Pemecut zarah bercas. Sejarah ciptaan dan pengeluaran

Perpustakaan teknikal percuma

SEJARAH TEKNOLOGI, TEKNOLOGI, OBJEK DI SEKITAR KITA
Perpustakaan percuma / Buku Panduan / Sejarah teknologi, teknologi, objek di sekeliling kita

Pemecut zarah bercas. Sejarah ciptaan dan pengeluaran

Sejarah teknologi, teknologi, objek di sekeliling kita

Buku Panduan / Sejarah teknologi, teknologi, objek di sekeliling kita

Komen artikel

Fizik moden mempunyai cara yang dicuba dan diuji untuk menembusi rahsia nukleus atom - membedilnya dengan zarah atau menyinarinya dan lihat apa yang berlaku kepadanya. Untuk kajian pertama atom dan nukleusnya, tenaga sinaran yang timbul daripada pereputan semula jadi unsur radioaktif sudah mencukupi. Tetapi tidak lama lagi tenaga ini tidak mencukupi, dan untuk "melihat" lebih dalam ke dalam nukleus, ahli fizik terpaksa memikirkan cara mencipta aliran zarah tenaga tinggi secara buatan.

Adalah diketahui bahawa, setelah jatuh di antara elektrod dengan caj yang berbeza, zarah bercas, contohnya, elektron atau proton, mempercepatkan pergerakan di bawah tindakan daya elektrik. Fenomena ini menimbulkan idea pada tahun 1930-an untuk mencipta apa yang dipanggil pemecut linear.

Dengan reka bentuk, pemecut linear ialah ruang tiub lurus yang panjang, di dalamnya vakum dikekalkan. Sebilangan besar tiub-elektrod logam diletakkan di sepanjang keseluruhan ruang. Daripada penjana frekuensi tinggi khas, voltan elektrik berselang-seli digunakan pada elektrod - supaya apabila elektrod pertama dicas, katakan secara positif, elektrod kedua akan dicas negatif. Kemudian sekali lagi elektrod positif, diikuti oleh yang negatif.

pemecut zarah
Skim pemecut Wideröe dengan tiub penerbangan: 1 - tiub penerbangan; 2 - sumber voltan AC; 3 - kawasan tindakan medan elektrik E.

Pancaran elektron ditembakkan dari "senjata" elektron ke dalam ruang dan, di bawah tindakan potensi elektrod positif pertama, ia mula memecut, tergelincir lebih jauh melaluinya. Pada masa yang sama, fasa voltan bekalan berubah, dan elektrod, hanya dicas secara positif, menjadi negatif. Sekarang dia menolak elektron dari dirinya, seolah-olah mendesak mereka dari belakang. Dan elektrod kedua, setelah menjadi positif pada masa ini, menarik elektron kepada dirinya sendiri, mempercepatkannya lagi. Kemudian, apabila elektron terbang melaluinya, ia akan bertukar negatif semula dan menolaknya ke arah elektrod ketiga.

Jadi, apabila elektron bergerak ke hadapan, mereka secara beransur-ansur memecut, mencapai kelajuan hampir cahaya pada penghujung ruang dan memperoleh tenaga ratusan juta volt elektron. Melalui tingkap yang dipasang di hujung tiub, tidak boleh ditembusi ke udara, sebahagian daripada elektron dipercepatkan jatuh pada objek yang dikaji di dunia mikro - atom dan nukleusnya.

Adalah mudah untuk memahami bahawa lebih banyak tenaga yang kita ingin berikan kepada zarah, lebih panjang tiub pemecut linear sepatutnya - puluhan atau bahkan ratusan meter. Tetapi ini tidak selalu mungkin. Sekarang, jika anda melancarkan paip menjadi lingkaran padat. Kemudian pemecut seperti itu boleh diletakkan secara bebas di makmal.

