Zarracha tezlatgichi

Zarrachalar tezlatgichi — elektromagnit maydonlardan foydalangan holda zaryadlangan zarralarni yuqori tezlikka tezlashtiradigan va ularni toʻplamda ushlab turadigan qurilmalarning umumiy nomi. Katta tezlatgichlar zarrachalar fizikasida kollayderlar sifatida tanilgan. (masalan, CERNdagi LHC, Brookhaven milliy laboratoriyasida RHIC va Fermilabdagi Tevatron). Boshqa turdagi zarracha tezlatgichlari saraton kasalliklarida zarracha terapiyasi, kondensatsiyalangan moddalar fizikasi tadqiqotlarida sinxrotron yorugʻlik manbalari kabi turli xil ilovalarda qoʻllanadi. Hozirda butun dunyoda 30 000 dan ortiq tezlatkichlar ishlamoqda.

Tezlatgichlarning ikkita asosiy turi mavjud. Elektrostatik tezlatgichlar va vaqt oʻzgaruvchan maydon tezlatgichlari. Elektrostatik tezlatgichlar zarrachalarni tezlashtirish uchun statik elektr maydonlardan foydalanadi. Ushbu turdagi kichik misol — oddiy televizor qabul qilgichdagi katod nurlari trubkasi. Misollarni Cockcroft-Walton generatori va Van de Graaff generatori bilan ham koʻpaytirish mumkin. Ushbu tezlatgichlarda zarralar tomonidan olingan kinetik energiya elektr qulashi bilan chegaralanadi. Boshqa tomondan, vaqt oʻzgaruvchan maydon tezlatgichlari zarrachalarni tezlashtirish va bu qulash muammosini engish uchun radiochastota elektromagnit maydonlaridan foydalanadi. Birinchi marta 1920 yilda ishlab chiqilgan ushbu tur bugungi tezlatgichlar kontseptsiyasi va keng kolamli qurilmalarning asosini tashkil qiladi.

Birinchi funksional chiziqli zarrachalar tezlatgichini, betatron va siklotronni taqdim etgan va ishlab chiqqan Rolf Widerøe, Gustav Ising, Leo Szilard, Donald Kerst va Ernest Lawrence bu sohaning kashshoflari hisoblanadi.

20-asrda tezlatgichlar odatda atom kollayderlari deb atalar edi, chunki kollayderlar atom osti dunyosining tuzilishi haqida maʼlumot bergan. Garchi koʻpchilik tezlatgichlar, ion qurilmalaridan tashqari, aslida subatomik zarralarni harakatga keltirgan boʻlsa-da, bu atama umuman zarracha tezlatgichlari haqida gap ketganda aqlga keladigan nomdir.

Yuqori energiyali zarrachalar nurlari fandagi fundamental va amaliy tadqiqotlarda ham, fundamental tadqiqotlar bilan bogʻliq boʻlmagan koʻplab texnik va sanoat sohalarida ham foyda keltiradi. Hisob-kitoblarga koʻra, dunyo boʻylab 26 000 ga yaqin tezlatgichlar mavjud boʻlib, ulardan 44 foizi radioterapiyada, 41 foizi ion implantatsiyasida, 9 foizi sanoat jarayonlari va tadqiqotlarda, 4 foizi biomedikal va boshqa kam energiyali tadqiqotlarda qoʻllanadi % Ulardan baʼzilari 1 milliard elektronvolt (GeV) dan ortiq tadqiqot mashinalaridir. Yuqoridagi shtrixli diagrammada qoʻllanishi boʻyicha sanoat tezlatgichlari sonining kamayishi koʻrsatilgan. Yuqoridagi raqamlar turli manbalardan olingan 2012 yilgi statistik maʼlumotlarga asoslanadi, jumladan, taqdimot yoki bozor tadqiqotlari, nashr etilgan ishlab chiqarish va sotish maʼlumotlari, shuningdek, koʻplab ishlab chiqaruvchilarning maʼlumotlari.

Eng yuqori zarrachalar energiyasiga ega boʻlgan eng katta tezlatgichlar — Brookhaven milliy laboratoriyasidagi relativistik ogʻir ion kollayderi (RHIC) va 2009 yil noyabr oʻrtalarida ishga tushgan CERNdagi Katta adron kollayderi (LHC). Ushbu tezlatgichlar eksperimental zarrachalar fizikasi uchun ishlatiladi.

