أريد أن أعرف كل شيء

معجل الجسيمات

Pin
Send
Share
Send


اصطدام بروتون ومضاد للبروتون في مسرع عالي الطاقة. لقد تحولت طاقة الكتلة والطاقة الحركية إلى دش لجميع أنواع الجزيئات.

المبدأ الأساسي وراء مسرع الجسيمات بسيط: اصطدام الأشياء معًا في طاقة عالية واكتشاف ما يخرج.

في عام 1909 ، اكتشف إرنست راذرفورد أن الذرة تتكون من نواة صغيرة ، ضخمة ، ذات شحنة موجبة محاطة بسحابة مليئة بالإلكترونات الضوئية تبلغ مساحتها 10000 مرة. لفهم بنية هذه النواة الذرية ، طور العلماء "تحقيقات" متعددة في السنوات منذ ذلك الحين ، والأكثر فائدة هي النيوترون المحايد كهربائيًا ومجموعة متنوعة من الجسيمات المشحونة كهربائيًا. نظرًا لعدم شحنة النيترون من الشحنة النووية ، فإن الطرود منخفضة السرعة تقوم بعمل جيد مثل التحقيقات (انظر الانشطار النووي). ولكن الجسيمات المشحونة تخترق أفضل عندما تكون نشطة للغاية. ضخ الطاقة من هذه التحقيقات هو دور معجل الجسيمات.

تم توفير أول مسبار عالي الطاقة بطبيعته ، من حيث أشعة ألفا وبيتا وغاما للعناصر المشعة. في الواقع ، استخدم رذرفورد ألفا الطاقة العالية من الراديوم كدليل لتحديد نموذجه للذرة. على الرغم من أن الأشعة الكونية قد استخدمت (ومازالت تستخدم) كتحقيقات ، فقد تم اكتشاف البوزيترون بهذه الطريقة تقريبًا - تم إحراز جميع أوجه التقدم في فيزياء الجسيمات باستخدام مسرعات من صنع الإنسان بقوة متزايدة.

مع زيادة قوة المجسات ، تم اكتشاف عدد كبير من الجسيمات ، وتطورت إلى ما كان يطلق عليه "حديقة حيوان جزيئات". في النهاية ، تم تنظيمهم جميعًا وفقًا لنظام يسمى النموذج القياسي. في القنبلة الذرية ، تتحول المادة إلى طاقة. في مسرع الجسيمات عالية الطاقة ، يتم تحويل الطاقة إلى مادة.

يستخدم مسرع الجسيمات الحقول الكهربائية لدفع الجزيئات المشحونة كهربائيًا إلى سرعات عالية واحتواءها. جهاز التلفزيون CRT العادي هو شكل بسيط من مسرع.

هناك نوعان أساسيان من المعجلات: الخطية والدائرية. كلا التصميمات لها قيود. كلما طالت مدة التسريع الخطي ، زادت الطاقة التي يمكن نقلها ، وبالتالي يتم تعيين الحدود بواسطة الطول العملي. في تصميم دائري ، الطول غير محدود. تنشأ الحدود هنا لأن عمل الشحنات الكهربائية في الدوائر يجعلهم يتخلى عن الطاقة. أثناء تسريعها ، يتم إلقاء المزيد من الطاقة ، حتى يتم في نهاية المطاف تسليط الطاقة بنفس السرعة التي يمكن ضخها بها.

مسرّع Van de Graaff الخطي أحادي المرحلة في الستينيات من القرن الماضي ، مفتوح هنا للصيانة.

المعجلات الخطية

في المعجل الخطي (linac) ، يتم تسريع الجسيمات في خط مستقيم مع هدف الاهتمام في نهاية واحدة.

خطوط الشعاع المؤدية من مسرّع Van de Graaff إلى تجارب مختلفة ، في الطابق السفلي للحرم الجامعي Jussieu في باريس.