Satu lagi fenomena fizikal membantu menghidupkan idea ini. Zarah bercas, sekali berada dalam medan magnet, mula bergerak bukan dalam garis lurus, tetapi "melengkung" di sekitar garis medan magnet. Oleh itu, satu lagi jenis pemecut muncul - siklotron. Siklotron pertama dibina pada tahun 1930 oleh E. Lawrence di Amerika Syarikat.

pemecut zarah
Cyclotron

Bahagian utama siklotron adalah elektromagnet yang kuat, di antara kutub yang diletakkan ruang silinder rata. Ia terdiri daripada dua kotak logam separuh bulatan yang dipisahkan oleh jurang kecil. Kotak ini - dees - berfungsi sebagai elektrod dan disambungkan ke kutub penjana voltan ulang-alik. Di tengah-tengah ruang adalah sumber zarah bercas - sesuatu seperti "pistol" elektronik.

pemecut zarah
Gambar rajah siklotron

Setelah diterbangkan keluar dari sumber, zarah (mari kita anggap bahawa ia kini merupakan proton bercas positif) serta-merta tertarik ke elektrod, yang kini bercas negatif. Tiada medan elektrik di dalam elektrod, jadi zarah terbang di dalamnya dengan inersia. Di bawah pengaruh medan magnet, garis daya yang berserenjang dengan satah trajektori, zarah menggambarkan separuh bulatan dan terbang ke celah antara elektrod. Pada masa ini, elektrod pertama menjadi positif dan kini menolak zarah keluar sementara yang lain menariknya masuk. Oleh itu, melalui satu dee ke yang lain, zarah mengambil kelajuan dan menggambarkan lingkaran yang tidak bergulung. Zarah dikeluarkan dari ruang dengan bantuan magnet khas pada sasaran penguji.

Semakin dekat kelajuan zarah dalam siklotron menghampiri kelajuan cahaya, semakin berat ia dan mula beransur-ansur ketinggalan di belakang tanda perubahan voltan elektrik pada dees. Mereka tidak lagi mengikut masa dengan daya elektrik dan berhenti memecut. Tenaga had yang boleh disampaikan kepada zarah dalam siklotron ialah 25-30 MeV.

Untuk mengatasi halangan ini, kekerapan voltan elektrik yang digunakan secara bergantian pada dees dikurangkan secara beransur-ansur, menyesuaikannya dengan rentak zarah "lebih berat". Pemecut jenis ini dipanggil synchrocyclotron.

Salah satu synchrocyclotrons terbesar di Institut Bersama Penyelidikan Nuklear di Dubna (dekat Moscow) menghasilkan proton dengan tenaga 680 MeV dan deuteron (nukleus hidrogen berat - deuterium) dengan tenaga 380 MeV. Untuk melakukan ini, perlu membina ruang vakum dengan diameter 3 meter dan elektromagnet seberat 7000 tan!

Apabila ahli fizik menembusi lebih dalam ke dalam struktur nukleus, zarah tenaga yang lebih tinggi dan lebih tinggi diperlukan. Ia menjadi perlu untuk membina pemecut yang lebih berkuasa - synchrotrons dan synchrophasotrons, di mana zarah bergerak bukan dalam lingkaran, tetapi dalam bulatan tertutup dalam ruang anulus. Pada tahun 1944, secara bebas antara satu sama lain, ahli fizik Soviet V.I. Veksler dan ahli fizik Amerika E.M. Macmillan menemui prinsip autofasa. Intipati kaedah adalah seperti berikut: jika medan dipilih dengan cara tertentu, zarah secara automatik akan jatuh ke dalam fasa dengan voltan pecutan sepanjang masa. Pada tahun 1952, saintis Amerika E. Courant, M. Livingston dan H. Snyder mencadangkan apa yang dipanggil fokus keras, yang menekan zarah ke paksi gerakan. Dengan bantuan penemuan ini, adalah mungkin untuk mencipta synchrophasotrons untuk tenaga yang tinggi secara sewenang-wenangnya.

Terdapat satu lagi sistem klasifikasi untuk pemecut - mengikut jenis medan elektrik yang memecut. Pemecut voltan tinggi berfungsi kerana perbezaan potensi tinggi antara elektrod ruang pecutan, yang beroperasi sepanjang masa semasa zarah terbang di antara elektrod. Dalam pemecut aruhan, medan elektrik vorteks "berfungsi", yang teraruh (teruja) di tempat di mana zarah berada pada masa ini. Dan, akhirnya, pemecut resonans menggunakan medan pecutan elektrik yang berbeza dalam masa dan magnitud, serentak dengannya, "menjadi resonans", keseluruhan "set" zarah dipercepatkan. Apabila bercakap tentang pemecut zarah tenaga tinggi moden, ia bermaksud terutamanya pemecut resonan cincin.

Dalam satu lagi jenis pemecut - proton - untuk tenaga yang sangat tinggi, menjelang akhir tempoh pecutan, kelajuan zarah menghampiri kelajuan cahaya. Mereka beredar dalam orbit bulat pada frekuensi tetap. Pemecut untuk proton bertenaga tinggi dipanggil proton synchrotrons. Tiga terbesar terletak di Amerika Syarikat, Switzerland dan Rusia.

