Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
«Линак» перенаправляется сюда. О коммуне во Франции см. Linac, Lot .
Линейный ускоритель в австралийском синхротроне использует радиоволны от ряда радиочастотных резонаторов в начале линейного ускорителя для ускорения пучка электронов до энергии 100 МэВ.

Линейный ускоритель частиц (часто сокращаются до Л ) представляет собой тип ускорителя частиц , который ускоряет заряженный субатомные частицы или ион до высокой скорости, подвергая их серию осциллирующего электрических потенциалов вдоль линейного экспериментальной станции источника синхротронного излучения . Принципы создания таких машин были предложены Густавом Изингом в 1924 году [1], а первая работающая машина была построена Рольфом Видеро в 1928 году [2] в RWTH Ахенском университете . Линаки имеют множество применений: они генерируют рентгеновские лучи.и электроны высоких энергий для медицинских целей в лучевой терапии , служат инжекторами частиц для ускорителей более высоких энергий и используются непосредственно для достижения максимальной кинетической энергии легких частиц (электронов и позитронов) для физики элементарных частиц .

Конструкция линейного ускорителя зависит от типа ускоряемой частицы: электроны , протоны или ионы . Линаки варьируются по размеру от электронно-лучевой трубки (которая является разновидностью линейного ускорителя) до линейного ускорителя длиной 3,2 км в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке, Калифорния .

Строительство и эксплуатация [ править ]

Анимация, показывающая, как работает линейный ускоритель. В этом примере предполагается, что ускоренные частицы (красные точки) имеют положительный заряд. График V (x) показывает электрический потенциал вдоль оси ускорителя в каждый момент времени. Полярность ВЧ-напряжения меняется, когда частица проходит через каждый электрод, поэтому, когда частица пересекает каждый зазор, электрическое поле (E, стрелки) имеет правильное направление для его ускорения. Анимация показывает, что в каждом цикле ускоряется одна частица; в реальных линейных ускорителях большое количество частиц впрыскивается и ускоряется каждый цикл. Действие показано сильно замедленным.
Квадрупольные магниты, окружающие линейный ускоритель австралийского синхротрона , используются для фокусировки электронного луча.
Здание, закрывающее 2-мильную (3,2 км) лучевую трубу Стэнфордского линейного ускорителя (SLAC) в Менло-Парке, Калифорния, второго по мощности линейного ускорителя в мире. Он имеет около 80000 ускоряющих электродов и может ускорять электроны до 50  ГэВ.

См. Анимированную схему. Линейный ускоритель частиц состоит из следующих частей:

  • Вакуумная камера с прямой полой трубой, в которой находятся другие компоненты. Его откачивают с помощью вакуумного насоса, чтобы ускоренные частицы не сталкивались с молекулами воздуха. Длина будет зависеть от приложения. Если устройство используется для производства рентгеновских лучей для обследования или терапии, длина трубы может составлять от 0,5 до 1,5 метров. Если устройство должно быть инжектором для синхротрона, оно может быть около десяти метров в длину. Если устройство используется в качестве первичного ускорителя для исследования ядерных частиц, его длина может составлять несколько тысяч метров.
  • Источник частиц (S) на одном конце камеры, который производит заряженные частицы, которые машина ускоряет. Конструкция источника зависит от частицы, которая ускоряется. Электроны генерируются холодным катодом , горячим катодом , фотокатодом или радиочастотными (RF) ионными источниками . Протоны генерируются в ионном источнике , который может иметь множество различных конструкций. Если необходимо ускорить более тяжелые частицы (например, ионы урана ), специальный ионный источникнеобходим. Источник имеет собственный источник высокого напряжения для инжекции частиц в канал пучка.
  • Вдоль трубы от источника проходит серия цилиндрических электродов с открытым концом (C1, C2, C3, C4) , длина которых постепенно увеличивается с расстоянием от источника. Частицы от источника проходят через эти электроды. Длина каждого электрода определяется частотой и мощностью источника энергии привода и частицы, которая должна ускоряться, так что частица проходит через каждый электрод точно за половину цикла ускоряющего напряжения. Масса частицы сильно влияет на длину цилиндрических электродов; например, электрон значительно легче протона, поэтому обычно требуется гораздо меньшее сечение цилиндрических электродов, поскольку он очень быстро ускоряется.
  • Мишень (не показана), с которой сталкиваются частицы, расположена на конце ускоряющих электродов. Если электроны ускоряются для получения рентгеновских лучей, тогда используется вольфрамовая мишень с водяным охлаждением. При ускорении протонов или других ядер используются различные материалы мишени , в зависимости от конкретного исследования. За мишенью расположены различные детекторы для обнаружения частиц, возникающих в результате столкновения падающих частиц с атомами мишени. Многие линейные ускорители служат начальной ступенью ускорителя для более крупных ускорителей частиц, таких как синхротроны и накопительные кольца , и в этом случае, покинув электроды, ускоренные частицы попадают на следующую ступень ускорителя.
  • Электронный генератор и усилитель (G) , который генерирует радиочастотное переменное напряжение с высоким потенциалом (обычно тысячи вольт) , который применяется к цилиндрическим электродам. Это ускоряющее напряжение, которое создает электрическое поле, ускоряющее частицы. Как показано, на последовательные электроды подается противофазное напряжение. Ускоритель высокой мощности будет иметь отдельный усилитель для питания каждого электрода, синхронизированного с одной и той же частотой.