تستخدم المسرعات الخطية ذات الطاقة العالية مجموعة خطية من الألواح (أو الأنابيب العائمة) التي يطبق عليها مجال الطاقة العالية المتناوب. مع اقتراب الجسيمات من الصفيحة ، يتم تسريعها تجاهها بواسطة شحنة قطبية معاكسة يتم تطبيقها على الصفيحة. أثناء مرورها عبر ثقب في الصفيحة ، يتم تبديل الأقطاب بحيث تقوم اللوحة الآن بصدها ثم يتم تسريعها باتجاه اللوحة التالية. عادة ما يتم تسريع تيار من "عناقيد" من الجسيمات ، لذلك يتم تطبيق الجهد AC تسيطر عليها بعناية على كل لوحة لتكرار هذا باستمرار لكل مجموعة.

في مسرعات الجسيمات المبكرة ، كان مضاعف جهد كوكروفت والتون مسؤولاً عن مضاعفة الجهد. ساعدت هذه القطعة من المسرع في تطوير القنبلة الذرية. تم بناؤه عام 1937 بواسطة Philips of Eindhoven ، ويقيم حاليًا في المتحف الوطني للعلوم في لندن بإنجلترا.

مع اقتراب الجسيمات من سرعة الضوء ، يصبح معدل تبديل الحقول الكهربائية مرتفعًا لدرجة أنها تعمل عند ترددات الموجات الصغرية ، وبالتالي يتم استخدام مرنانات تجويف RF في آلات الطاقة العالية بدلاً من الألواح البسيطة.

أنواع مسرع التيار المستمر قادرة على تسريع الجسيمات إلى سرعات كافية للتسبب في ردود الفعل النووية هي مولدات Cockcroft-Walton ، أو مضاعفات الجهد ، التي تحول AC إلى مولدات عالية الجهد DC ، أو مولدات Van de Graaff التي تستخدم الكهرباء الساكنة التي تحملها الأحزمة.

تستخدم أكبر وأقوى مسرعات الجسيمات ، مثل RHIC ، و LHC (المقرر أن تبدأ العملية في عام 2008) وتيفاترون ، لفيزياء الجسيمات التجريبية.

يمكن لمسرعات الجسيمات أيضًا إنتاج أشعة بروتونية ، والتي يمكن أن تنتج أبحاثًا أو نظائر طبية "ثقيلة البروتون" ، مقابل نظيرات "ثقيلة النيوترون" المصنوعة في مفاعلات الانشطار. مثال على هذا النوع من الأجهزة هو LANSCE في Los Alamos.

أمثلة

الأمثلة اليومية على مسرعات الجسيمات هي تلك الموجودة في أجهزة التلفزيون ومولدات الأشعة السينية. تستخدم مسرعات الطاقة المنخفضة ، مثل أنابيب أشعة الكاثود ومولدات الأشعة السينية ، زوجًا واحدًا من الأقطاب الكهربائية بجهد تيار مستمر يبلغ بضعة آلاف فولت. في مولد الأشعة السينية ، يكون الهدف نفسه أحد الأقطاب الكهربائية. يستخدم مسرع الجسيمات ذو الطاقة المنخفضة ، والذي يطلق عليه مزيل الأيونات ، في تصنيع الدوائر المتكاملة.

تستخدم على نطاق واسع جدا Linacs. كما أنها تستخدم لتوفير ركلة مبدئية منخفضة الطاقة للجزيئات قبل حقنها في مسرعات دائرية. أطول خط في العالم هو مسرع ستانفورد الخطي ، SLAC ، الذي يبلغ طوله 3 كم (2 ميل). SLAC هو مصادم الإلكترون - بوزيترون.

كما تستخدم المعجلات الخطية على نطاق واسع في الطب ، للعلاج الإشعاعي والجراحة الإشعاعية. يعمل Linacs من الدرجة الطبية على تسريع الإلكترونات باستخدام klystron وترتيب مغنطيسي معقد للإنحناء ، ينتج شعاعًا يتراوح بين 6 و 30 مليونًا من طاقة الإلكترون فولت (MeV). يمكن استخدام الإلكترونات مباشرة أو يمكن اصطدامها بهدف لإنتاج حزمة من الأشعة السينية. موثوقية ومرونة ودقة شعاع الإشعاع المنتجة حلت إلى حد كبير محل الاستخدام الأقدم للعلاج Cobalt-60 كأداة علاج.