Tenaga pemecut yang sedang beroperasi mencecah puluhan dan ratusan gigaelektronvolt (1 GeV = 1000 MeV). Salah satu yang terbesar di dunia ialah sinkrofasotron proton U-70 dari Institut Fizik Tenaga Tinggi di bandar Protvino berhampiran Moscow, yang mula beroperasi pada tahun 1967. Diameter cincin pecutan adalah satu setengah kilometer, jumlah jisim 120 bahagian magnetik mencapai 20000 tan. Setiap dua saat, pemecut menembak sasaran dengan voli 10 hingga kuasa kedua belas proton dengan tenaga 76 GeV (penunjuk keempat di dunia). Untuk mencapai tenaga ini, zarah mesti melengkapkan 400000 pusingan, meliputi jarak 60000 kilometer! Sebuah terowong cincin bawah tanah sepanjang dua puluh satu kilometer untuk pemecut baharu itu turut dibina di sini.

Menariknya, pelancaran pemecut di Dubna atau Protvino pada zaman Soviet hanya dilakukan pada waktu malam, kerana ia dibekalkan dengan hampir semua elektrik bukan sahaja di Moscow, tetapi juga di kawasan jiran!

Pada tahun 1973, ahli fizik Amerika menggunakan pemecut di bandar Batavia, di mana zarah berjaya memberikan tenaga sebanyak 400 GeV, dan kemudian membawanya sehingga 500 GeV. Hari ini, pemecut paling berkuasa terletak di Amerika Syarikat. Ia dipanggil "Tevatron" kerana dalam cincinnya lebih daripada enam kilometer panjang, dengan bantuan magnet superkonduktor, proton memperoleh tenaga kira-kira 1 teraelectronvolt (1 TeV bersamaan dengan 1000 GeV).

pemecut zarah
Pemandangan pusat pemecut Fermilab, Amerika Syarikat. Tevatron (cincin di latar belakang) dan cincin penyuntik

Untuk mencapai tenaga interaksi yang lebih tinggi dari pancaran zarah dipercepatkan dengan bahan objek fizikal yang dikaji, adalah perlu untuk menyebarkan "sasaran" ke arah "projektil". Untuk melakukan ini, atur perlanggaran rasuk zarah yang terbang ke arah satu sama lain dalam pemecut khas - pelanggar. Sudah tentu, ketumpatan zarah dalam rasuk berlanggar tidak setinggi dalam bahan "sasaran" pegun, jadi akumulator yang dipanggil digunakan untuk meningkatkannya. Ini adalah ruang vakum anulus di mana zarah dibuang "dalam bahagian" dari pemecut. Akumulator dilengkapi dengan sistem pecutan yang mengimbangi kehilangan tenaga zarah. Ia adalah dengan colliders bahawa saintis mengaitkan perkembangan selanjutnya pemecut. Setakat ini, hanya beberapa daripada mereka telah dibina, dan mereka terletak di negara-negara paling maju di dunia - di Amerika Syarikat, Jepun, Jerman, serta di Pusat Penyelidikan Nuklear Eropah, yang berpangkalan di Switzerland.

Pemecut moden ialah "kilang" untuk penghasilan rasuk zarah yang sengit - elektron atau proton 2000 kali lebih berat. Pancaran zarah daripada pemecut diarahkan kepada "sasaran" yang dipilih berdasarkan tugasan eksperimen. Apabila berlanggar dengannya, pelbagai zarah sekunder dihasilkan. Kelahiran zarah baru adalah tujuan eksperimen.

Dengan bantuan peranti khas - pengesan - zarah ini atau jejaknya didaftarkan, trajektori pergerakan dipulihkan, jisim zarah, cas elektrik, kelajuan dan ciri lain ditentukan. Kemudian, dengan pemprosesan maklumat matematik yang kompleks yang diterima daripada pengesan, keseluruhan "sejarah" interaksi dipulihkan pada komputer dan, dengan membandingkan keputusan pengukuran dengan model teori, kesimpulan dibuat sama ada proses sebenar bertepatan dengan model yang dibina atau tidak. . Ini adalah bagaimana pengetahuan baru tentang sifat zarah intranuklear diperolehi.