Как показано на анимации, колебательное напряжение, приложенное к чередующимся цилиндрическим электродам, имеет противоположную полярность ( сдвиг по фазе на 180 ° ), поэтому соседние электроды имеют противоположные напряжения. Это создает колеблющееся электрическое поле (E)в зазоре между каждой парой электродов, который оказывает силу на частицы, когда они проходят, передавая им энергию, ускоряя их. Источник частиц вводит группу частиц в первый электрод один раз за каждый цикл подачи напряжения, когда заряд на электроде противоположен заряду частиц. Электроды имеют правильную длину, так что ускоряющие частицы проходят через каждый электрод ровно за половину цикла. Каждый раз, когда сгусток частиц проходит через электрод, колебательное напряжение меняет полярность, поэтому, когда частицы достигают зазора между электродами, электрическое поле имеет правильное направление для их ускорения. Следовательно, частицы ускоряются до более высокой скорости каждый раз, когда проходят между электродами;внутри электродов небольшое электрическое поле, поэтому частицы перемещаются с постоянной скоростью внутри каждого электрода.

Частицы впрыскиваются в нужное время, так что колебательный перепад напряжения между электродами является максимальным, когда частицы пересекают каждый зазор. Если пиковое напряжение, приложенное между электродами, составляет вольт , а заряд каждой частицы является элементарным зарядом , частица получает равное приращение энергии электрон-вольт при прохождении через каждый зазор. Таким образом, выходная энергия частиц равна

электрон-вольт, где - количество ускоряющих электродов в машине.

На скоростях, близких к скорости света, приращение скорости будет небольшим, и энергия будет проявляться как увеличение массы частиц. В тех частях ускорителя, где это происходит, длина трубчатых электродов будет почти постоянной. Могут быть включены дополнительные магнитные или электростатические линзовые элементы, чтобы гарантировать, что луч остается в центре трубы и ее электродов. Очень длинные ускорители могут поддерживать точное выравнивание своих компонентов за счет использования сервосистем, управляемых лазерным лучом.

Концепции в разработке [ править ]

В настоящее время (2021 г.) разрабатываются различные новые концепции. Основная цель - сделать линейные ускорители более дешевыми, с лучшими сфокусированными пучками, более высокой энергией или более высоким током пучка.

Индукционный линейный ускоритель [ править ]

В индукционных линейных ускорителях для ускорения используется электрическое поле, индуцированное изменяющимся во времени магнитным полем, как в бетатроне . Пучок частиц проходит через ряд кольцевых ферритовых сердечников, расположенных один за другим, которые намагничиваются сильноточными импульсами и, в свою очередь, генерируют импульс напряженности электрического поля вдоль оси направления луча. Рассмотрены индукционные линейные ускорители для коротких сильноточных импульсов от электронов, а также от тяжелых ионов. [3] Идея восходит к работе Николая Христофилоса . [4] Его реализация во многом зависит от прогресса в разработке более подходящего феррита.материалы. С электронами были достигнуты импульсные токи до 5 килоампер при энергиях до 5 МэВ и длительности импульсов в диапазоне от 20 до 300 наносекунд. [5]

Восстановление энергии LINAC [ править ]

В предыдущих линейных ускорителях электронов ускоренные частицы использовались только один раз, а затем подавались в поглотитель (сброс пучка) , в котором их остаточная энергия преобразуется в тепло. В энергетике восстановление Л (ERL; буквально: «Восстановление энергии линейного ускорителя»), вместо этого, ускоряются в резонаторах и, например, в ондуляторах . Используемые электроны возвращаются через ускоритель со сдвигом по фазе на 180 градусов. Поэтому они проходят через резонаторы в фазе торможения и, таким образом, возвращают оставшуюся энергию полю. Эта концепция сравнима с гибридным приводом автомобилей, где кинетическая энергия, выделяющаяся при торможении, становится доступной для следующего ускорения путем зарядки аккумулятора.

