La historia del desarrollo de los aceleradores
Casi simultáneamente se propusieron diferentes ideas, como el acelerador electrostático (1928), el ciclotrón (1929) y el acelerador de duplicación de presión (1932), y se construyeron, uno tras otro, varios dispositivos de aceleración.
Tevatron
Un dispositivo que genera artificialmente partículas cargadas a alta velocidad. Es una herramienta importante para explorar la naturaleza, la estructura interna y la interacción de los núcleos y partículas atómicas. También tiene importantes y amplias aplicaciones prácticas en la producción industrial y agrícola, la medicina y la salud, la ciencia y la tecnología y otros campos.
Desde que E. Rutherford bombardeó átomos de nitrógeno con rayos A emitidos por elementos radiactivos naturales en 1919, los físicos se han dado cuenta de que para comprender el núcleo es necesario utilizar partículas de alta velocidad para transformarlo. La energía de las partículas proporcionada por la radiactividad natural es limitada, sólo unos pocos billones de electronvoltios (MeV). Aunque la energía de las partículas en los rayos cósmicos naturales es muy alta, el flujo de partículas es extremadamente débil. Por ejemplo, las partículas con una energía de 1014 electronvoltios (eV) sólo viajan una media de 1 metro cuadrado por hora, lo que dificulta la realización de trabajos de investigación. Por lo tanto, para llevar a cabo investigaciones experimentales con los objetivos deseados, durante décadas se han desarrollado y construido una variedad de aceleradores de partículas, y su rendimiento se ha mejorado continuamente. La mayoría de los nuevos elementos transuránicos y miles de radionucleidos sintéticos fueron descubiertos mediante aceleradores de partículas. Se llevaron a cabo investigaciones sistemáticas y profundas sobre la estructura básica del núcleo y sus leyes cambiantes, lo que contribuyó al rápido desarrollo y madurez de la física nuclear. El desarrollo de aceleradores de alta energía ha permitido el descubrimiento de cientos de partículas, incluidos bariones, mesones, leptones y diversas partículas vibratorias, estableciendo la física de partículas. En los últimos 20 años, la aplicación de aceleradores ha ido mucho más allá de los campos de la física nuclear y la física de partículas, y tiene aplicaciones importantes en otros campos científicos y tecnológicos como la ciencia de materiales, la física de superficies, la biología molecular y la fotoquímica. En diversos campos de la industria, la agricultura y la medicina, los aceleradores se utilizan ampliamente en la producción de isótopos, diagnóstico y tratamiento de tumores, esterilización por radiación, pruebas no destructivas, polimerización por radiación de polímeros, modificación de radiación de materiales, implantación de iones, microanálisis de haces de iones y simulación de radiación espacial. , simulación de explosión nuclear, etc. Hasta ahora, se han construido miles de aceleradores de partículas en todo el mundo, una pequeña parte de los cuales se utiliza para la investigación básica en física nuclear y de partículas, y continúan desarrollándose en la dirección de mejorar la energía y la calidad del haz; " que utilizan principalmente tecnología de haz de partículas y aceleradores "pequeños".
La estructura de un acelerador de partículas generalmente consta de tres partes principales: ① Fuente de partículas, utilizada para proporcionar partículas aceleradas, incluidos electrones, positrones, protones, antiprotones e iones pesados. ② Sistema de aceleración por vacío, en el que existe una cierta forma de campo eléctrico acelerado para acelerar las partículas sin que las moléculas de aire las dispersen, todo el sistema se coloca en una cámara de vacío con un vacío extremadamente alto. (3) El sistema de enfoque de guía utiliza una determinada forma de campo electromagnético para guiar y restringir el haz de partículas aceleradas, de modo que acelere a lo largo de una trayectoria predeterminada bajo la acción del campo eléctrico. Todo esto requiere la integración y cooperación de tecnologías sofisticadas y de alta tecnología.
