Ik wil alles weten

Deeltjesversneller

Pin
Send
Share
Send


Een proton en anti-proton botsen in een energieversneller. Hun massa-energie en kinetische energie zijn getransformeerd in een regen van allerlei deeltjes.

Het basisprincipe achter de deeltjesversneller is eenvoudig: laat de dingen met hoge energie tegen elkaar botsen en ontdek wat eruit komt.

In 1909 ontdekte Ernest Rutherford dat het atoom bestaat uit een kleine, massieve, positief geladen kern omringd door een golvende wolk van lichtelektronen die 10.000 keer zo groot is. Om de structuur van deze atoomkern te begrijpen, hebben wetenschappers in de jaren daarna verschillende 'sondes' ontwikkeld - het nuttigst zijn het elektrisch neutrale neutron en een verscheidenheid aan elektrisch geladen deeltjes. Aangezien het neutron niet wordt afgestoten door de nucleaire lading, doen lage snelheden het prima als sondes (zie kernsplijting). Geladen deeltjes dringen echter het best door wanneer ze zeer energiek zijn. De energie van dergelijke sondes oppompen is de rol van de deeltjesversneller.

De allereerste hoogenergetische sondes werden door de natuur geleverd, in termen van de alfa-, bèta- en gammastralen van radioactieve elementen. In feite gebruikte Rutherford de hoogenergetische alfa uit radium als een sonde om zijn model van het atoom vast te stellen. Hoewel kosmische stralen zijn gebruikt (en nog steeds) worden gebruikt als sondes - het positron werd op deze manier ontdekt - zijn bijna alle vorderingen in de deeltjesfysica gemaakt met behulp van kunstmatige versnellers met steeds groter vermogen.

Naarmate de kracht van de sondes toenam, werd een overvloed aan deeltjes ontdekt, die zich ontwikkelden tot een zogenaamde 'deeltjesdierentuin'. Uiteindelijk werden ze allemaal georganiseerd volgens een systeem dat het standaardmodel werd genoemd. In de atoombom wordt materie omgezet in energie; in een deeltjesversneller met hoge energie wordt energie omgezet in materie.

Een deeltjesversneller gebruikt elektrische velden om elektrisch geladen deeltjes naar hoge snelheden te duwen en te bevatten. Een gewoon CRT-televisietoestel is een eenvoudige vorm van een versneller.

Er zijn twee basistypen versnellers: lineair en circulair. Beide ontwerpen hebben beperkingen. Hoe langer een lineaire versneller is, hoe hoger de energie die kan worden gegeven, dus de grenzen worden bepaald door de praktische lengte. In een cirkelvormig ontwerp is de lengte onbegrensd. De grenzen hier ontstaan ​​omdat elektrische ladingen in cirkels gaan en ervoor zorgen dat ze energie afwerpen. Naarmate ze versnellen, wordt meer energie afgestoten, totdat ze uiteindelijk net zo snel energie afgeven als erin kan worden gepompt.

Een één-fase 2 MeV lineaire Van de Graaff-versneller uit de jaren 60, hier geopend voor onderhoud.

Lineaire versnellers

In een lineaire versneller (linac) worden deeltjes versneld in een rechte lijn met een interessant doel aan één uiteinde.

Bundellijnen die van de Van de Graaff-versneller naar verschillende experimenten leiden, in de kelder van de Jussieu Campus in Parijs.

Lineaire energieversnellers gebruiken een lineaire reeks platen (of driftbuizen) waarop een wisselend energieveld wordt toegepast. Naarmate de deeltjes een plaat naderen, worden ze ernaartoe versneld door een lading op de plaat met tegengestelde polariteit. Terwijl ze door een gat in de plaat gaan, wordt de polariteit omgeschakeld zodat de plaat ze nu afstoot en ze daardoor worden versneld naar de volgende plaat. Normaal wordt een stroom van "trossen" van deeltjes versneld, dus een zorgvuldig gecontroleerde wisselspanning wordt op elke plaat aangelegd om dit continu voor elke tros te herhalen.

In vroege deeltjesversnellers was een Cockcroft-Walton-spanningsvermenigvuldiger verantwoordelijk voor spanningsvermenigvuldiging. Dit stukje gaspedaal hielp bij de ontwikkeling van de atoombom. Gebouwd in 1937 door Philips uit Eindhoven, bevindt het zich momenteel in het National Science Museum in Londen, Engeland.

