Научно-исследовательский проект
"Модель ускорителя элементарных частиц"
В настоящее время широкое применение в науке и технике нашли ускорители заряженных частиц – установки для получения пучков заряженных частиц (протонов, электронов, античастиц, ядер других атомов) высоких энергий – от десятков кэВ до нескольких ТэВ. В технике такие ускорители используются для получения изотопов, упрочнения поверхностей материалов и производства новых материалов, для создания источников электромагнитного излучения (от микроволнового до рентгеновского излучения), широко применяются в медицине и т.д. Однако, по-прежнему, к числу основных областей применения ускорителей относятся ядерная физика и физика высоких энергий. Современные ускорители заряженных частиц – главные источники информации для физиков, изучающих вещество, энергию, пространство и время. Подавляющее большинство элементарных частиц, известных сегодня, не встречаются в естественных условиях на Земле и получены на ускорителях. Именно потребности физики элементарных частиц являются главным стимулом для развития ускорительной техники, и в первую очередь для повышения энергии, до которой могут быть ускорены заряженные частицы.
Силы взаимодействия частиц мира атомов настолько велики, что справиться с ними могут только равносильные им машины - ускорители, создающие необходимые по мощности электромагнитные поля.
Как же устроены ускорители заряженных частиц? Что заставляет частицы двигаться по ускорителю?
Проблема: как электромагнитное поле может двигать частицы?
Цель: построить модель ускорителя заряженных частиц.
Задачи:
- изучить действие электромагнитного поля на заряженные частицы;
- на практике понять и изучить принципы работы ускорителей заряженных частиц;
- вызвать интерес у одноклассников к физике элементарных частиц.
Этапы работы:
Изучение литературы по интересующему меня вопросу
Формирование цели и задач
Подбор материала для изготовления модели ускорителя
Сборка модели ускорителя заряженных частиц
Что такое ускоритель заряженных частиц и как он работает
Исследуя явление радиоактивности и, обнаружив, что некоторые частицы имеют электрический заряд, физики смогли воспользоваться этим явлением. Создавая определенные электромагнитные поля, стало возможно удерживать и разгонять заряженные частицы по определенным траекториям до необходимых энергий, ударяя эти частицы в специально подготовленные мишени, исследовать структуру материи, по разлетающимся осколкам «снаряда» и частиц мишени. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию.
Современные ускорители заряженных частиц являются самыми крупными экспериментальными установками в мире, причем энергия частиц в ускорителе линейно связана с его размером. Так, линейный ускоритель электронов SLC на энергию 50 ГэВ в Стэнфордском университете (США) имеет длину 3 км, периметр протонного синхротрона Тэватрон на энергию 900 ГэВ в лаборатории им. Э.Ферми (Батавия, США) составляет 6,3 км, а в Женеве (ЦЕРН) длина основного кольца ускорителя составляет почти 27 км.
Постоянно возрастающие размеры ускорителей уже достигли границы разумного соотношения физических характеристик и финансовых затрат, превращая строительство ускорителей в проблему национального масштаба. Можно говорить, что чисто инженерные решения тоже близки к своему пределу. Очевидно, что дальнейший прогресс в ускорительной технике должен быть связан с поисками новых подходов и физических решений, делающих ускорители компактнее и дешевле в сооружении и эксплуатации. Последнее также немаловажно, так как энергопотребление современных ускорителей близко к энергопотреблению небольшого города. Пришло время обратиться к новым достижениям в радиофизике, физики плазмы, квантовой электронике и физике твердого тела, чтобы найти достойные решения.
Безусловно крупнейшим достижением ускорительной техники является Большой Адронный Коллайдер (БАК), с помощью его мощностей физики хотят заглянуть в тайны мироздания. Это сложнейший комплекс на котором работает более 10000 человек из более чем 100 стран мира. Длина основного кольца ускорителя 26659 метров. В ускорителе сталкиваются протоны с энергией 14 ТэВ, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ. Благодаря работе ускорителя учёнными были открыты новые элементарные частицы: бозон Хиггса, тетракварк и пентакварк.
Классификация ускорителей
Современные ускорители классифицируют по разным признакам:
По типу ускоряемых частиц (различают электронные ускорители, протонные ускорители и ускорители ионов);
По характеру траекторий частиц (линейные ускорители, в которых траектории частиц прямолинейны, и циклические ускорители, в которых траектории частиц близки к окружности или спирали).
По характеру ускоряющего поля (резонансные и нерезонансные).
По механизму, обеспечивающему устойчивость движения частиц в перпендикулярных к орбите направлениях (фокусировке).
Для достижения высоких энергий используют кольцевые ускорители, там, где не нужны высокие энергии частиц - линейные ускорители.
Линейный ускоритель
В линейных ускорителях траектории ускоряемых частиц близки к прямым линиям. По всей длине таких ускорителей располагаются ускоряющие станции.
В линейных ускорительных системах высокочастотные поля были впервые применены в 1929, когда норвежский инженер Р.Видероэ осуществил ускорение ионов в короткой системе связанных высокочастотных резонаторов. Если резонаторы рассчитаны так, что фазовая скорость поля всегда равна скорости частиц, то в процессе своего движения в ускорителе пучок непрерывно ускоряется. Движение частиц в таком случае подобно скольжению серфера на гребне волны. При этом скорости протонов или ионов в процессе ускорения могут сильно увеличиваться.
Преимущество линейных ускорителей над циклическими — отсутствие громоздкой магнитной системы, простота ввода и вывода частиц, большие плотности тока. Однако сложность и высокая стоимость радиотехнической системы линейных ускорителей и трудности фокусировки ограничивают возможности линейных протонных ускорителей. В основном они пока применяются как инжекторы для кольцевых ускорителей.
