаткичлар одатда атом коллайдерлари деб аталар эди, чунки коллайдерлар атом ости дунёсининг тузилиши ҳақида маълумот берган. Гарчи кўпчилик тезлаткичлар, ион қурилмаларидан ташқари, аслида субатомик зарраларни ҳаракатга келтирган бўлса-да, бу атама умуман заррача тезлаткичлари ҳақида гап кетганда ақлга келадиган номдир.
Фойдаланиш соҳалари
Юқори энергияли заррачалар нурлари фандаги фундаментал ва амалий тадқиқотларда ҳам, фундаментал тадқиқотлар билан боғлиқ бўлмаган кўплаб техник ва саноат соҳаларида ҳам фойда келтиради. Ҳисоб-китобларга кўра, дунё бўйлаб 26 000 га яқин тезлаткичлар мавжуд бўлиб, улардан 44 фоизи радиотерапияда, 41 фоизи ион имплантациясида, 9 фоизи саноат жараёнлари ва тадқиқотларда, 4 фоизи биомедикал ва бошқа кам энергияли тадқиқотларда қўлланади % Улардан баъзилари 1 миллиард электронволт (ГеВ) дан ортиқ тадқиқот машиналаридир. Юқоридаги штрихли диаграммада қўлланиши бўйича саноат тезлаткичлари сонининг камайиши кўрсатилган. Юқоридаги рақамлар турли манбалардан олинган 2012 йилги статистик маълумотларга асосланади, жумладан, тақдимот ёки бозор тадқиқотлари, нашр этилган ишлаб чиқариш ва сотиш маълумотлари, шунингдек, кўплаб ишлаб чиқарувчиларнинг маълумотлари.
Юқори энергия физикаси
Энг юқори заррачалар энергиясига эга бўлган энг катта тезлаткичлар — Броокҳавен миллий лабораториясидаги релативистик оғир ион коллайдери (РҲИC) ва 2009 йил ноябр ўрталарида ишга тушган CЕРНдаги Катта адрон коллайдери (ЛҲC). Ушбу тезлаткичлар экспериментал заррачалар физикаси учун ишлатилади.
Динамика, материянинг тузилиши, фазо ва вақт каби энг фундаментал тадқиқотларда физиклар энг юқори энергияларда топилган ўзаро таъсир турларини излайдилар. Ушбу тезлаткичлар ўзлари билан кўплаб ГеВларнинг заррача энергиясини ва заррачаларнинг энг оддий турларини, масалан, электронлар ва позитронлар сифатида кўрсатилган лептонлар, материя кварклари ёки майдон квантлари учун фотонлар ва глюонлар кабиларни олиб келади. Ранг чегараси туфайли кваркларни ўз-ўзидан экспериментал равишда топиб бўлмаслиги сабабли, мавжуд бўлган энг оддий тажрибалар лептонларнинг биринчи навбатда бир-бири билан, кейин эса кварк ва глюонлардан ташкил топган нуклонлар билан ўзаро таъсирини ўз ичига олади. Олимлар кваркларнинг бир-бири билан тўқнашувини ўрганиш учун нуклонларни тўқнашади. Бу юқори энергияда амалга оширилганда, унинг тузилишидаги кварк ва глюонларнинг иккита асосий ўзаро таъсири деб ҳисоблаш мумкин. Шунинг учун элементар заррачалар физиклари бир-бири билан ёки водород ёки оғир водород каби энг оддий зарралар билан ўзаро таъсир қилувчи электронлар, позитронлар, протонлар ва антипротонлар нурларини яратадиган машиналардан фойдаланишни афзал кўрадилар. Ядро физиклари ва космологлари Катта портлашнинг дастлабки дақиқаларида содир бўлган бўлиши мумкин бўлган жуда юқори ҳарорат ва зичликда тўпланган модда ва ядроларнинг хусусиятларини, ўзаро таъсирини ва тузилишини ўрганиш учун атом ядроларининг яланғоч тўпламларидан ёки ажратилган электронлардан фойдаланишлари мумкин. Ушбу тадқиқотлар кўпинча ядро учун бир неча ГеВ энергия кўплигида темир ёки олтин каби атомлардан ташкил топган оғир ядроларнинг тўқнашуви шаклида амалга оширилади.
Бўлиниш реакторларида ишлаб чиқарилган нейтронга бой изотоплардан фарқли ўлароқ, заррача тезлаткичлари тиббий ва тадқиқот изотопларини ишлаб чиқарадиган протон нурларини ишлаб чиқариши мумкин. Бошқа томондан, яқинда олиб борилган ишлар водород изотопларини тезлаштириш орқали 99Мо ни қандай қилиш мумкинлигини аниқлади. Аммо бу усул ҳали ҳам тритий ишлаб чиқарадиган реакторга муҳтож. Лос Аламосдаги ЛАНСCЕ бу турдаги машиналарга мисолдир.
