Wybrane zagadnienia fizyki jądrowej i cząstek elementarnych. Seweryn Kowalski

Transkrypt

1 Wybrane zagadnienia fizyki jądrowej i cząstek elementarnych Seweryn Kowalski Listopad 2007

2 Akceleratory

3 Co to jest akcelerator Każde urządzenie zdolne do przyspieszania cząstek, jonów naładowanych do wysokich prędkości przy użyciu pola elektrycznego i magnetycznego Rysunek prezentuje jeden z pierwszych akceleratorów z roku Akcelerator ten był użyty przy pracach badawczych nad produkcją pierwszej bomby atomowej 3

4 Akceleratory cząstek są powszechne W życiu codziennym TV, monitor komputerowy Kuchenka mikrofalowa, oscyloskop W przemyśle Sterylizacja żywności Mikroskopy elektronowe Napromieniowanie różnych materiałów Utylizacja odpadków jądrowych 4

5 Akceleratory cząstek są powszechne W medycynie Terapia raka, obrazowanie, diagnostyka Sterylizacja instrumentów Produkcja izotopów Narzędzia badawcze w wielu dziedzinach naukowych Fizyka wysokich i pośrednich energii Źródła jonów dla chemii, biologii Optyka 5

6 Zaawansowane technologie Zaawansowane technologie używane w akceleratorach Wysoka próżnia Dużej mocy promieniowanie mikrofalowe Nadprzewodnictwo Bardzo silne i precyzyjne magnesy Komputerowa kontrola całego procesu przyspieszania Zarządzanie projektami o dużej skali Fizyka akceleratorów (prowadzenie wiązki 6

7 Najprostszy akcelerator Pojedynczy elektron przechodząc przez różnicę potencjałów 1,5V otrzymuje 1,5eV energii. 7

8 Rozwój akceleratorów W wielkim skrócie Akceleratory elektrostatyczne Akcelerator Van de Graaff Cyklotron Synchrotron 8

9 Nieodzowne elementy budowy akceleratora Źródło jonów (dodatnich lub ujemnych), różnica potencjałów (V 0 ), którą pokonują cząstki, podlegając przyspieszeniu, rura próżniowa, aby przyspieszane cząstki nie zderzały się z atomami gazu. Jednostka energii: 1eV - energia uzyskiwana przez cząstkę o ładunku takim jak ładunek elektronu przyspieszana różnicą potencjałów 1V Skala energii: 1TeV = 10 3 GeV = 10 6 MeV = 10 9 kev = ev 9

10 Typy akceleratorów Akceleratory elektrostatyczne maksymalizacja uzyskiwanej różnicy potencjałów, cząstki pokonują ją tylko jeden raz Akceleratory liniowe cząstki przyspieszane są wzdłuż całej drogi, o długości akceleratora i maksymalnej osiąganej energii cząstek decyduje uzyskany gradient napięcia na metr długości akceleratora Akceleratory cykliczne cząstki wielokrotnie przechodzą przez te same wnęki przyspieszające, każdorazowo uzyskując dodatkową energię, ograniczenie stanowi osiągane natężenie pola magnetycznego w magnesach zakrzywiających cząstki w akceleratorze, a w przypadku przyspieszania elektronów i pozytonów może nim być energia tracona na skutek promieniowania synchrotronowego 10

11 Generator Cockcrofta-Waltona John Douglas Cockcroft ( ) i Ernest Thomas Walton (ur. 1903) rok Wodór ostrzeliwany był elektronami, które powodowały jego jonizację. Powstawały wolne protony, które następnie były przyśpieszane różnicą potencjałów (0,15 MV). Rozpędzone protony padały na cienką folię litu i powodowały emisję cząsteczek alfa Każda z tych cząsteczek alfa uzyskiwała energię 8,6 MeV. 11

12 Akcelerator elektrostatyczny Van de Graaffa Budowa: generator stosunkowo niskiego napięcia ładuje powierzchnię jedwabnego pasa przenoszącego ładunek do wnętrza metalowej puszki, gdzie ładunek zdzierany jest z pasa za pomocą metalowej szczotki Ograniczenie stanowi przebicie elektryczne Pierwszy generator Van de Graaff zbudował w 1931 roku, składał się on z dwu identycznych urządzeń generujących przeciwny potencjał (750 kv względem ziemi, 1.5 MV względem siebie) Pierwszy akcelerator z generatorem tego typu: zbudowany na poczatku lat trzydziestych, przyspieszał protony i deuterony do energii 0.6 Mev Obecne generatory Van de Graaffa osiągają MV, używane są jako pierwszy stopień przyspieszający, np. w zespole akceleratorów w Brookhaven, LNS Catania 12