جنبا إلى جنب مسرعات كهرباء

في مسرع ترادفي ، يكسب الأيونات السالبة الطاقة من خلال جذب الجهد الإيجابي العالي للغاية في المركز الهندسي لأوعية الضغط. عندما يصل إلى المنطقة المركزية المعروفة باسم محطة الجهد العالي ، يتم تجريد بعض الإلكترونات من الأيونات. ثم يصبح الأيونات موجبًا ومسرعًا من خلال الجهد الإيجابي العالي. وبالتالي ، يسمى هذا النوع من المسرع مسرع "ترادفي". يحتوي المسرع على مرحلتين من التسارع ، الأول يسحب ثم يدفع الجزيئات المشحونة. مثال على مسرّع ترادفي هو ANTARES (مسرع الترادف الوطني الأسترالي للبحوث التطبيقية).

مسرعات دائرية

ال معجل الجسيمات في معهد وايزمان للعلوم ، رحوفوت.صورة جوية لفيرميلابجزء من مسرع الجسيمات في DESY

في المسرع الدائري ، تتحرك الجزيئات في دائرة حتى تصل إلى طاقة كافية. عادة ما يتم ثني مسار الجسيمات في دائرة باستخدام المغناطيس الكهربائي. تتمثل ميزة المعجلات الدائرية على المعجلات الخطية في أن طوبولوجيا الحلقة تسمح بالتسارع المستمر ، حيث يمكن للجسيمات المرور إلى أجل غير مسمى. الميزة الأخرى هي أن المسرع الدائري أصغر نسبياً من المسرع الخطي ذو القدرة المماثلة (أي يجب أن يكون الليناك طويلاً للغاية بحيث يكون لديه القدرة المكافئة لمسرع دائري).

اعتمادًا على الطاقة والجسيمات التي يتم تسريعها ، تعاني المسرعات الدائرية من عيوب في أن تنبعث الجسيمات من الإشعاع السنكروتروني. عندما يتم تسريع أي جسيم مشحون ، فإنه ينبعث كل من الإشعاع الكهرومغناطيسي والانبعاثات الثانوية. نظرًا لأن الجسيم الذي يتحرك في دائرة يتسارع دائمًا نحو مركز الدائرة ، فإنه يشع باستمرار نحو الظل في الدائرة. يسمى هذا الإشعاع ضوء السنكروترون ويعتمد بدرجة كبيرة على كتلة الجسيم المتسارع. لهذا السبب ، فإن العديد من مسرعات الإلكترون ذات الطاقة العالية عبارة عن خطوط

إشعاع السنكروترون

يُطلق على تساقط الطاقة بواسطة الجزيئات الكهربائية التي تُجبر على الانحناء إشعاع السنكروترون. كلما كان المنحنى أكثر إحكاما ، زادت طاقة السقطة ، وهذا هو السبب في أن المعجلات الدائرية كبيرة بقدر الإمكان ، مما يقلل من الانحناء.

تم بناء بعض المعجلات الدائرية لتوليد الإشعاع عن قصد (يطلق عليه ضوء السنكروترون) مثل الأشعة السينية ، على سبيل المثال ، مصدر الضوء الماسي الذي يتم بناؤه في مختبر رذرفورد أبليتون في إنجلترا أو مصدر الفوتون المتقدم في مختبر أرجون الوطني في إلينوي. الأشعة السينية عالية الطاقة مفيدة في التحليل الطيفي للأشعة السينية من البروتينات أو البنية الدقيقة لامتصاص الأشعة السينية (XAFS).

يتم إصدار إشعاع السنكروترون بقوة أكبر بواسطة جزيئات أخف ، لذلك فإن هذه المسرعات هي معجلات إلكترونية دائمًا. يسمح إشعاع السنكروترون بالتصوير بشكل أفضل كما تم البحث والتطوير في SLAC's SPEAR. في المقابل ، يستخدم علماء فيزياء الجسيمات بشكل متزايد جزيئات أكثر ضخامة ، مثل البروتونات (أو النواة) ، في مسرعاتها للوصول إلى طاقات أعلى. هذه الجسيمات عبارة عن تركيبة من الكواركات والغلونات ، مما يجعل تحليل نتائج تفاعلاتها أكثر تعقيدًا ، وأيضًا اهتمامًا علميًا كبيرًا.