Dinamika, materiyaning tuzilishi, fazo va vaqt kabi eng fundamental tadqiqotlarda fiziklar eng yuqori energiyalarda topilgan oʻzaro taʼsir turlarini izlaydilar. Ushbu tezlatgichlar oʻzlari bilan koʻplab GeVlarning zarracha energiyasini va zarrachalarning eng oddiy turlarini, masalan, elektronlar va pozitronlar sifatida koʻrsatilgan leptonlar, materiya kvarklari yoki maydon kvantlari uchun fotonlar va glyuonlar kabilarni olib keladi. Rang chegarasi tufayli kvarklarni oʻz-oʻzidan eksperimental ravishda topib boʻlmasligi sababli, mavjud boʻlgan eng oddiy tajribalar leptonlarning birinchi navbatda bir-biri bilan, keyin esa kvark va glyuonlardan tashkil topgan nuklonlar bilan oʻzaro taʼsirini oʻz ichiga oladi. Olimlar kvarklarning bir-biri bilan toʻqnashuvini oʻrganish uchun nuklonlarni toʻqnashadi. Bu yuqori energiyada amalga oshirilganda, uning tuzilishidagi kvark va glyuonlarning ikkita asosiy oʻzaro taʼsiri deb hisoblash mumkin. Shuning uchun elementar zarrachalar fiziklari bir-biri bilan yoki vodorod yoki ogʻir vodorod kabi eng oddiy zarralar bilan oʻzaro taʼsir qiluvchi elektronlar, pozitronlar, protonlar va antiprotonlar nurlarini yaratadigan mashinalardan foydalanishni afzal koʻradilar. Yadro fiziklari va kosmologlari Katta portlashning dastlabki daqiqalarida sodir boʻlgan boʻlishi mumkin boʻlgan juda yuqori harorat va zichlikda toʻplangan modda va yadrolarning xususiyatlarini, oʻzaro taʼsirini va tuzilishini oʻrganish uchun atom yadrolarining yalangʻoch toʻplamlaridan yoki ajratilgan elektronlardan foydalanishlari mumkin. Ushbu tadqiqotlar koʻpincha yadro uchun bir necha GeV energiya koʻpligida temir yoki oltin kabi atomlardan tashkil topgan ogʻir yadrolarning toʻqnashuvi shaklida amalga oshiriladi.

Boʻlinish reaktorlarida ishlab chiqarilgan neytronga boy izotoplardan farqli oʻlaroq, zarracha tezlatgichlari tibbiy va tadqiqot izotoplarini ishlab chiqaradigan proton nurlarini ishlab chiqarishi mumkin. Boshqa tomondan, yaqinda olib borilgan ishlar vodorod izotoplarini tezlashtirish orqali 99Mo ni qanday qilish mumkinligini aniqladi. Ammo bu usul hali ham tritiy ishlab chiqaradigan reaktorga muhtoj. Los Alamosdagi LANSCE bu turdagi mashinalarga misoldir.

Oʻzlarining ahamiyatiga qoʻshimcha ravishda, yuqori energiyali elektronlar sinxrotron nurlanishi orqali yuqori energiyali fotonlarning juda yorqin va kogerent nurlarini chiqarishga imkon beradi, bu ham atom tuzilishi, kimyo, kondensatsiyalangan moddalar fizikasi, biologiya va texnologiya. Misol tariqasida, Fransiyaning Grenoble shahridagi ESRF yaqinda kehribar rangdagi hasharotlarning batafsil 3D tasvirlarini olishga muvaffaq boʻldi. Shu sababli, maqbul miqdorda energiya (GeV) isteʼmol qila oladigan va yuqori intensivlikda ishlaydigan elektron tezlatgichlarga talab yuqori.

Kundalik hayotda biz koʻrishimiz mumkin boʻlgan zarracha tezlatgichlariga misol sifatida televizor qabul qilgichidagi katod nurlari trubkasi va rentgen generatorlari kiradi. Ushbu past energiya tezlatgichlari ular orasidagi bir necha ming voltlik toʻgʻridan-toʻgʻri oqim (DC) kuchlanishiga ega boʻlgan bir juft elektrod bilan ishlaydi. Rentgen generatorida u asosiy elektrodlardan biridir. Integral mikrosxemalar ishlab chiqarishda ion implantatori deb ataladigan kam energiyali zarrachalar tezlatgichidan foydalaniladi.