Синхротрон радиацияси
Ўзларининг аҳамиятига қўшимча равишда, юқори энергияли электронлар синхротрон нурланиши орқали юқори энергияли фотонларнинг жуда ёрқин ва когерент нурларини чиқаришга имкон беради, бу ҳам атом тузилиши, кимё, конденсацияланган моддалар физикаси, биология ва технология. Мисол тариқасида, Франсиянинг Гренобле шаҳридаги ЭСРФ яқинда кеҳрибар рангдаги ҳашаротларнинг батафсил 3Д тасвирларини олишга муваффақ бўлди. Шу сабабли, мақбул миқдорда энергия (ГеВ) истеъмол қила оладиган ва юқори интенсивликда ишлайдиган электрон тезлаткичларга талаб юқори.
Паст энергияли машиналар ва заррача терапияси
Кундалик ҳаётда биз кўришимиз мумкин бўлган заррача тезлаткичларига мисол сифатида телевизор қабул қилгичидаги катод нурлари трубкаси ва рентген генераторлари киради. Ушбу паст энергия тезлаткичлари улар орасидаги бир неча минг волтлик тўғридан-тўғри оқим (ДC) кучланишига эга бўлган бир жуфт электрод билан ишлайди. Рентген генераторида у асосий электродлардан биридир. Интеграл микросхемалар ишлаб чиқаришда ион имплантатори деб аталадиган кам энергияли заррачалар тезлаткичидан фойдаланилади.
Паст энергияда тезлаштирилган ядро нурлари тиббиётда заррача терапияси номи остида саратон касаллигини даволаш учун ҳам қўлланади.
Ядро реаксияларини келтириб чиқариш учун этарли даражада паст энергияда заррачаларни тезлаштиришга қодир бўлган нурлар Cоcкcрофт-Wалтон генератори ва ўзгарувчан токни юқори волтли тўғридан-тўғри оқимга айлантирадиган кучланиш кўпайтиргичлари ёки камар орқали олиб бориладиган статик энергиядан фойдаланадиган Ван де Граафф генераторлари.
Электростатик заррача тезлаткичлари
Тарихий жиҳатдан, биринчи тезлаткичлар зарядланган зарраларни тезлаштириш учун битта статик юқори кучланишнинг оддий технологиясидан фойдаланган. Электростатик тезлаткичлар бугунги кунда ҳам жуда машҳур бўлиб, уларнинг сони бошқа барча навлардан кўп бўлса-да, улар 30 МВ кучланишнинг амалий чегараси туфайли кам энергия билан ишлаш учун кўпроқ мос келади (тезлаткич олтингугурт, гексафторид каби юқори изоляцион қувватга эга газга ўрнатилади). юқори кучланишга имкон беради). Заррачаларнинг зарядини терминал ичида сақлаш мумкин бўлса, бир хил юқори кучланиш тандем тезлаткичида икки марта ишлатилиши мумкин, бу атом ядролари; Буни биринчи навбатда қўшимча электрон қўшиш ёки манфий зарядланган анион кимёвий бирикма ҳосил қилиш ва кейин ёруғликни юпқа фолга устига қўйиш орқали терминални бошқарадиган ва мусбат зарядланган юқори кучланишдаги электронларни ажратиш мумкин. Электростатик тезлаткичлар тўғри чизиқ бўйлаб заррачаларни тезласа ҳам, „чизиқли тезлаткич“ атамаси кўпинча статик электр майдонларини ишлатадиган тезлаткичлар эмас, балки тебранувчи электр майдонларини ишлатадиган тезлаткичлар билан боғлиқ. Шу сабабли, тўғри чизиқда тайёрланган кўплаб тезлаткичлар иккита ҳодиса ўртасидаги фарқни аниқ кўрсатиш учун „чизиқли“ эмас, балки „электростатик“ деб аталади.
Тебранувчи майдон заррача тезлаткичлари
Электр зарядсизланишига дучор бўлган юқори кучланиш чегараси туфайли заррачаларни юқори энергияга ҳайдаш учун паст, лекин тебранувчи юқори кучланиш манбаларини ўз ичига олган усуллар қўлланади. Электродлар, шунингдек, заррачалар тезлаштирилганда орбитадан сакраб чиқишига олиб келадиган магнит майдонга дуч келган ёки йўқлигига қараб, зарраларни чизиқ ёки айлана бўйлаб тезлаштириш учун ҳам тартибга солиниши мумкин.