El índice de eficiencia del acelerador es la energía que pueden alcanzar las partículas y la intensidad del flujo de partículas (intensidad de corriente). Según la energía de las partículas, los aceleradores se pueden dividir en aceleradores de baja energía (energía inferior a 108 MeV), aceleradores de energía media (energía entre 108 y 109 meV), aceleradores de alta energía (energía entre 109 y 1012 MeV) y aceleradores de energía ultra alta. aceleradores. Actualmente, los aceleradores de baja y media energía se utilizan principalmente en diversas aplicaciones prácticas.
Cockcroft
En 1932, el científico estadounidense J.D. Cockcroft y el científico irlandés E.T.S Walton construyeron el primer acelerador de CC del mundo, llamado acelerador de alto voltaje Cockcroft-Walton. Se utilizó un haz de protones con una energía de 0,4 MeV para bombardear un objetivo de litio y se obtuvo un experimento de reacción nuclear entre partículas alfa y helio.
Esta fue la primera reacción nuclear de la historia que se logró mediante la aceleración artificial de partículas y ganó el Premio Nobel de Física en 1951.
El científico irlandés Walton
Van de Graaff
En 1933, el científico estadounidense R.J van de Graaff utilizó otro método para generar alta presión para inventar un A de alto voltaje. acelerador - llamado acelerador electrostático van de Graaff. Los dos aceleradores de partículas anteriores son del tipo CC de alto voltaje. La energía que pueden acelerar las partículas está limitada por la ruptura de alto voltaje, que es de aproximadamente 10 MeV.
Dispositivo experimental de Van de Graaf
Lawrence y el ciclotrón
En 1924, G. Ising y E. Widlow inventaron respectivamente el acelerador lineal A basado en tubos de deriva. Basado en el principio de voltaje de alta frecuencia. Debido a las limitaciones de la tecnología de alta frecuencia de la época, este acelerador sólo podía acelerar iones de potasio hasta 50 keV, lo que tenía poca importancia práctica. Sin embargo, el físico experimental estadounidense E.O. Lawrence, inspirado por este principio, construyó un ciclotrón en 1932 y lo utilizó para producir isótopos radiactivos artificiales, por lo que ganó el Premio Nobel de Física en 1939. Esta es la primera persona en recibir este honor en la historia del desarrollo de aceleradores.
Debido a la limitación entre la masa y la energía de la partícula acelerada, el ciclotrón sólo puede acelerar protones hasta unos 25 MeV. La razón es que la relación entre aceleración y fuerza externa ya no se aplica a las leyes del movimiento de Newton, es decir, la frecuencia del campo eléctrico acelerador de alta frecuencia ya no coincide con la frecuencia del ciclotrón si se diseña la intensidad del campo magnético del acelerador; Para aumentar sincrónicamente con la energía de la partícula a lo largo del radio, el protón puede acelerar a cientos de MeV, lo que se denomina ciclotrón isócrono.
El ex científico soviético Viksler
Para explorar más a fondo la estructura del núcleo atómico y producir nuevas partículas elementales, es necesario estudiar los principios de la construcción de aceleradores de partículas de mayor energía. En 1945, el ex científico soviético Veksler y el científico estadounidense E.M. MacMillan descubrieron de forma independiente el principio de estabilización automática de fase. El científico británico M.L. Oliphant también propuso construir un acelerador de fase estable.
El científico estadounidense MacMillan
El descubrimiento del principio de estabilización automática de fase fue una revolución importante en la historia del desarrollo de aceleradores, que dio como resultado una serie de nuevos aceleradores que pueden romper el limitaciones energéticas de los ciclotrones: sincrociclotrón (la frecuencia del campo eléctrico acelerador de alta frecuencia disminuye a medida que aumenta la energía de las partículas doblemente aceleradas, manteniendo la frecuencia del ciclotrón sincronizada con el campo eléctrico acelerador), moderno acelerador lineal de protones, sincrotrón (el uso de imanes anulares cuya intensidad del campo magnético aumenta a medida que aumenta la energía de las partículas) Para mantener la trayectoria circular del movimiento de las partículas, pero manteniendo sin cambios la alta frecuencia del campo de aceleración), etc.