تاريخ السيكلوترونات

كانت أول مسرعات دائرية هي السيكلوترونات ، التي ابتكرها إرنست لورنس في جامعة كاليفورنيا في بيركلي عام 1929. تمتلك السيكلوترونات زوجًا واحدًا من الألواح المجوفة ذات الشكل D لتسريع الجزيئات ومغناطيس ثنائي القطب منفردًا لمنحنى مسار الجزيئات. يتم حقن الجسيمات في وسط الآلة الدائرية والدوامة إلى الخارج نحو محيط. نوع آخر من مسرع دائري ، اخترع في عام 1940 لتسريع الإلكترونات ، هو Betatron.

تصل السيكلوترونات إلى حد للطاقة بسبب التأثيرات النسبية في الطاقات العالية حيث تزداد سرعة تسارع الجسيمات. على الرغم من أن نظرية النسبية الخاصة تمنع المادة من السفر بشكل أسرع من سرعة الضوء في الفراغ ، إلا أن الجسيمات الموجودة في المعجل تسير عادةً بالقرب من سرعة الضوء. في مسرعات الطاقة العالية ، هناك تناقص في السرعة مع اقتراب الجسيم من سرعة الضوء. لذلك لا يفكر علماء فيزياء الجسيمات عمومًا من حيث السرعة ، ولكن من ناحية طاقة الجسيم ، التي تقاس عادةً بجهد إلكتروني (فولت) ، بدلاً من ذلك.

لم يعد بإمكان السيكلوترونات تسريع البروتونات عندما تصل إلى طاقة تبلغ حوالي 10 ملايين فولت إلكترون (10 ميجا فولت) ، لأن البروتونات تخرج من الطور مع مجال القيادة الكهربائي. يستمرون في التحرك نحو الخارج إلى دائرة نصف قطرها أكبر ، ولكن كما هو موضح أعلاه ، لم يعد كسب سرعة كافية لإكمال الدائرة الأكبر في أسرع وقت. ومع ذلك فهي مفيدة للتطبيقات "منخفضة الطاقة". هناك طرق للتعويض عن هذا إلى حد ما ، أي سيكلوكرون سيكلوترون وسيكلوترون متناظرة.

لجعل الطاقات أعلى ، لمليارات فولت الإلكترون (GeV) ، من الضروري استخدام السنكروترون. هذا عبارة عن مسرع يتم فيه احتواء الجزيئات في أنبوب على شكل دونات يسمى حلقة التخزين. يحتوي الأنبوب على العديد من المغناطيسات الموزعة حوله لتركيز الجزيئات ومنحنى مساراتها حول الأنبوب ، وتوزع تجويفات الميكروويف بطريقة مماثلة لتسريعها.

كان حجم سيكلوترون لورنس الأول يبلغ قطره 4 بوصات (100 ملم) فقط. Fermilab لديه حلقة مع مسار شعاع من 4 أميال (6 كم). كان أكبر مسرع دائري تم بناؤه على الإطلاق هو السنكروترون LEP في CERN ، بمحيط 26.6 كيلومترًا ، والذي كان عبارة عن مصادم إلكترون / بوزيترون. لقد تم تفكيكه وإعادة استخدام النفق تحت الأرض لمصادم بروتون / بروتون يسمى LHC. كان لمحطة Supercollider الفائقة (SSC) المجهضة في تكساس محيط 87 كم. بدأ البناء ولكن تم التخلي عنه بعد وقت طويل من الانتهاء. يتم بناء مسرعات دائرية كبيرة جدًا في أنفاق تحت الأرض بعرض بضعة أمتار لتقليل التعطل وتكلفة إنشاء مثل هذا الهيكل على السطح ، وتوفير الحماية ضد الإشعاع السنكروتروني المكثف.

تتضمن المسرعات الحالية مثل Spallation Neutron Source وحدات cryomodules فائقة التوصيل. يستفيد المصادم Relativistic Heavy Ion Collider و Colled Hadron Collider المرتقب من مغانط الموصلات الفائقة ورنانات تجويف RF لتسريع الجزيئات.

