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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Beschleuniger für geladene Teilchen. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Die moderne Physik hat einen erprobten Weg, um in die Geheimnisse des Atomkerns einzudringen – beschießt ihn mit Teilchen oder bestrahlt ihn und schaut, was mit ihm passiert. Für die allerersten Untersuchungen des Atoms und seines Kerns reichte die Strahlungsenergie aus, die beim natürlichen Zerfall radioaktiver Elemente entsteht. Doch schon bald reichte diese Energie nicht mehr aus, und um noch tiefer in den Kern zu „blicken“, mussten sich die Physiker Gedanken darüber machen, wie man künstlich einen Strom hochenergetischer Teilchen erzeugt. Es ist bekannt, dass ein geladenes Teilchen, beispielsweise ein Elektron oder ein Proton, nachdem es zwischen Elektroden mit unterschiedlichen Ladungen gefallen ist, die Bewegung unter der Wirkung elektrischer Kräfte beschleunigt. Aus diesem Phänomen entstand in den 1930er Jahren die Idee, den sogenannten Linearbeschleuniger zu bauen. Ein Linearbeschleuniger ist konstruktionsbedingt eine lange, gerade Röhrenkammer, in der ein Vakuum aufrechterhalten wird. Über die gesamte Länge der Kammer ist eine große Anzahl von Metallrohrelektroden angeordnet. Von einem speziellen Hochfrequenzgenerator wird an die Elektroden eine elektrische Wechselspannung angelegt – so dass bei einer beispielsweise positiven Aufladung der ersten Elektrode die zweite Elektrode negativ geladen wird. Dann wieder die positive Elektrode, gefolgt von der negativen.
Ein Elektronenstrahl wird von der Elektronenkanone in die Kammer geschossen und beginnt sich unter der Wirkung des Potentials der ersten positiven Elektrode zu beschleunigen und gleitet weiter durch sie hindurch. Gleichzeitig ändert sich die Phase der Versorgungsspannung und die gerade positiv geladene Elektrode wird negativ. Jetzt stößt er Elektronen von sich ab, als würde er sie von hinten antreiben. Und die zweite Elektrode, die während dieser Zeit positiv geworden ist, zieht Elektronen an sich und beschleunigt sie noch mehr. Wenn die Elektronen dann hindurchfliegen, wird es wieder negativ und drückt sie zur dritten Elektrode. Wenn sich also die Elektronen vorwärts bewegen, beschleunigen sie allmählich, erreichen am Ende der Kammer fast Lichtgeschwindigkeit und nehmen eine Energie von Hunderten Millionen Elektronenvolt an. Durch ein am Ende der Röhre installiertes, luftundurchlässiges Fenster fällt ein Teil der beschleunigten Elektronen auf die untersuchten Objekte der Mikrowelt - Atome und ihre Kerne. Es ist leicht zu verstehen, dass die Linearbeschleunigerröhre umso länger sein sollte, je mehr Energie wir auf die Teilchen übertragen wollen - mehrere zehn oder sogar hundert Meter. Aber das ist nicht immer möglich. Rollen Sie nun das Rohr zu einer kompakten Spirale. Dann könnte ein solcher Beschleuniger frei im Labor platziert werden. Ein weiteres physikalisches Phänomen trug dazu bei, diese Idee zum Leben zu erwecken. Ein geladenes Teilchen beginnt sich, sobald es sich in einem Magnetfeld befindet, nicht in einer geraden Linie zu bewegen, sondern "rollt" sich um die Magnetfeldlinien. So entstand ein anderer Beschleunigertyp - das Zyklotron. Das erste Zyklotron wurde bereits 1930 von E. Lawrence in den USA gebaut.
Der Hauptteil des Zyklotrons ist ein starker Elektromagnet, zwischen dessen Polen eine flache zylindrische Kammer angeordnet ist. Es besteht aus zwei halbkreisförmigen Metallkästen, die durch einen kleinen Spalt getrennt sind. Diese Kästen - dees - dienen als Elektroden und werden mit den Polen eines Wechselspannungsgenerators verbunden. In der Mitte der Kammer befindet sich eine Quelle geladener Teilchen – so etwas wie eine elektronische „Pistole“.