Past energiyada tezlashtirilgan yadro nurlari tibbiyotda zarracha terapiyasi nomi ostida saraton kasalligini davolash uchun ham qoʻllanadi.

Yadro reaksiyalarini keltirib chiqarish uchun etarli darajada past energiyada zarrachalarni tezlashtirishga qodir boʻlgan nurlar Cockcroft-Walton generatori va oʻzgaruvchan tokni yuqori voltli toʻgʻridan-toʻgʻri oqimga aylantiradigan kuchlanish koʻpaytirgichlari yoki kamar orqali olib boriladigan statik energiyadan foydalanadigan Van de Graaff generatorlari.

Tarixiy jihatdan, birinchi tezlatgichlar zaryadlangan zarralarni tezlashtirish uchun bitta statik yuqori kuchlanishning oddiy texnologiyasidan foydalangan. Elektrostatik tezlatgichlar bugungi kunda ham juda mashhur boʻlib, ularning soni boshqa barcha navlardan koʻp boʻlsa-da, ular 30 MV kuchlanishning amaliy chegarasi tufayli kam energiya bilan ishlash uchun koʻproq mos keladi (tezlatgich oltingugurt, geksaftorid kabi yuqori izolyatsion quvvatga ega gazga oʻrnatiladi). yuqori kuchlanishga imkon beradi). Zarrachalarning zaryadini terminal ichida saqlash mumkin boʻlsa, bir xil yuqori kuchlanish tandem tezlatgichida ikki marta ishlatilishi mumkin, bu atom yadrolari; Buni birinchi navbatda qoʻshimcha elektron qoʻshish yoki manfiy zaryadlangan anion kimyoviy birikma hosil qilish va keyin yorugʻlikni yupqa folga ustiga qoʻyish orqali terminalni boshqaradigan va musbat zaryadlangan yuqori kuchlanishdagi elektronlarni ajratish mumkin. Elektrostatik tezlatgichlar toʻgʻri chiziq boʻylab zarrachalarni tezlasa ham, „chiziqli tezlatgich“ atamasi koʻpincha statik elektr maydonlarini ishlatadigan tezlatgichlar emas, balki tebranuvchi elektr maydonlarini ishlatadigan tezlatgichlar bilan bogʻliq. Shu sababli, toʻgʻri chiziqda tayyorlangan koʻplab tezlatgichlar ikkita hodisa oʻrtasidagi farqni aniq koʻrsatish uchun „chiziqli“ emas, balki „elektrostatik“ deb ataladi.

Elektr zaryadsizlanishiga duchor boʻlgan yuqori kuchlanish chegarasi tufayli zarrachalarni yuqori energiyaga haydash uchun past, lekin tebranuvchi yuqori kuchlanish manbalarini oʻz ichiga olgan usullar qoʻllanadi. Elektrodlar, shuningdek, zarrachalar tezlashtirilganda orbitadan sakrab chiqishiga olib keladigan magnit maydonga duch kelgan yoki yoʻqligiga qarab, zarralarni chiziq yoki aylana boʻylab tezlashtirish uchun ham tartibga solinishi mumkin.

