Ускорители частиц – где используются и какое оборудование выбрать лучше всего

Ускорители частиц - это агрегаты, которые используют для ускорения частиц до энергетического состояния, пригодных для исследований в области физики, химии, атомной энергетики и медицины. Они способны моделировать физические явления, которые происходят в различных точках на Земле и в космосе. Поэтому их применяют для лабораторных исследований и внедряют в другие промышленные отрасли.

Схема и устройство ускорителя частиц

Ускоритель частиц состоит из:

• генератора ускоренных частиц (инжектор);

• орбиты: двигаясь по этой дорожке, низкоэнергетические заряженные частицы, создаваемые инжектором, образуют скопление точек и приобретают необходимый высокоэнергетический заряд;

• система вывода пучка в экспериментальную камеру.

Мишень и детектор частиц расположены вне ускорителя. Пусковая установка направляет первичные частицы на мишень, как правило, это продолговатый объект, который содержит химическое ядро. Первичные частицы рассеиваются мишенью, заставляя их взаимодействовать на ядерном уровне и создавать новые соединения. Детектор состоит из одного или нескольких считывающих устройств, при помощи которого регистрируются рассеянные частицы. Эти исследования позволяют получить информацию о физических свойствах различных элементов и их взаимодействии с другими элементами в окружающей среде.

Пучки ускорителя часто состоят из протонов и электронов. Это связано с тем, что инженеры могут быстрее подготовить компоненты детектора. В современных ускорителях также используются антипротоны и позитроны. Эти частицы являются двойниками изучаемой элементарной частицы, которые имеют такой же спин и массу, как и "настоящая" частица. В известных коллайдерах, чтобы максимизировать высвобождаемую энергию, эти пучки сталкиваются после завершения ускорения. Отсюда название "столкновение пучков".

Ускорители различаются: по характеристикам пучков, по значениям энергии, интенсивности движения частиц и их траекториям. В отношении последних они обычно классифицируются как линейные или периодические. В первом случае частицы во время ускорения движутся по линейной траектории, а во втором - в замкнутом направлении или по спиральной. Частицы в замкнутом направлении, т.е. синхронные, повторяют свои орбиты много раз во время ускорения. Фазотоны, микротроны и циклотроны движутся по неэллиптическим линиям (визуально напоминающим трехмерные спирали).

Скачать подборку оборудования для ускорителя чистиц

Принцип работы ускорителя частиц

В настоящее время единственными надежными приборами для изучения материи на субатомном уровне являются ускорители. Чтобы обеспечить взаимодействие атомов с изучаемым объектом, необходимо использовать мощный зондирующий пучок с максимальным разрешением и высоким энергетическим выходом. Только такой пучок может проникнуть в атомный слой, занимающий очень малый пространственный объем. Более того, согласно законам квантовой физики, чем меньше объект, тем он плотнее и прочнее, поэтому для проникновения в такую структуру, не говоря уже об изменении ее на атомном уровне, требуется огромное количество энергии.

Чтобы определить количество энергии, необходимое для данного исследования, достаточно знать размер исследуемого материала. Ключевыми терминами в расчете являются длина волны (определенное свойство частиц) и импульс. Для расчета используется формула де Бройля. Эта же формула используется для расчета кинетической энергии и силы столкновения на длине волны частицы (МэВ).

Вакуумные насосы для ускорителя частиц

Ключом к достижению этой цели является обеспечение необходимого уровня разрежения в области движения частиц вдоль ускорителя. Чтобы избежать столкновений с молекулами газа в ускорителе, пучок частиц должен двигаться при давлении, эквивалентном космическому (10^-10-10^-11 мбар). Вакуум также является наиболее эффективным изолятором в системах охлаждения электромагнитов при криогенных температурах. Для поддержания температуры изолятора на уровне 1, 9 К требуется давление 10^-6 мбар или меньше.

Размер ускорителя также усложняет эту задачу. Например, в большом адронном коллайдере (длина основного кольца коллайдера состовляет 26 659 м) внутренний объем, через который проходят частицы, составляет 9 000 м3 . Кроме того, внутренний объем изолятора превышает 15 000 м3. Для решения этой задачи в 2008 году ЦЕРН разработал самую большую в мире вакуумную систему. Для достижения необходимого давления в этом огромном объеме используются всевозможные насосы. Количество используемых вакуумных насосов варьируется от сотен до тысяч. Для высоковакуумной ступени используются:

• турбомолекулярные насосы;

• криогенные насосы;

• ионные насосы;

• геттерные насосы, которые непосредственно интегрированы в рабочее пространство ускорителя.

В качестве форвакуумных насосов в таких установках применяются безмасляные решения, такие как:

• спиральные вакуумные насосы;

• винтовые вакуумные насосы;

• и роторные насосы типа Рутса.

Для того чтобы контролировать рабочие параметры требуется большое кол-во датчиков давления: например, в случае БАК за контроль давления отвечают 170 ионизационных датчиков Байярда-Альперта и 1084 датчика Пирани и Пеннинга.