Nach dem Ausfliegen aus der Quelle wird das Teilchen (nehmen wir an, es handelt sich jetzt um ein positiv geladenes Proton) sofort von der Elektrode angezogen, die derzeit negativ geladen ist. Innerhalb der Elektrode gibt es kein elektrisches Feld, daher fliegt das Teilchen durch Trägheit hinein. Unter dem Einfluss eines Magnetfeldes, dessen Kraftlinien senkrecht zur Ebene der Flugbahn stehen, beschreibt das Teilchen einen Halbkreis und fliegt auf den Spalt zwischen den Elektroden zu. Während dieser Zeit wird die erste Elektrode positiv und drückt nun das Teilchen heraus, während die andere es anzieht. So nimmt das Teilchen beim Übergang von einem Dee zum anderen an Geschwindigkeit zu und beschreibt eine sich abwickelnde Spirale. Partikel werden mit Hilfe spezieller Magnete auf dem Target der Experimentatoren aus der Kammer entfernt. Je näher sich die Geschwindigkeit der Teilchen im Zyklotron der Lichtgeschwindigkeit annähert, desto schwerer werden sie und beginnen allmählich hinter der elektrischen Spannung an den Dees zurückzubleiben, die ihr Vorzeichen ändert. Sie fallen nicht mehr im Takt elektrischer Kräfte und hören auf zu beschleunigen. Die Grenzenergie, die Teilchen in einem Zyklotron übermittelt werden kann, beträgt 25-30 MeV. Um diese Barriere zu überwinden, wird die Frequenz der abwechselnd an die Dees angelegten elektrischen Spannung schrittweise reduziert und an den Takt der „schwereren“ Teilchen angepasst. Ein solcher Beschleuniger wird Synchrozyklotron genannt. Eines der größten Synchrozyklotrone am Gemeinsamen Institut für Kernforschung in Dubna (bei Moskau) erzeugt Protonen mit einer Energie von 680 MeV und Deuteronen (schwere Wasserstoffkerne - Deuterium) mit einer Energie von 380 MeV. Dazu musste eine Vakuumkammer mit einem Durchmesser von 3 Metern und einem 7000 Tonnen schweren Elektromagneten gebaut werden! Als die Physiker tiefer in die Struktur des Kerns vordrangen, wurden Teilchen mit immer höherer Energie benötigt. Es wurde notwendig, noch leistungsfähigere Beschleuniger zu bauen - Synchrotrons und Synchrophasotrons, in denen sich Teilchen nicht spiralförmig, sondern in einem geschlossenen Kreis in einer ringförmigen Kammer bewegen. 1944, unabhängig voneinander, der sowjetische Physiker V.I. Veksler und der amerikanische Physiker E.M. Macmillan entdeckte das Prinzip der Autophasierung. Die Essenz der Methode ist folgende: Wenn die Felder auf eine bestimmte Weise gewählt werden, fallen die Teilchen automatisch immer in die Phase mit der Beschleunigungsspannung. 1952 schlugen die amerikanischen Wissenschaftler E. Courant, M. Livingston und H. Snyder die sogenannte harte Fokussierung vor, die die Teilchen auf die Bewegungsachse drückt. Mit Hilfe dieser Entdeckungen war es möglich, Synchrophasotrons für beliebig hohe Energien zu erzeugen. Es gibt ein anderes Klassifizierungssystem für Beschleuniger - nach der Art des beschleunigenden elektrischen Feldes. Hochspannungsbeschleuniger funktionieren aufgrund der hohen Potentialdifferenz zwischen den Elektroden des Beschleunigungsraums, der ständig aktiv ist, während die Teilchen zwischen den Elektroden fliegen. In Induktionsbeschleunigern „arbeitet“ ein elektrisches Wirbelfeld, das an dem Ort, an dem sich die Teilchen gerade befinden, induziert (angeregt) wird. Und schließlich nutzen Resonanzbeschleuniger ein in Zeit und Größe variierendes elektrisches Beschleunigungsfeld, mit