Desde entonces, la construcción de aceleradores ha solucionado las principales limitaciones, pero el incremento de energía ha sido limitado económicamente. A medida que aumenta la energía, el peso y el costo de los imanes utilizados en ciclotrones y sincrociclotrones aumentan considerablemente, y los aumentos de energía en realidad se limitan a menos de 1 GeV. Aunque el coste de los imanes anulares para sincrotrones se ha reducido considerablemente, debido a la escasa fuerza de enfoque lateral, el tamaño de la caja de vacío debe ser grande, lo que da como resultado una gran separación entre polos de los imanes, y todavía se necesitan imanes pesados. Todavía no es realista utilizarlo para acelerar protones por encima de 10 GeV.
En 1952, los científicos estadounidenses E.D. Courant, M.S. Livingston y H.S. Schneider publicaron un artículo sobre el principio de enfoque fuerte. Según este principio, el tamaño de la caja de vacío y el coste del imán se pueden reducir considerablemente, lo que permite desarrollar el acelerador a mayor energía. Se trata de otra revolución en la historia del desarrollo de aceleradores, con un impacto enorme. Desde entonces, el principio de enfoque fuerte se ha utilizado ampliamente en aceleradores lineales o de anillo.
En 1954, el Laboratorio Nacional Lawrence de Estados Unidos construyó un sincrotrón de protones débilmente enfocado con una energía de 6,2 GeV. El peso total del imán es de 10.000 toneladas. Sin embargo, el peso total de los imanes del sincrotrón de protones fuertemente enfocado de 33GeV del Laboratorio Nacional Brookhaven es de sólo 4.000 toneladas. Esto muestra la gran importancia práctica del principio de enfoque fuerte.
El científico estadounidense Lee Winston
El científico estadounidense Coster
Lo anterior presenta principalmente el acelerador de anillo de protones, pero la situación es diferente para el acelerador de electrones. En 1940, el científico estadounidense D.W. Kerst desarrolló el primer betatrón del mundo. Sin embargo, debido a la pérdida de energía causada por la radiación electromagnética emitida en dirección tangencial cuando los electrones se mueven a lo largo de la curva, la mejora energética del betatrón es limitada y el límite es de aproximadamente 100 MeV. El sincrotrón de electrones utiliza campos electromagnéticos para proporcionar energía de aceleración, lo que permite una mayor pérdida de radiación, con un límite de unos 10GeV. Cuando los electrones se mueven en línea recta, no hay pérdida de radiación. Los aceleradores lineales de electrones acelerados por campos electromagnéticos pueden acelerar electrones a 50 GeV. Este no es un límite teórico, sino un límite de alto costo.
La energía de los aceleradores se ha desarrollado a tal nivel que, desde el punto de vista experimental, se han expuesto nuevos problemas. Cuando se utilizan aceleradores para realizar experimentos de física de alta energía, generalmente se utilizan partículas aceleradas para bombardear núcleos atómicos en un objetivo estacionario, y luego se estudia el impulso, la dirección, la carga y la cantidad de las partículas secundarias producidas. Esto limita la energía útil real. que las partículas aceleradas pueden participar en reacciones de alta energía. Si dos partículas aceleradas chocan, la energía de las partículas aceleradas se puede utilizar por completo para reacciones de alta energía o para la producción de nuevas partículas.
El científico italiano Touschek
En 1960, el científico italiano B. Touschek propuso por primera vez este principio y construyó un laboratorio de 1 metro de diámetro en el Laboratorio Nacional de Frascati en Italia. El colisionador AdA lo verificó. este principio y abrió una nueva era en el desarrollo de aceleradores.
Los aceleradores modernos de alta energía aparecen básicamente en forma de colisionadores y han podido aumentar la energía equivalente de reacciones de alta energía de 1 TeV a 10 ~ 1000 TEV. Este es otro cambio fundamental en el. Historia del salto en el desarrollo de la energía del acelerador.