Semakin tinggi tenaga yang diperolehi oleh zarah dalam pemecut, semakin kuat ia mempengaruhi atom "sasaran" atau zarah balas dalam pelanggar, semakin kecil "serpihan" itu.

Dengan bantuan pelanggar di Amerika Syarikat, sebagai contoh, eksperimen sedang dijalankan dengan tujuan untuk mencipta semula Big Bang dalam keadaan makmal, dari mana alam semesta kita sepatutnya bermula. Ahli fizik dari dua puluh negara mengambil bahagian dalam eksperimen berani ini, di antaranya adalah wakil Rusia. Kumpulan Rusia pada musim panas tahun 2000 secara langsung mengambil bahagian dalam eksperimen, bertugas di pemecut, dan mengambil data.

Inilah yang dikatakan oleh salah seorang saintis Rusia - peserta dalam eksperimen ini - Calon Sains Fizikal dan Matematik, Profesor Madya MEPhI Valery Mikhailovich Emelyanov: "60 batu dari New York, di Long Island, pemecut RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider - dibina di atas ion relativistik berat. "Berat" - sejak tahun ini dia mula bekerja dengan rasuk nukleus atom emas. "Relativistik" - juga boleh difahami, kita bercakap tentang kelajuan di mana kesan relativiti khas menampakkan diri dalam semua mereka. kemuliaan. Dan "pelanggar" (dari perlanggaran - perlanggaran) ia dipanggil kerana dalam cincinnya terdapat perlanggaran rasuk nukleus yang berlanggar. Dengan cara ini, di negara kita tidak ada pemecut jenis ini. Tenaga yang jatuh pada satu nukleon ialah 100 GeV. Ini banyak - hampir dua kali ganda lebih banyak daripada yang dicapai sebelum ini. Perlanggaran fizikal pertama direkodkan pada 25 Jun 2000." Tugas saintis adalah untuk cuba mendaftarkan keadaan baru bahan nuklear - plasma quark-gluon.

"Tugasnya sangat rumit," sambung Emelyanov, "dan secara matematik ia secara amnya tidak betul: taburan tetap zarah sekunder yang sama dari segi momenta dan halaju boleh mempunyai punca yang berbeza. Dan hanya dalam eksperimen terperinci yang melibatkan banyak pengesan , kalorimeter, pengesan kepelbagaian zarah bercas, pembilang yang mendaftarkan sinaran peralihan, dsb., terdapat harapan untuk mendaftarkan perbezaan paling halus yang wujud dalam plasma quark-gluon. Mekanisme interaksi nukleus pada tenaga yang tinggi itu sendiri menarik, tetapi yang lebih penting, buat pertama kalinya di makmal meneroka asal usul alam semesta kita."

Pengarang: Musskiy S.A.

Kami mengesyorkan artikel yang menarik bahagian Sejarah teknologi, teknologi, objek di sekeliling kita:

▪ Pemecah ais

▪ Kapal motor

▪ Lampu pijar

Lihat artikel lain bahagian Sejarah teknologi, teknologi, objek di sekeliling kita.

Baca dan tulis berguna komen pada artikel ini.

<< Belakang

Berita terkini sains dan teknologi, elektronik baharu:

Kulit tiruan untuk emulasi sentuhan 15.04.2024

Dalam dunia teknologi moden di mana jarak menjadi semakin biasa, mengekalkan hubungan dan rasa dekat adalah penting. Perkembangan terkini dalam kulit tiruan oleh saintis Jerman dari Universiti Saarland mewakili era baharu dalam interaksi maya. Penyelidik Jerman dari Universiti Saarland telah membangunkan filem ultra nipis yang boleh menghantar sensasi sentuhan dari jauh. Teknologi canggih ini menyediakan peluang baharu untuk komunikasi maya, terutamanya bagi mereka yang mendapati diri mereka jauh daripada orang tersayang. Filem ultra-nipis yang dibangunkan oleh penyelidik, hanya 50 mikrometer tebal, boleh disepadukan ke dalam tekstil dan dipakai seperti kulit kedua. Filem ini bertindak sebagai penderia yang mengenali isyarat sentuhan daripada ibu atau ayah, dan sebagai penggerak yang menghantar pergerakan ini kepada bayi. Ibu bapa yang menyentuh fabrik mengaktifkan penderia yang bertindak balas terhadap tekanan dan mengubah bentuk filem ultra-nipis. ini ...>>