13 Akcelerator elektrostatyczny Van de Graaffa 13

14 Akcelerator elektrostatyczny Van de Graaffa Van de Graaff 14

15 Akcelerator elektrostatyczny Van de Graaffa 15

16 Akceleratory liniowe W pierwszych akceleratorach liniowych (rysunek) generator zmiennego napięcia połączony był z elektrodami (Ei) przez linie opóźniające, a zmienne pole elektryczne w obszarach miedzy elektrodami (Si) przyspieszało cząstki Elektrody osłaniały cząstki w czasie, gdy w obszarach Si znak pola był przeciwny niż potrzebny do przyspieszania, stąd wydłużające się elektrody w miarę wzrostu prędkości cząstek Po wojnie duży postęp w akceleratorach liniowych dzięki rozwojowi techniki mikrofal i generatorów wysokiej częstości -- pole przyspieszające porusza się wraz z cząstkami wzdłuż rury akceleratora Inną ważną rzeczą w konstrukcji tych akceleratorów jest samoogniskowanie się cząstek (trochę za wolne cząstki trafiają na silniejsze pole i nabierają więcej energii, a trochę za szybkie cząstki trafiają na słabsze pole i zwalniają) Największy współczesny akcelerator liniowy działa w SLAC (USA) 16

17 Akceleratory liniowe Cząstki przyśpieszane po torach prostych Różne rozmiary tych akceleratorów Tuba katodowe w kineskopach telewizyjnych Stanford s linear accelerator 2 mile długości 17

18 Akceleratory liniowe 18

19 SLAC 19

20 20 SLAC

21 Akceleratory cykliczne - cyklotron Pod wpływem pola magnetycznego cząstki poruszają się po torach zbliżonych do okręgu i przyspieszane są za pomocą zmiennego pola elektrycznego Historycznie pierwszy akcelerator cykliczny - cyklotron Cząstki poruszają się w jednorodnym polu magnetycznym prostopadle do linii pola z czasem obiegu T = 2 π r / v = 2 π m c / e H gdzie r jest promieniem orbity cząstki, v, m, e to jej prędkość, masa i ładunek, H - natężenie pola magnetycznego, c - prędkość światła. Cząstki przyspieszane są w każdym obiegu przy przejściu między elektrodami przyspieszającymi Czas obiegu cząstki początkowo nie zależy od energii cząstki, promień toru rośnie z prędkością cząstki Ograniczenie stanowi relatywistyczny wzrost masy cząstki, przez co rośnie też T i cząstka zaczyna być nie w fazie z polem elektrycznym, kiedy dociera do przerwy między elektrodami 21

22 22

23 Akceleratory cykliczne Synchrotron Przyspieszane cząstki krążą po stałych orbitach, co otwarło (technicznie i finansowo) możliwość przyspieszania cząstek do naprawdę wysokich energii Procesowi przyspieszania cząstek towarzyszy zarówno zmiana natężenia pola magnetycznego, jak i częstości przyspieszającego pola elektrycznego Współczesny akcelerator cykliczny Pierwsze synchrotrony funkcjonowały w oparciu o tzw. słabe ogniskowanie czyli wyposażone były tylko w magnesy dipolowe do zakrzywiania torów cząstek, przez co próżniowa rura wokół stałej orbity i magnesy obejmujące rurę były duże, najwyższa energia uzyskana w tego typu synchrotronie wynosiła 10 GeV 23

24 L(arge)E(lectron)P(ositron) LEP at CERN, E cm = 180 GeV 24

25 Jak prowadzić wiązkę Prowadzenie wiązki przy pomocy magnesów W analogii do optyki (światło) optyka magnetyczna Zaginanie wiązki magnes dipolowy, skupianie kwadrupolowy Używa się magnesów nadprzewodzących 25

26 Analogia optyczna ilustrująca zasadę silnego ogniskowania 26

27 Prowadzenie wiązki Zasada silnego ogniskowania wiązki polega na zastosowaniu układu magnesów, które na przemian skupiają i rozpraszają wiązkę przyspieszanych czastek, przez co ostatecznie otrzymuje się wiązkę bardzo małych rozmiarów Soczewki kwadrupolowe i wyżej polowe służą do skupiania wiązek w akceleratorach płaszcz yzna (x,y) Pojedyncza soczewka kwadrupolowa skupia wiązkę w jednej współrzędnej (np x) i rozprasza w drugiej (np y). Układ dwu soczewek z nagiegunnikami obróconymi o 90 o względem siebie działa skupiająco w obu płaszczyznach. Dla przykładu, akcelerator LEP posiadał kilka tysięcy magnesów skupiających wiązki. Dzięki temu komora próżniowa obejmująca wiązki e+ i e- miała średnicę kilkunastu cm. 27

28 Prowadzenie wiązki Dipole F Quadrupole D Quadrupole 28

29 Prowadzenie wiązki 29

30 LEP Tunel 30

31 LHC Large Hadron Collider (LHC) ten sam tunel co LEP Energia 14 TeV protonproton, każda wiązka ma enerie 7 TeV 31

32 LHC tunel 32

33 The Livingstone plot 33