Chiziqli zarracha tezlatgichida zarralar oxir-oqibat maqsadli qiziqish maydonini oʻz ichiga olgan tekis chiziqda tezlashadi. Odatda, ular aylana tezlatgichlarga yuborilishidan oldin zarrachalarga past energiyali boshlangʻich impuls beradi. Dunyodagi eng uzun chiziqli zarracha tezlatgichi 3 km uzunlikdagi Stanford Linear Accelerator'dir (SLAC). SLAC elektron-pozitron kollayderidir. Chiziqli yuqori energiyali tezlatgichlar oʻzgaruvchan yuqori energiya maydoni qoʻllanadigan anodlarning chiziqli tartibidan foydalanadi. Zarrachalar anodga yaqinlashganda, ular anodga qoʻllanadigan qarama-qarshi qutbli zaryad tomonidan tezlashadi. Ular anoddagi teshikdan oʻtayotganda, polarizatsiya boshlanadi, shunday qilib; anod ularni qaytaradi va ular keyingi anod tomon tezlashadi. Tabiiyki, zarrachalar klasterlarining oqimi tezlashadi, shuning uchun har bir anodga ehtiyotkorlik bilan boshqariladigan AC kuchlanish qoʻllanadi, bu jarayon har bir klaster uchun takrorlanadi. Zarrachalar yorugʻlik tezligiga yetganda, elektr maydonlarining almashinish tezligi shunchalik yuqori boʻladiki, ular radiochastotada ishlaydi va shuning uchun oddiy anodlar oʻrniga yuqori energiyali mashinalarda mikrotoʻlqinli boʻshliqlar qoʻllanadi. Chiziqli tezlatgichlar tibbiyotda, shuningdek, radioterapiya va radioxirurgiyada keng qoʻllanadi. Tibbiy darajadagi chiziqli zarracha tezlatgichlari 6-30 MV energiya bilan yorugʻlik hosil qiluvchi klystron va bükme magnit majmuasi yordamida elektronlarni tezlashtiradi. X-nurlaridan yorugʻlik hosil qilish uchun elektronlar toʻgʻridan-toʻgʻri yoki toʻqnashib ketishi mumkin. Ishlab chiqarilgan nurning ishonchliligi, qulayligi va toʻliqligi eski davolash vositasi Kobalt-60 terapiyasini almashtirdi.

Aylana tezlatgichda zarralar yetarli energiyaga yetguncha aylana bo‘ylab aylanadi. Zarrachalarning yoʻli asosan elektromagnitlar yordamida aylanaga aylanadi. Aylana tezlatgichlarning chiziqli tezlatgichlardan afzalligi shundaki, halqa topologiyasi uzluksiz tezlanish imkonini beradi, chunki zarracha sezilmas harakatlanadi. Yana bir afzallik shundaki, bir xil quvvatlarda aylana tezlanish chiziqli tezlatgichga qaraganda ancha kichikdir (chiziqli tezlatgich aylana tezlatgich bilan bir xil quvvatga ega boʻlishi uchun juda uzun boʻlishi kerak). Energiyaga va tezlanayotgan zarrachaga qarab, aylana tezlatgichlar sinxroton nurlanish chiqaradigan zarrachalardan aziyat chekadi. Har qanday zaryadlangan zarracha tezlashtirilganda, zarralar sinxron nurlanish va ikkilamchi emissiya chiqaradi. Doira ichida harakatlanayotgan zarra har doim aylananing markaziga qarab tezlashgani uchun u aylana tangensiga qarab uzluksiz nurlanadi. Bu nurlanish sinxroton yorugʻlik deb ataladi va tezlashuvchi zarrachaning hajmiga juda bogʻliq. Shu sababli, koʻplab yuqori energiyali elektron tezlatgichlar chiziqli zarracha tezlatgichlari (linac). Biroq, baʼzi tezlatgichlar (sinxrotronlar) sinxroton nurini (X-ray) ishlab chiqarish uchun maxsus moʻljallangan. Aylana tezlatgichlar va umuman zarracha nurlari uchun muhim printsip: zarrachalar orbital moyilligi shundaki, zarrachalar zaryadlari magnit maydonga emas, balki bir xil (odatda relativistik) tezlanishga mutanosib va teskari proportsionaldir. Maxsus nisbiylik nazariyasi materiyaning vakuumdagi yorugʻlik tezligidan doimo sekinroq harakatlanishini talab qilganligi sababli, yuqori energiyali tezlatgichlarda energiya oshgani sayin, zarracha tezligi yorugʻlik tezligi chegarasiga etadi, lekin unga hech qachon etib bormaydi. Shuning uchun zarracha fiziklari odatda tezlik nuqtai nazaridan emas, balki zarrachaning energiyasi yoki impulsi nuqtai nazaridan oʻylashadi, odatda elektrovoltlarda (eV) oʻlchanadi. Aylana tezlatgichlar va umuman zarracha nurlanishlari uchun muhim tamoyil shundan iboratki, zarracha orbitasining egriligi zarracha zaryadiga va magnit maydoniga mutanosib, lekin impulsga teskari proportsionaldir.