Naarmate de deeltjes de snelheid van het licht naderen, wordt de schakelsnelheid van de elektrische velden zo hoog dat ze op microgolffrequenties werken, en dus worden resonanties met RF-holte gebruikt in machines met hogere energie in plaats van eenvoudige platen.

DC-acceleratortypen die deeltjes kunnen versnellen tot voldoende snelheid om nucleaire reacties te veroorzaken, zijn Cockcroft-Walton-generatoren, of spanningsvermenigvuldigers, die AC omzetten in hoogspanning DC, of ​​Van de Graaff-generatoren die statische elektriciteit gebruiken die door riemen wordt gedragen.

De grootste en krachtigste deeltjesversnellers, zoals de RHIC, de LHC (gepland om in 2008 te starten) en de Tevatron, worden gebruikt voor experimentele deeltjesfysica.

Deeltjesversnellers kunnen ook protonenbundels produceren, die "proton-zwaar" onderzoek of medische isotopen kunnen produceren, in tegenstelling tot de "neutronen-zware" gemaakt in splijtingsreactoren. Een voorbeeld van dit type machine is LANSCE in Los Alamos.

Voorbeelden

Dagelijkse voorbeelden van deeltjesversnellers zijn die in televisietoestellen en röntgengeneratoren. Lage-energieversnellers, zoals kathodestraalbuizen en röntgengeneratoren, gebruiken een enkel paar elektroden met een gelijkspanning van enkele duizenden volt daartussen. In een röntgengenerator is het doel zelf een van de elektroden. Een deeltjesversneller met lage energie, een ionenimplantator, wordt gebruikt bij de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen.

Linacs worden zeer veel gebruikt. Ze worden ook gebruikt om deeltjes een eerste lage energie-kick te geven voordat ze in circulaire versnellers worden geïnjecteerd. De langste linac ter wereld is de Stanford Linear Accelerator, SLAC, die 3 km lang is. SLAC is een elektron-positron-botser.

Lineaire versnellers worden ook veel gebruikt in de geneeskunde, voor radiotherapie en radiochirurgie. Linacs van medische kwaliteit versnellen elektronen met behulp van een klystron en een complexe buigmagneetopstelling, die een straal produceert van 6-30 miljoen elektronen-volt (MeV) energie. De elektronen kunnen direct worden gebruikt of ze kunnen tegen een doel botsen om een ​​bundel röntgenstralen te produceren. De betrouwbaarheid, flexibiliteit en nauwkeurigheid van de geproduceerde stralingsbundel heeft het oudere gebruik van Cobalt-60-therapie als behandelingsmiddel grotendeels vervangen.

Elektrostatische versnellers achter elkaar

In een tandemversneller krijgt het negatief geladen ion energie door aantrekking tot de zeer hoge positieve spanning in het geometrische centrum van het drukvat. Wanneer het aankomt in het middengebied dat bekend staat als de hoogspanningsaansluiting, worden sommige elektronen uit het ion gestript. Het ion wordt dan positief en versnelt weg door de hoge positieve spanning. Aldus wordt dit type versneller een "tandem" versneller genoemd. Het gaspedaal heeft twee versnellingsfasen, eerst trekken en vervolgens de geladen deeltjes duwen. Een voorbeeld van een tandemversneller is ANTARES (Australian National Tandem Accelerator for Applied Research).

Circulaire versnellers

De deeltjesversneller aan het Weizmann Institute of Science, Rehovot.Luchtfoto van FermilabSegment van een deeltjesversneller bij DESY

In de cirkelvormige versneller bewegen deeltjes in een cirkel totdat ze voldoende energie bereiken. Het deeltjesspoor wordt typisch in een cirkel gebogen met behulp van elektromagneten. Het voordeel van circulaire versnellers ten opzichte van lineaire versnellers is dat de ringtopologie continue versnelling mogelijk maakt, omdat het deeltje voor onbepaalde tijd kan doorgaan. Een ander voordeel is dat een cirkelvormige versneller relatief kleiner is dan een lineaire versneller met vergelijkbaar vermogen (d.w.z. een linac zou extreem lang moeten zijn om het equivalente vermogen van een cirkelvormige versneller te hebben).