Чизиқли заррача тезлаткичлари
Чизиқли заррача тезлаткичида зарралар охир-оқибат мақсадли қизиқиш майдонини ўз ичига олган текис чизиқда тезлашади. Одатда, улар айлана тезлаткичларга юборилишидан олдин заррачаларга паст энергияли бошланғич импулс беради. Дунёдаги энг узун чизиқли заррача тезлаткичи 3 км узунликдаги Станфорд Линеар Аccелератор'дир (СЛАC). СЛАC электрон-позитрон коллайдеридир. Чизиқли юқори энергияли тезлаткичлар ўзгарувчан юқори энергия майдони қўлланадиган анодларнинг чизиқли тартибидан фойдаланади. Заррачалар анодга яқинлашганда, улар анодга қўлланадиган қарама-қарши қутбли заряд томонидан тезлашади. Улар аноддаги тешикдан ўтаётганда, поларизация бошланади, шундай қилиб; анод уларни қайтаради ва улар кейинги анод томон тезлашади. Табиийки, заррачалар кластерларининг оқими тезлашади, шунинг учун ҳар бир анодга эҳтиёткорлик билан бошқариладиган АC кучланиш қўлланади, бу жараён ҳар бир кластер учун такрорланади. Заррачалар ёруғлик тезлигига етганда, электр майдонларининг алмашиниш тезлиги шунчалик юқори бўладики, улар радиочастотада ишлайди ва шунинг учун оддий анодлар ўрнига юқори энергияли машиналарда микротўлқинли бўшлиқлар қўлланади. Чизиқли тезлаткичлар тиббиётда, шунингдек, радиотерапия ва радиохирургияда кенг қўлланади. Тиббий даражадаги чизиқли заррача тезлаткичлари 6-30 МВ энергия билан ёруғлик ҳосил қилувчи клйстрон ва бüкме магнит мажмуаси ёрдамида электронларни тезлаштиради. Х-нурларидан ёруғлик ҳосил қилиш учун электронлар тўғридан-тўғри ёки тўқнашиб кетиши мумкин. Ишлаб чиқарилган нурнинг ишончлилиги, қулайлиги ва тўлиқлиги эски даволаш воситаси Кобалт-60 терапиясини алмаштирди.
Айлана ёки сиклик тезлаткичлар
Айлана тезлаткичда зарралар етарли энергияга етгунча айлана бўйлаб айланади. Заррачаларнинг йўли асосан электромагнитлар ёрдамида айланага айланади. Айлана тезлаткичларнинг чизиқли тезлаткичлардан афзаллиги шундаки, ҳалқа топологияси узлуксиз тезланиш имконини беради, чунки заррача сезилмас ҳаракатланади. Яна бир афзаллик шундаки, бир хил қувватларда айлана тезланиш чизиқли тезлаткичга қараганда анча кичикдир (чизиқли тезлаткич айлана тезлаткич билан бир хил қувватга эга бўлиши учун жуда узун бўлиши керак). Энергияга ва тезланаётган заррачага қараб, айлана тезлаткичлар синхротон нурланиш чиқарадиган заррачалардан азият чекади. Ҳар қандай зарядланган заррача тезлаштирилганда, зарралар синхрон нурланиш ва иккиламчи эмиссия чиқаради. Доира ичида ҳаракатланаётган зарра ҳар доим айлананинг марказига қараб тезлашгани учун у айлана тангенсига қараб узлуксиз нурланади. Бу нурланиш синхротон ёруғлик деб аталади ва тезлашувчи заррачанинг ҳажмига жуда боғлиқ. Шу сабабли, кўплаб юқори энергияли электрон тезлаткичлар чизиқли заррача тезлаткичлари (линаc). Бироқ, баъзи тезлаткичлар (синхротронлар) синхротон нурини (Х-рай) ишлаб чиқариш учун махсус мўлжалланган. Айлана тезлаткичлар ва умуман заррача нурлари учун муҳим принцип: заррачалар орбитал мойиллиги шундаки, заррачалар зарядлари магнит майдонга эмас, балки бир хил (одатда релативистик) тезланишга мутаносиб ва тескари пропорционалдир. Махсус нисбийлик назарияси материянинг вакуумдаги ёруғлик тезлигидан доимо секинроқ ҳаракатланишини талаб қилганлиги сабабли, юқори энергияли тезлаткичларда энергия ошгани сайин, заррача тезлиги ёруғлик тезлиги чегарасига этади, лекин унга ҳеч қачон этиб бормайди. Шунинг учун заррача физиклари одатда тезлик нуқтаи назаридан эмас, балки заррачанинг энергияси ёки импулси нуқтаи назаридан ўйлашади, одатда электроволтларда (эВ) ўлчанади. Айлана тезлаткичлар ва умуман заррача нурланишлари учун муҳим тамойил шундан иборатки, заррача орбитасининг эгрилиги заррача зарядига ва магнит майдонига мутаносиб, лекин импулсга тескари пропорционалдир.