مغناطيس في synchrocyclotron في مركز Orsay proton للعلاج

الأهداف والكاشفات

يمكن بشكل عام توجيه إخراج مسرع الجسيمات نحو خطوط متعددة من التجارب ، واحدة في وقت معين ، بواسطة مغناطيس كهربائي منحرف. هذا يجعل من الممكن تشغيل تجارب متعددة دون الحاجة إلى تحريك الأشياء أو إيقاف تشغيل حزمة التسريع بأكملها. باستثناء مصادر إشعاع السنكروترون ، فإن الغرض من المسرع هو توليد جزيئات عالية الطاقة للتفاعل مع المادة.

عادة ما يكون هذا هدفًا ثابتًا ، مثل طلاء الفوسفور في الجزء الخلفي من الشاشة (في حالة أنبوب التلفزيون) ؛ قطعة من اليورانيوم في مسرع مصمم كمصدر نيوتروني ؛ أو هدف التنغستن لمولد الأشعة السينية. في linac ، يتم تثبيت الهدف ببساطة في نهاية المعجل. مسار الجسيمات في السيكلوترون هو حلزوني خارجي من مركز الآلة الدائرية ، لذلك تظهر الجسيمات المتسارعة من نقطة ثابتة ، تمامًا كما في مسرّع خطي.

بالنسبة إلى السنكروترونات ، فإن الوضع أكثر تعقيدًا. تتسارع الجسيمات إلى الطاقة المطلوبة. بعد ذلك ، يتم استخدام مغنطيس ثنائي القطب سريع المفعول لتحويل الجزيئات من أنبوب السنكروترون الدائري باتجاه الهدف.

الاختلاف الذي يشيع استخدامه في أبحاث فيزياء الجسيمات هو مصادم ، يُطلق عليه أيضًا "مصادم حلقة التخزين". بنيت اثنين من السنكروترونات دائرية في القرب عادة ، على رأس بعضها البعض واستخدام نفس المغناطيس (والتي هي في ذلك الحين من تصميم أكثر تعقيدا لاستيعاب كلا أنابيب شعاع). تنتقل مجموعات من الجزيئات في اتجاهين متعاكسين حول المعجلين وتتصادم عند التقاطعات بينهما. هذا يمكن أن يزيد من الطاقة بشكل كبير. في حين أن الطاقة المتاحة لإنتاج جزيئات جديدة في تجربة ثابتة الهدف تتناسب مع الجذر التربيعي لطاقة الحزمة ، في المصادمات تكون الطاقة المتاحة خطية.

الطاقات العليا

في الوقت الحالي ، فإن جميع معجلات الطاقة هي جميع المصادمات الدائرية ، لكن من المحتمل أن تكون قد تم التوصل إلى حدود فيما يتعلق بالتعويض عن خسائر الإشعاع السنكروترون بالنسبة لمسرعات الإلكترون ، ومن المحتمل أن يكون الجيل التالي من مسرعات خطية 10 أضعاف الطول الحالي. مثال على مسرع الإلكترون من الجيل التالي هو المصادم الخطي الدولي بطول 40 كم ، والذي سيتم بناؤه في الفترة ما بين 2015-2020.

اعتبارًا من عام 2005 ، يُعتقد أن تسارع نقطة انطلاق البلازما في شكل "احتراق" شعاع إلكتروني ونبضات ليزر مستقلة ستوفر زيادات هائلة في الكفاءة خلال عقدين إلى ثلاثة عقود. في مسرعات نقطة انطلاق البلازما ، يتم ملء تجويف الحزمة بالبلازما (بدلاً من الفراغ). نبض قصير من الإلكترونات أو ضوء الليزر يشكل أو يتتبع على الفور الجسيمات التي يتم تسريعها. تعمل النبضة على تعطيل البلازما ، مما يتسبب في اندماج الجزيئات المشحونة في البلازما والتحرك باتجاه الجزء الخلفي من مجموعة الجسيمات التي يتم تسريعها. تنقل هذه العملية الطاقة إلى مجموعة الجسيمات ، وتسارعها أكثر ، وتستمر طالما أن النبض متماسك.1