Afhankelijk van de energie en het deeltje dat wordt versneld, hebben circulaire versnellers het nadeel dat de deeltjes synchrotronstraling uitzenden. Wanneer een geladen deeltje wordt versneld, straalt het zowel elektromagnetische straling als secundaire emissies uit. Omdat een deeltje dat in een cirkel reist, altijd naar het midden van de cirkel versnelt, straalt het continu naar de raaklijn van de cirkel. Deze straling wordt synchrotronlicht genoemd en is sterk afhankelijk van de massa van het versnellende deeltje. Om deze reden zijn veel hoogenergetische elektronenversnellers linacs.

Synchrotron straling

Het afwerpen van energie door elektrische deeltjes die worden gebogen, wordt synchrotronstraling genoemd. Hoe strakker de curve, hoe groter de energieverlies, daarom zijn cirkelvormige versnellers zo groot mogelijk, waardoor de kromming wordt geminimaliseerd.

Sommige circulaire versnellers zijn gebouwd om opzettelijk straling (synchrotronlicht genoemd) te genereren als röntgenstralen, bijvoorbeeld de Diamond Light Source die wordt gebouwd in het Rutherford Appleton Laboratory in Engeland of de Advanced Photon Source in Argonne National Laboratory in Illinois. Röntgenstralen met hoge energie zijn nuttig voor röntgenspectroscopie van eiwitten of fijne structuur voor röntgenabsorptie (XAFS).

Synchrotronstraling wordt krachtiger uitgezonden door lichtere deeltjes, dus deze versnellers zijn steevast elektronenversnellers. Synchrotron-straling zorgt voor betere beeldvorming zoals onderzocht en ontwikkeld bij SPAC van SLAC. Deeltjesfysici daarentegen gebruiken in toenemende mate massievere deeltjes, zoals protonen (of kernen), in hun versnellers om hogere energieën te bereiken. Deze deeltjes zijn composieten van quarks en gluonen, waardoor het analyseren van de resultaten van hun interacties veel gecompliceerder en ook van veel wetenschappelijk belang is.

Geschiedenis van cyclotrons

De eerste circulaire versnellers waren cyclotrons, uitgevonden in 1929 door Ernest O. Lawrence aan de Universiteit van Californië, Berkeley. Cyclotrons hebben een enkel paar holle, D-vormige platen om de deeltjes te versnellen en een enkele dipoolmagneet om het spoor van de deeltjes te krommen. De deeltjes worden in het midden van de cirkelvormige machine geïnjecteerd en spiraalvormig naar buiten toe naar de omtrek. Een ander type circulaire versneller, uitgevonden in 1940 voor het versnellen van elektronen, is de Betatron.

Cyclotrons bereiken een energielimiet vanwege de relativistische effecten bij hoge energieën waardoor deeltjes moeilijker te versnellen worden. Hoewel de speciale relativiteitstheorie belet dat materie sneller reist dan de snelheid van het licht in een vacuüm, reizen de deeltjes in een versneller normaal gesproken zeer dicht bij de snelheid van het licht. In hoog-energieversnellers is er een afnemende snelheidswinst wanneer het deeltje de snelheid van het licht nadert. Daarom denken deeltjesfysici in het algemeen niet in termen van snelheid, maar eerder in termen van de energie van een deeltje, meestal gemeten in elektronenvolt (eV).

Cyclotrons kunnen niet langer protonen versnellen wanneer ze een energie van ongeveer 10 miljoen elektronenvolt (10 MeV) hebben bereikt, omdat de protonen uit fase raken met het aansturende elektrische veld. Ze blijven spiraalvormig naar buiten lopen naar een grotere straal, maar, zoals hierboven uitgelegd, krijgen ze niet langer voldoende snelheid om de grotere cirkel zo snel te voltooien. Ze zijn niettemin nuttig voor toepassingen met "lagere energie". Er zijn manieren om dit tot op zekere hoogte te compenseren, namelijk de synchrocyclotron en de isochrone cyclotron.