dem synchron „in Resonanz“ der gesamte „Satz“ von Teilchen beschleunigt wird. Wenn von modernen Hochenergie-Teilchenbeschleunigern die Rede ist, sind vor allem Ringresonanzbeschleuniger gemeint. In noch einem anderen Beschleunigertyp – Proton – für sehr hohe Energien nähert sich die Geschwindigkeit der Teilchen am Ende der Beschleunigungsperiode der Lichtgeschwindigkeit. Sie kreisen mit konstanter Frequenz auf einer Kreisbahn. Beschleuniger für hochenergetische Protonen werden Protonen-Synchrotrons genannt. Die drei größten befinden sich in den USA, der Schweiz und Russland. Die Energie der derzeit betriebenen Beschleuniger erreicht Dutzende und Hunderte von Gigaelektronenvolt (1 GeV = 1000 MeV). Eines der größten der Welt ist das 70 in Betrieb genommene Protonen-Synchrophasotron U-1967 des Instituts für Hochenergiephysik in der Stadt Protvino bei Moskau. Der Durchmesser des Beschleunigungsrings beträgt eineinhalb Kilometer, die Gesamtmasse von 120 Magnetabschnitten erreicht 20000 Tonnen. Alle zwei Sekunden schießt der Beschleuniger mit einer Salve von 10 hoch zwölf Protonen mit einer Energie von 76 GeV (der vierte Indikator weltweit) auf Ziele. Um diese Energie zu erreichen, müssen die Teilchen 400000 Umdrehungen absolvieren und dabei eine Strecke von 60000 Kilometern zurücklegen! Auch ein XNUMX Kilometer langer unterirdischer Ringtunnel für den neuen Beschleuniger wurde hier gebaut. Es ist interessant, dass die Starts von Beschleunigern in Dubna oder Protvino zu Sowjetzeiten nur nachts durchgeführt wurden, da sie nicht nur in Moskau, sondern auch in benachbarten Regionen mit fast dem gesamten Strom versorgt wurden! 1973 nahmen amerikanische Physiker in der Stadt Batavia einen Beschleuniger in Betrieb, in dem es Teilchen gelang, eine Energie von 400 GeV zu übertragen und diese dann auf 500 GeV zu bringen. Heute steht der leistungsstärkste Beschleuniger in den USA. Es heißt „Tevatron“, weil in seinem über sechs Kilometer langen Ring Protonen mit Hilfe von supraleitenden Magneten eine Energie von etwa 1 Teraelektronenvolt (1 TeV entspricht 1000 GeV) erhalten.
Um eine noch höhere Wechselwirkungsenergie des Strahls beschleunigter Teilchen mit dem Material des untersuchten physikalischen Objekts zu erreichen, ist es notwendig, das "Ziel" in Richtung des "Projektils" zu zerstreuen. Organisieren Sie dazu die Kollision von Teilchenstrahlen, die in speziellen Beschleunigern - Collidern - aufeinander zufliegen. Natürlich ist die Partikeldichte in kollidierenden Strahlen nicht so hoch wie im Material eines stationären "Targets", daher werden sogenannte Akkumulatoren verwendet, um sie zu erhöhen. Das sind ringförmige Vakuumkammern, in die Teilchen aus dem Beschleuniger „portionsweise“ geschleudert werden. Die Akkumulatoren sind mit Beschleunigungssystemen ausgestattet, die den Energieverlust der Partikel kompensieren. Mit Collidern verbinden Wissenschaftler die Weiterentwicklung von Beschleunigern. Bisher wurden nur wenige von ihnen gebaut und befinden sich in den am weitesten entwickelten Ländern der Welt - in den USA, Japan, Deutschland sowie im Europäischen Zentrum für Kernforschung mit Sitz in der Schweiz. Ein moderner Beschleuniger ist eine „Fabrik“ zur Erzeugung intensiver Teilchenstrahlen – 2000 mal schwerere Elektronen oder Protonen. Der Teilchenstrahl aus dem Beschleuniger wird auf ein „Target“ gerichtet, das anhand der Aufgabenstellung