تم تحقيق تدرجات طاقة شديدة الانحدار تصل إلى 200 GeV / m على مسافات على نطاق ملليمتر باستخدام نبضات الليزر2 ويتم إنتاج التدرجات التي تقترب من 1 GeV / m على مقياس متعدد سنتيمترات مع أنظمة شعاع الإلكترون ، على عكس حد يبلغ حوالي 0.1 GeV / m لتسريع التردد اللاسلكي وحده. يمكن أن تستخدم مسرعات الإلكترونات الحالية ، مثل SLAC ، إشعاعات بعد شعاع الإلكترون لزيادة طاقة أشعة الجسيمات الخاصة بهم بشكل كبير ، على حساب شدة الحزمة. يمكن أن توفر أنظمة الإلكترون بشكل عام أشعة موثوقة محكمة الإغلاق ؛ أنظمة الليزر قد توفر المزيد من الطاقة والاكتناز. وبالتالي ، يمكن استخدام مسرعات إيقاع البلازما - إذا أمكن حل المشكلات الفنية - لزيادة الطاقة القصوى لأكبر المسرعات ولجلب الطاقات العالية إلى المختبرات الجامعية والمراكز الطبية.

إنتاج الثقب الأسود

في العقود القليلة القادمة ، قد تنشأ إمكانية إنتاج الثقب الأسود في أعلى معجلات الطاقة ، إذا كانت بعض التوقعات لنظرية الأوتار الفائقة دقيقة.3 إذا تم إنتاجها ، فيُعتقد أن الثقوب السوداء سوف تتبخر بسرعة كبيرة عن طريق إشعاع هوكينج. ومع ذلك ، فإن وجود إشعاع هوكينج مثير للجدل.4 ويعتقد أيضًا أن التشابه بين المصادمات والأشعة الكونية يدل على سلامة المصادم. إذا كان بإمكان المصادمات أن تنتج ثقوبًا سوداء ، فإن الأشعة الكونية (وخاصة الأشعة الكونية الفائقة الطاقة) كان من المفترض أن تنتج هذه الثقافات ، ولم تؤذي الأرض بعد.

ملاحظات

  1. ↑ ماثيو رايت وأول رايت ، ركوب موجة البلازما في المستقبل. التماثل: أبعاد فيزياء الجسيمات (Fermilab / SLAC). تم استرجاعه في 9 أكتوبر 2007.
  2. N ب.ن. Briezman ، وآخرون ، سائقي الجسيمات شعاع التركيز الذاتي لمسرعات ويكفيلد البلازما. تم استرجاعه في 9 أكتوبر 2007.
  3. Special موضوعات ESI الخاصة ، مقابلة مع الدكتور ستيف غيدينجز. تم استرجاعه في 9 أكتوبر 2007.
  4. ↑ آدم د. هيلفر ، هل تشع الثقوب السوداء؟ REPT. بروغ. فيز. 66: 943. تم استرجاعه في 9 أكتوبر 2007.

المراجع

  • فيدمان ، هلموت. 2007. فيزياء مسرع الجسيمات. نيويورك: سبرينغر. ISBN 3540490434
  • ويل ، كلاوس وجيسون مكفال. عام 2001. فيزياء مسرعات الجسيمات: مقدمة. نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 0198505493
  • ويلسون ، ج. عام 2001. مقدمة لتسريع الجسيمات. نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 0198508298

روابط خارجية

تم استرداد جميع الروابط في 16 يناير 2020.

  • بحوث مسرع الجسيمات
  • مسرعات الجسيمات في جميع أنحاء العالم.
  • بانوفسكي ، فولفجانج ك. 1997. تطور مسرعات الجسيمات ومصادمها. ستانفورد.
  • براينت ، P.J. 1994. لمحة تاريخية ومراجعة مسرعات. CERN.
  • كيستنبوم ، ديفيد. 2007. مسرع الجسيمات الضخمة. الإذاعة الوطنية العامة.
  • RTFTechnologies.org مسرع الجسيمات الكهروستاتيكية.

شاهد الفيديو: Inside The World's Largest Particle Accelerator (أبريل 2020).

Pin
Send
Share
Send