Om de energieën nog hoger te maken, tot miljarden elektronenvolt (GeV), is het noodzakelijk om een ​​synchrotron te gebruiken. Dit is een versneller waarin de deeltjes zich bevinden in een donutvormige buis, een opslagring genoemd. De buis heeft veel magneten eromheen verdeeld om de deeltjes te focussen en hun sporen rond de buis te buigen, en microgolfholtes op dezelfde manier verdeeld om ze te versnellen.

De grootte van Lawrence's eerste cyclotron had een diameter van slechts 4 inch (100 mm). Fermilab heeft een ring met een straalpad van 4 mijl (6 km). De grootste circulaire versneller die ooit werd gebouwd, was de LEP-synchrotron op CERN, met een omtrek van 26,6 kilometer, die een elektron / positron-botser was. Het is ontmanteld en de ondergrondse tunnel wordt hergebruikt voor een proton / proton-botser genaamd de LHC. De afgebroken Superconducting Supercollider (SSC) in Texas zou een omtrek van 87 km hebben gehad. De bouw werd gestart, maar deze werd vervolgens ruim voor de voltooiing ervan verlaten. Zeer grote cirkelvormige versnellers worden steevast gebouwd in ondergrondse tunnels van een paar meter breed om de verstoring en kosten van het bouwen van een dergelijke structuur op het oppervlak te minimaliseren en om bescherming te bieden tegen de intense synchrotronstraling.

Huidige versnellers zoals de Spallation Neutron Source, bevatten supergeleidende cryomodules. De relativistische Heavy Ion Collider en de aanstaande Large Hadron Collider maken ook gebruik van supergeleidende magneten en RF-holteresonators om deeltjes te versnellen.

Een magneet in het synchrocyclotron in het protontherapiecentrum van Orsay

Doelen en detectoren

De output van een deeltjesversneller kan in het algemeen worden gericht op meerdere experimenten, één voor één, door middel van een afwijkende elektromagneet. Dit maakt het mogelijk om meerdere experimenten uit te voeren zonder dingen te verplaatsen of de hele versnellingsstraal uit te schakelen. Behalve synchrotronstralingsbronnen, is het doel van een versneller het genereren van energierijke deeltjes voor interactie met materie.

Dit is meestal een vast doel, zoals de fosforcoating op de achterkant van het scherm (in het geval van een televisiebuis); een stuk uranium in een versneller ontworpen als een neutronenbron; of een wolfraamdoel voor een röntgengenerator. In een linac wordt het doel eenvoudig aan het uiteinde van het gaspedaal bevestigd. Het deeltjesspoor in een cyclotron is een spiraal naar buiten vanuit het midden van de cirkelvormige machine, dus de versnelde deeltjes komen uit een vast punt, net als in een lineaire versneller.

Voor synchrotrons is de situatie complexer. Deeltjes worden versneld tot de gewenste energie. Vervolgens wordt een snelwerkende dipoolmagneet gebruikt om de deeltjes uit de cirkelvormige synchrotronbuis naar het doel te schakelen.

Een variatie die gewoonlijk wordt gebruikt voor deeltjesfysisch onderzoek is een botser, ook wel een "opslagring-botser" genoemd. Twee cirkelvormige synchrotrons zijn in dichte nabijheid gebouwd - meestal op elkaar en met dezelfde magneten (die vervolgens een meer gecompliceerd ontwerp hebben om beide straalbuizen te huisvesten). Trossen deeltjes bewegen in tegengestelde richtingen rond de twee versnellers en botsen op kruispunten daartussen. Dit kan de energie enorm verhogen; terwijl in een experiment met een vast doel de beschikbare energie om nieuwe deeltjes te produceren evenredig is met de vierkantswortel van de bundelenergie, in een botser is de beschikbare energie lineair.

Hogere energieën

Op dit moment zijn de hoogste energieversnellers allemaal circulaire botsers, maar het is waarschijnlijk dat limieten zijn bereikt met betrekking tot het compenseren van synchrotronstralingsverliezen voor elektronenversnellers, en de volgende generatie zal waarschijnlijk lineaire versnellers zijn 10 keer de huidige lengte. Een voorbeeld van zo'n elektronenversneller van de volgende generatie is de 40 km lange International Linear Collider, die tussen 2015-2020 moet worden gebouwd.