Циклический ускоритель
В циклических ускорителях реализуется способ ускорения пучка путем многократного сообщения ему небольших порций энергии. Для этого с помощью сильного магнитного поля пучок заставляют двигаться по круговой орбите и много раз проходить один и тот же ускоряющей промежуток. Впервые этот способ был реализован в 1930 году Э.Лоуренсом и С.Ливингстоном в изобретенном ими циклотроне.
В циклических ускорителях «ведущее» магнитное поле изгибает траектории ускоряемых частиц, свёртывая их в окружности (кольцевые ускорители или синхротроны) или спирали (циклотроны, фазотроны, бетатроны и микротроны).
Такие ускорители содержат одно или несколько ускоряющих устройств, к которым частицы многократно возвращаются в течение ускорительного цикла.
Типы циклических ускорителей
Деление осуществляется в зависимости от особенностей режимов ускорения:
если частота ускоряющего поля и ведущее магнитное поле постоянны во времени - «циклотрон»,
если магнитное поле нарастает во время цикла ускорения - «синхротрон»,
если при этом изменяется и частота ускоряющего поля - «синхрофазотрон».В протонных ускорителях на очень высокие энергии к концу периода ускорения скорость частиц увеличивается настолько, что они обращаются по круговой орбите практически с постоянной частотой, поэтому синхрофазотроны для протонов высоких энергий называют «протонными синхротронами».
Коллайдеры
Коллайдеры — ускорители заряженных частиц на встречных пучках, предназначенные для изучения продуктов их соударений. В коллайдерах элементарным частицам вещества сообщается наиболее высокая энергия, так как при встречном движении растёт относительная скорость. Это чисто экспериментальные установки, цель которых — изучение процессов столкновения частиц высоких энергий.
Ускоритель в Протвино
В 1958 году было принято решение о строительстве в СССР нового, в то время самого мощного в мире, ускорителя элементарных частиц. По техническому проекту ускоритель должен быть на монолитном основании, так как опоры огромного кольцевого магнита, являющегося основой ускорителя, должны быть очень устойчивы. К тому же район должен быть благоприятным в сейсмическом отношении, так как требовалась точнейшая постоянная фиксация оси вакуумной камеры. В результате исследования 40 площадок в 14 областях страны, в том числе в Сибири, на Урале и Дальнем Востоке, был принят «Серпуховский вариант». Здесь, когда-то в древности, было море, бывшее дно которого, плотная известняковая скала, так называемое Приокское плато, и послужило основанием фундамента ускорителя. В 1960 году было начато строительство Института Физики Высоких Энергий (ГНЦ ИФВЭ).
У-70 — протонный синхротрон рассчитанный на энергию 70 ГэВ, сооружённый в 1967 году в Институте физики высоких энергий, Протвино. На момент сооружения энергия ускорителя была рекордной. За разработку и ввод в действие синхротрона У-70 коллектив учёных был удостоен Ленинской премии в 1970 году.
Комплекс работает в импульсном режиме. Протоны ускоряются до 30 МэВ в линейном ускорителе УРАЛ-30, и инжектируются в быстроцикличный бустерный синхротрон У-1.5 периметром 100 м, где ускоряются до энергии 1,32 ГэВ, после чего перепускаются в У-70. Далее в течение ~9 с следует цикл ускорения до максимальной энергии 76 ГэВ, и пучок используется для формирования различных вторичных пучков частиц. Система медленного вывода протонного пучка дает возможность выводить ускоренные протоны равномерно в течение длительного (до 2 с) промежутка времени.
Многие сотрудники ИФВЭ из нашего города принимают активное участие в международных ускорительных проектах, включая БАК.
Практическое применение ускорителей
Физика - фундаментальная наука. Процесс изучения строения материи очень сложен, и дорог. Часто результаты исследований и практическое их применение находится не сразу, и не всем заметно в жизни. Но с результатами этих экспериментальных установок в современной жизни мы сталкиваемся повсюду.
Давайте разберёмся подробнее, где используются ускорители.
Научные исследования - понять как что-то устроено и как «работает» можно только разобрав механизм устройства и взаимодействия всех «винтиков». Вот для решения этих задач и работают ускорители
Стерилизация продуктов питания, медицинского инструмента - в настоящее время таким методом стерилизуется более 50% медицинских изделий одноразового пользования. Для стерилизации применяют электронные пучки. Энергия электронных пучков составляет в основном 5 – 10 МэВ. Пучки с более низкой энергией находят применение для стерилизации упаковки медицинских изделий.
Медицина (лечение онкологических заболеваний, радиодиагностика) - Одно из наиболее быстро развивающихся направлений использования ускорителей заряженных частиц. Известно, что в наиболее развитых странах лучевая терапия применяется для 70% всех больных раком, в России же этот вариант лечения применяется пока лишь в 20% случаев. Эффективность излечивания оценивается за рубежом уровнем порядка 60%, в России же – ниже 40%.
Производство полупроводниковых устройств (инжекция примесей).
Радиационная дефектоскопия - комплекс физических методов и средств неразрушающего контроля качества материалов, заготовок и изделий с целью обнаружения дефектов их строения. Этим методом выявляются трещины, непровары, непропаи, включения, поры, подрезы и другие дефекты в изделиях.
Радиационное модифицирование материалов (например, сшивание полимеров для производства проводов и кабелей, что приводит к повышению их механической прочности, термостойкости, улучшению электроизоляционных свойств).
Радиационная очистка топочных газов и сточных вод, обработка природной воды, обработка твердых отходов.
|