Eng qadimgi funksional aylana tezlatgichlar 1929 yilda Berkli Kaliforniya universitetida Ernest O. Lawrence tomonidan ixtiro qilingan siklotronlar edi. Tsiklotronlarda zarrachalarni tezlashtirish uchun bir juft D-slot shaklidagi anodlar va ularning orbitalarini aylana shaklida shakllantirish uchun katta dipol magnit mavjud. Bir xil va harakatlanuvchi magnit maydonida zaryadlangan zarrachalarning oʻziga xos xususiyati shundaki, ular yorugʻlik tezligi C dan kamroq boʻlsa, ular siklotron chastotasi deb ataladigan chastotada orbitada aylanadi. Bu shuni anglatadiki, siklotronning tezlashishi D ni quvvat manbaini tezlashtiradigan radiochastota orqali barqaror chastota bilan boshqarish mumkin, chunki yorugʻlik doimo tashqariga aylanadi. Zarrachalar magnitning markaziga AOK qilinadi va tashqi tomondan eng kuchli energiya bilan chiqariladi. Siklotronlar zarrachalar kattalashgani sari relyativistik taʼsirlar tufayli yuqori energiya chegarasiga etadi, shuning uchun ularning siklotron chastotalari tezlashuvchi RF bilan sinxronlashtirilmaydi. Shunday qilib, oddiy siklotron protonlari faqat 15 million elektrovoltgacha (15 MeV, taxminan C ning 10 foiziga teng) oʻtishi mumkin. Buning sababi shundaki, protonlar harakatdagi elektr maydoni tomonidan jarayondan tashqariga chiqariladi. Agar tezlashtirilsa, radiatsiya radiusdan tashqariga chiqishda davom etadi, ammo zarralar tezlashtirilgan RF bilan birgalikda kattaroq aylanani bajarish uchun etarli tezlikka ega boʻlmaydi. Relyativistik taʼsirlarni qondirish uchun magnit maydonni sinxron siklotronlarda boʻlgani kabi, yuqori radiusga oshirish kerak. Izoxron siklotronlarga misol Shveysariyadagi PSI Ring Cyclotron boʻlib, u 590 MeV energiyada protonlarni beradi, bu yorugʻlik tezligining taxminan 80 foizini tashkil qiladi. Bunday siklotronning afzalligi — hozirgi vaqtda 2,2 Ma ga teng boʻlgan olinadigan maksimal erishish mumkin boʻlgan proton oqimi. Bu energiya va oqim 1,3 MV radiatsiya quvvatiga teng boʻlib, hozirda mavjud boʻlgan eng tez tezlatgichning kuchiga teng.

Klassik siklotron energiya chegarasini oshirish uchun oʻzgartirilishi mumkin. Tarixiy jihatdan birinchi urinish sinxrotsiklotron boʻlib, u zarrachalarni toʻplamlarda tezlashtirdi. U doimiy magnit B maydonidan foydalanadi, lekin u tashqariga qarab harakatlanayotganda, ularning bogʻliq boʻlgan siklotron rezonans chastotalari zarrachalarni uygʻunlikda saqlash uchun tezlatgich maydon chastotasini pasaytirish uchun birlashadi. Bu aralashuv egilish, katta diametrli katta magnit va yuqori energiya talab qiladigan katta orbitadagi doimiy maydon tufayli past nurlanish intensivligidan aziyat chekadi. Sinxrotsiklotronlar izoxron siklotronlar yaratilganidan beri qurilmaydi.

Relyativistik zarrachalarni tezlashtirish muammosining ikkinchi urinishi sinxron siklotrondir. Bunday strukturada magnit maydonni diametr bilan oshirish uchun magnitning qutblarini shakllantirish orqali tezlashtiruvchi maydonning chastotasi barcha energiyalar uchun doimiy saqlanadi. Shunday qilib, barcha zarralar bir vaqtning oʻzida tezlashadi. Yuqori energiyali zarralar har bir orbitada klassik siklotronga qaraganda qisqaroq masofani bosib oʻtadi, shuning uchun ular tezlanish maydoni bilan orbitada qoladilar. Bir vaqtning oʻzida siklotronning afzalligi shundaki, u yuqori intensivlikdagi uzluksiz nurlanishni chiqaradi, bu baʼzi nomzodlar uchun qulaydir. Asosiy kamchiliklar — kerakli magnitning narxi va oʻlchami va strukturaning tashqi burchagida yuqori magnit maydon qiymatlariga erishishdagi qiyinchiliklar. Sinxron siklotronlar yaratilganidan beri sinxrotsiklotronlar ishlab chiqarilmagan.