Сиклотронлар
Энг қадимги функсионал айлана тезлаткичлар 1929 йилда Беркли Калифорния университетида Эрнест О. Лаwренcе томонидан ихтиро қилинган сиклотронлар эди. Циклотронларда заррачаларни тезлаштириш учун бир жуфт Д-слот шаклидаги анодлар ва уларнинг орбиталарини айлана шаклида шакллантириш учун катта дипол магнит мавжуд. Бир хил ва ҳаракатланувчи магнит майдонида зарядланган заррачаларнинг ўзига хос хусусияти шундаки, улар ёруғлик тезлиги C дан камроқ бўлса, улар сиклотрон частотаси деб аталадиган частотада орбитада айланади. Бу шуни англатадики, сиклотроннинг тезлашиши Д ни қувват манбаини тезлаштирадиган радиочастота орқали барқарор частота билан бошқариш мумкин, чунки ёруғлик доимо ташқарига айланади. Заррачалар магнитнинг марказига АОК қилинади ва ташқи томондан энг кучли энергия билан чиқарилади. Сиклотронлар заррачалар катталашгани сари релятивистик таъсирлар туфайли юқори энергия чегарасига этади, шунинг учун уларнинг сиклотрон частоталари тезлашувчи РФ билан синхронлаштирилмайди. Шундай қилиб, оддий сиклотрон протонлари фақат 15 миллион электроволтгача (15 МеВ, тахминан C нинг 10 фоизига тенг) ўтиши мумкин. Бунинг сабаби шундаки, протонлар ҳаракатдаги электр майдони томонидан жараёндан ташқарига чиқарилади. Агар тезлаштирилса, радиация радиусдан ташқарига чиқишда давом этади, аммо зарралар тезлаштирилган РФ билан биргаликда каттароқ айланани бажариш учун этарли тезликка эга бўлмайди. Релятивистик таъсирларни қондириш учун магнит майдонни синхрон сиклотронларда бўлгани каби, юқори радиусга ошириш керак. Изохрон сиклотронларга мисол Швейсариядаги ПСИ Ринг Cйcлотрон бўлиб, у 590 МеВ энергияда протонларни беради, бу ёруғлик тезлигининг тахминан 80 фоизини ташкил қилади. Бундай сиклотроннинг афзаллиги — ҳозирги вақтда 2,2 Ма га тенг бўлган олинадиган максимал эришиш мумкин бўлган протон оқими. Бу энергия ва оқим 1,3 МВ радиация қувватига тенг бўлиб, ҳозирда мавжуд бўлган энг тез тезлаткичнинг кучига тенг.
Синхросинклотрон ва изохрон сиклотронлар
Классик сиклотрон энергия чегарасини ошириш учун ўзгартирилиши мумкин. Тарихий жиҳатдан биринчи уриниш синхросинклотрон бўлиб, у заррачаларни тўпламларда тезлаштирди. У доимий магнит Б майдонидан фойдаланади, лекин у ташқарига қараб ҳаракатланаётганда, уларнинг боғлиқ бўлган сиклотрон резонанс частоталари заррачаларни уйғунликда сақлаш учун тезлаткич майдон частотасини пасайтириш учун бирлашади. Бу аралашув эгилиш, катта диаметрли катта магнит ва юқори энергия талаб қиладиган катта орбитадаги доимий майдон туфайли паст нурланиш интенсивлигидан азият чекади. Синхросинклотронлар изохрон сиклотронлар яратилганидан бери қурилмайди.
Релятивистик заррачаларни тезлаштириш муаммосининг иккинчи уриниши синхрон сиклотрондир. Бундай структурада магнит майдонни диаметр билан ошириш учун магнитнинг қутбларини шакллантириш орқали тезлаштирувчи майдоннинг частотаси барча энергиялар учун доимий сақланади. Шундай қилиб, барча зарралар бир вақтнинг ўзида тезлашади. Юқори энергияли зарралар ҳар бир орбитада классик сиклотронга қараганда қисқароқ масофани босиб ўтади, шунинг учун улар тезланиш майдони билан орбитада қоладилар. Бир вақтнинг ўзида сиклотроннинг афзаллиги шундаки, у юқори интенсивликдаги узлуксиз нурланишни чиқаради, бу баъзи номзодлар учун қулайдир. Асосий камчиликлар — керакли магнитнинг нархи ва ўлчами ва структуранинг ташқи бурчагида юқори магнит майдон қийматларига эришишдаги қийинчиликлар. Синхрон сиклотронлар яратилганидан бери синхросинклотронлар ишлаб чиқарилмаган.