des Experiments ausgewählt wird. Beim Zusammenstoß mit ihm werden eine Vielzahl von Sekundärteilchen erzeugt. Die Geburt neuer Teilchen ist der Zweck der Experimente. Mit Hilfe spezieller Geräte - Detektoren - werden diese Partikel oder ihre Spuren registriert, die Bewegungsbahn wiederhergestellt, Partikelmasse, elektrische Ladung, Geschwindigkeit und andere Eigenschaften bestimmt. Dann wird durch komplexe mathematische Verarbeitung der von den Detektoren empfangenen Informationen die gesamte "Geschichte" der Interaktion auf Computern wiederhergestellt und durch den Vergleich der Messergebnisse mit dem theoretischen Modell Rückschlüsse gezogen, ob die realen Prozesse mit dem konstruierten Modell übereinstimmen oder nicht . So gewinnt man neue Erkenntnisse über die Eigenschaften intranukleärer Teilchen. Je höher die Energie, die das Teilchen im Beschleuniger aufnimmt, desto stärker wirkt es auf das "Ziel"-Atom oder das Gegenteilchen im Beschleuniger, desto kleiner werden die "Fragmente". Mit Hilfe eines Colliders in den USA werden beispielsweise Experimente durchgeführt, die den Urknall, von dem unser Universum ausgegangen sein soll, unter Laborbedingungen nachstellen wollen. An diesem kühnen Experiment nahmen Physiker aus zwanzig Ländern teil, darunter auch Vertreter Russlands. Die russische Gruppe nahm im Sommer 2000 direkt an dem Experiment teil, war am Beschleuniger im Einsatz und nahm Daten auf. Hier ist, was einer der russischen Wissenschaftler – Teilnehmer an diesem Experiment – Kandidat für physikalische und mathematische Wissenschaften, außerordentlicher Professor von MEPhI Valery Mikhailovich Emelyanov – sagt: „60 Meilen von New York entfernt, auf Long Island, der RHIC-Beschleuniger – Relativistic Heavy Ion Collider - wurde auf schweren relativistischen Ionen aufgebaut "Schwer" - da er bereits in diesem Jahr mit Strahlen von Kernen von Goldatomen zu arbeiten begann "Relativistisch" - auch verständlich, wir sprechen von Geschwindigkeiten, bei denen sich die Auswirkungen der speziellen Relativitätstheorie in allen manifestieren ihre Herrlichkeit. Und der "Kollisator" (von kollidieren - kollidieren) wird es genannt, weil in seinem Ring kollidierende Kernstrahlen kollidieren. Übrigens gibt es in unserem Land keine Beschleuniger dieser Art. Die Energie, die fällt auf einem Nukleon ist 100 GeV. Das ist viel - fast doppelt so viel wie zuvor erreicht. Die erste physikalische Kollision wurde am 25. Juni 2000 registriert." Die Aufgabe der Wissenschaftler bestand darin, zu versuchen, einen neuen Zustand der Kernmaterie zu registrieren - das Quark-Gluon-Plasma. "Die Aufgabe ist sehr kompliziert", fährt Emelyanov fort, "und mathematisch ist sie im Allgemeinen falsch: Die gleiche feste Verteilung von Sekundärteilchen in Bezug auf Impulse und Geschwindigkeiten kann völlig andere Ursachen haben. Und nur in einem detaillierten Experiment, an dem viele Detektoren beteiligt sind, Kalorimeter, Multiplizitätssensoren für geladene Teilchen, Zähler zur Registrierung von Übergangsstrahlung usw. besteht die Hoffnung, die subtilsten Unterschiede zu registrieren, die dem Quark-Gluon-Plasma innewohnen. Der Mechanismus der Wechselwirkung von Kernen bei solch hohen Energien ist an sich interessant, aber noch wichtiger ist, zum ersten Mal im Labor den Ursprung unseres Universums erforschen." Autor: Musskiy S.A.
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