Petgugu Global kotoran kucing 15.04.2024

Menjaga haiwan peliharaan selalunya boleh menjadi satu cabaran, terutamanya dalam hal menjaga kebersihan rumah anda. Penyelesaian menarik baharu daripada pemula Global Petgugu telah dipersembahkan, yang akan menjadikan kehidupan lebih mudah bagi pemilik kucing dan membantu mereka memastikan rumah mereka bersih dan kemas dengan sempurna. Startup Petgugu Global telah melancarkan tandas kucing unik yang boleh menyiram najis secara automatik, memastikan rumah anda bersih dan segar. Peranti inovatif ini dilengkapi dengan pelbagai sensor pintar yang memantau aktiviti tandas haiwan kesayangan anda dan diaktifkan untuk membersihkan secara automatik selepas digunakan. Peranti ini bersambung ke sistem pembetung dan memastikan penyingkiran sisa yang cekap tanpa memerlukan campur tangan daripada pemilik. Selain itu, tandas mempunyai kapasiti storan boleh siram yang besar, menjadikannya sesuai untuk isi rumah berbilang kucing. Mangkuk sampah kucing Petgugu direka bentuk untuk digunakan dengan sampah larut air dan menawarkan pelbagai jenis tambahan ...>>

Daya tarikan lelaki penyayang 14.04.2024

Stereotaip bahawa wanita lebih suka "budak jahat" telah lama tersebar luas. Walau bagaimanapun, penyelidikan baru-baru ini yang dijalankan oleh saintis British dari Universiti Monash menawarkan perspektif baru mengenai isu ini. Mereka melihat bagaimana wanita bertindak balas terhadap tanggungjawab emosi lelaki dan kesanggupan untuk membantu orang lain. Penemuan kajian itu boleh mengubah pemahaman kita tentang perkara yang menjadikan lelaki menarik kepada wanita. Kajian yang dijalankan oleh saintis dari Universiti Monash membawa kepada penemuan baharu tentang daya tarikan lelaki kepada wanita. Dalam eksperimen itu, wanita ditunjukkan gambar lelaki dengan cerita ringkas tentang tingkah laku mereka dalam pelbagai situasi, termasuk reaksi mereka terhadap pertemuan dengan gelandangan. Sebahagian daripada lelaki itu tidak mengendahkan gelandangan itu, manakala yang lain membantunya, seperti membelikan dia makanan. Kajian mendapati lelaki yang menunjukkan empati dan kebaikan lebih menarik perhatian wanita berbanding lelaki yang menunjukkan empati dan kebaikan. ...>>

Berita rawak daripada Arkib

Teknologi membentuk kekunci fizikal pada paparan sentuh 26.04.2014

Pada tahun 2012, Tactus menunjukkan teknologi yang membolehkan paparan skrin sentuh membentuk kekunci fizikal terus pada permukaannya. Prinsip teknologi terletak pada lapisan permukaan khas, yang, sebagai contoh, boleh menggantikan lapisan kaca atas paparan. Di dalam lapisan terdapat saluran mikro dengan cecair, yang, atas arahan, membentuk kunci jika perlu.

Melalui perkongsian dengan Wistron, teknologi Tactus akan berada di pasaran akhir tahun ini. Pada mulanya, ia akan dilaksanakan dalam kes khas untuk tablet mini iPad. Tetapi sudah pada awal tahun depan, syarikat itu berhasrat untuk melancarkan perantinya sendiri di pasaran, dilengkapi dengan paparan dengan teknologi reka bentuknya sendiri.

Menurut syarikat itu, melengkapkan peranti mudah alih dengan teknologi sedemikian secara praktikalnya tidak akan menjejaskan sama ada penggunaan kuasa atau sifat optik dan sentuhan paparan.

Berita menarik lain:

▪ Robot penerokaan angkasa lepas berkuasa mikrob

▪ Penghantaran kargo angkasa menggunakan tiub vakum

▪ Kamiran empat saluran ULF Toshiba TCB701FNG

▪ Penderia kamera telefon mikron

▪ Modul Quectel UC3T 2G/200G/GPRS

Suapan berita sains dan teknologi, elektronik baharu

Bahan-bahan menarik Perpustakaan Teknikal Percuma:

▪ bahagian tapak Teknologi inframerah. Pemilihan artikel

▪ artikel Setiap pahlawan mesti memahami gerakannya. Ungkapan popular

▪ artikel Mengapa tenis meja salah dipanggil ping-pong? Jawapan terperinci

▪ artikel Licorice licin. Legenda, penanaman, kaedah aplikasi