Vanaf 2005 wordt aangenomen dat plasma-wakefield-versnelling in de vorm van elektronenstraal "naverbranders" en standalone laserpulsen binnen twee tot drie decennia een dramatische toename van de efficiëntie zal bieden. In plasma-wakefield-versnellers wordt de straalholte gevuld met een plasma (in plaats van vacuüm). Een korte puls van elektronen of laserlicht vormt of onmiddellijk de deeltjes die worden versneld. De puls verstoort het plasma, waardoor de geladen deeltjes in het plasma worden geïntegreerd in en zich verplaatsen naar de achterkant van de groep deeltjes die worden versneld. Dit proces draagt ​​energie over aan de deeltjesbundel, versnelt het verder en gaat door zolang de puls coherent is.1

Met laserpulsen zijn energiegradiënten tot 200 GeV / m bereikt over afstanden op millimeterschaal2 en gradiënten die 1 GeV / m naderen worden geproduceerd op de multi-centimeter-schaal met elektronenstraalsystemen, in tegenstelling tot een limiet van ongeveer 0,1 GeV / m voor alleen radiofrequentieversnelling. Bestaande elektronenversnellers zoals SLAC zouden elektronenbundel-naverbranders kunnen gebruiken om de energie van hun deeltjesbundels sterk te verhogen, ten koste van de bundelintensiteit. Elektronsystemen kunnen in het algemeen strak gecollimeerde, betrouwbare stralen leveren; lasersystemen bieden mogelijk meer kracht en compactheid. Zo kunnen plasma-wakefield-versnellers worden gebruikt - als technische problemen kunnen worden opgelost - om zowel de maximale energie van de grootste versnellers te verhogen als om hoge energieën naar universitaire laboratoria en medische centra te brengen.

Productie van zwarte gaten

In de komende decennia kan de mogelijkheid van productie van zwarte gaten bij de hoogste energieversnellers ontstaan, als bepaalde voorspellingen van de superstring-theorie juist zijn.3 Als ze worden geproduceerd, wordt gedacht dat zwarte gaten extreem snel zouden verdampen via Hawking-straling. Het bestaan ​​van Hawking-straling is echter controversieel.4 Er wordt ook gedacht dat een analogie tussen botsers en kosmische straling de veiligheid van botsers aantoont. Als botsers zwarte gaten kunnen produceren, zouden kosmische straling (en in het bijzonder ultrahoog energetische kosmische straling) ze al eeuwen moeten produceren, en ze moeten de aarde nog schade toebrengen.

Notes

  1. ↑ Matthew Wright en Early Wright, rijden op de plasmagolf van de toekomst. Symmetrie: afmetingen van deeltjesfysica (Fermilab / SLAC). Ontvangen 9 oktober 2007.
  2. ↑ B.N. Briezman, et al, Self-Focused Particle Beam Drivers voor Plasma Wakefield Accelerators. Ontvangen 9 oktober 2007.
  3. ↑ ESI Special Topics, een interview met Dr. Steve Giddings. Ontvangen 9 oktober 2007.
  4. ↑ Adam D. Helfer, stralen zwarte gaten uit? Rept. Prog. Phys. 66: 943. Ontvangen 9 oktober 2007.

Referenties

  • Wiedemann, Helmut. 2007. Fysica van deeltjesversnellers. New York: Springer. ISBN 3540490434
  • Wille, Klaus en Jason McFall. 2001. De fysica van deeltjesversnellers: een inleiding. New York: Oxford University Press. ISBN 0198505493
  • Wilson, E.J.N. 2001. Een inleiding tot deeltjesversnellers. New York: Oxford University Press. ISBN 0198508298

Externe links

Alle links opgehaald op 16 januari 2019.

  • Onderzoek naar deeltjesversnellers
  • Deeltjesversnellers over de hele wereld.
  • Panofsky, Wolfgang K.H. 1997. De evolutie van deeltjesversnellers & colliders. Stanford.
  • Bryant, P.J. 1994. Een korte geschiedenis en overzicht van versnellers. CERN.
  • Kestenbaum, David. 2007. Massale deeltjesversneller draait omhoog. NPR.
  • RTFTechnologies.org Elektrostatische deeltjesversneller.

Bekijk de video: Op zoek naar de kern - Deel 1: De deeltjesversneller van CERN (September 2020).

Pin
Send
Share
Send