Национальная лаборатория Brookhaven  и Гельмгольц-Zentrum Berlin с проектом «bERLinPro» сообщили о соответствующих опытно -конструкторских работах. В берлинском экспериментальном ускорителе используются сверхпроводящие полые ниобиевые резонаторы указанного выше типа. В 2014 году в мире работали три лазера на свободных электронах на основе линейных ускорителей с рекуперацией энергии  : в лаборатории Джефферсона (США), в Институте ядерной физики им. Будкера (Россия) и в JAEA (Япония). [6]  В Университете Майнца строится ERL под названием MESA, и он должен (по состоянию на 2019 год) вступить в строй в 2022 году.

Компактный линейный коллайдер [ править ]

Концепция компактного линейного коллайдера (CLIC) (первоначальное название CERN Linear Collider , с той же аббревиатурой) для электронов и позитронов обеспечивает ускоритель бегущей волны для энергий порядка 1 тераэлектронвольт (ТэВ). [7] Вместо многочисленных клистронных усилителей, необходимых для генерации ускоряющей мощности, следует использовать второй параллельный линейный ускоритель электронов меньшей энергии, который работает со сверхпроводящими полостями, в которых образуются стоячие волны. Высокочастотная мощность извлекается из него через равные промежутки времени и передается на главный ускоритель. Таким образом, должна быть достигнута очень высокая напряженность поля ускорения 80 МВ / м.

Ускоритель Кильфельда (плазменный ускоритель) [ править ]

В объемных резонаторах диэлектрическая прочность ограничивает максимальное ускорение, которое может быть достигнуто на определенном расстоянии. Этот предел можно обойти в ускорителях Кильфельда : лазер или луч частиц возбуждает колебания в плазме , которые связаны с очень сильной напряженностью электрического поля. Это означает, что возможно создание значительно более компактных линейных ускорителей.

Современные концепции линейных ускорителей [ править ]

Чем выше частота выбранного ускоряющего напряжения, тем больше отдельных ускоряющих толчков на длину пути испытывает частица с заданной скоростью, и, следовательно, тем короче может быть ускоритель в целом. Вот почему технология ускорителей развивалась в поисках более высоких энергий частиц, особенно в сторону более высоких частот.

Концепции линейных ускорителей (часто называемые структурами ускорителей в технических терминах), которые используются примерно с 1950 года, работают с частотами в диапазоне от примерно 100 мегагерц (МГц) до нескольких гигагерц (ГГц) и используют компонент электрического поля электромагнитных волн.

Стоячие волны и бегущие волны [ править ]

Когда дело доходит до энергий более нескольких МэВ, ускорители для ионов отличаются от ускорителей для электронов. Причина этого - большая разница масс между частицами. Электроны уже приближаются к скорости света , абсолютному пределу скорости, в несколько МэВ; при дальнейшем ускорении, как описывает релятивистская механика , почти только их энергия и импульс увеличиваются. С другой стороны, с ионами этого диапазона энергии скорость также значительно увеличивается из-за дальнейшего ускорения.

Концепции ускорения, используемые сегодня для ионов , всегда основаны на стоячих электромагнитных волнах , которые образуются в подходящих резонаторах . В зависимости от типа частицы, диапазона энергий и других параметров используются очень разные типы резонаторов; следующие разделы охватывают только некоторые из них. Электроны также могут быть ускорены стоячими волнами выше нескольких МэВ. Однако выгодной альтернативой здесь является прогрессивная волна, бегущая волна. Фазовая скорость бегущая волна должна быть примерно равна скорости частиц. Следовательно, этот метод подходит только тогда, когда частицы движутся почти со скоростью света, так что их скорость увеличивается очень незначительно.

Разработка высокочастотных генераторов и усилителей мощности с 1940-х годов, особенно клистрона, была важна для этих двух методов ускорения. Первый более крупный линейный ускоритель со стоячими волнами - для протонов - был построен в 1945/46 году в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли под руководством Луиса В. Альвареса . Используемая частота составляла 200 МГц. Первый ускоритель электронов с бегущей волны от около 2 ГГц (гигагерц) был разработан немного позже в Стэнфордском университете по WW Хансен и его коллеги. [8]

Принцип ускорения пакетов частиц
стоячей волной
бегущей волной

На двух диаграммах кривая и стрелки указывают силу, действующую на частицы. Только в точках с правильным направлением вектора электрического поля, то есть с правильным направлением силы, частицы могут поглощать энергию волны. (Увеличение скорости невозможно увидеть в масштабе этих изображений.)

Преимущества [ править ]

В Стэнфордского университета сверхпроводящий линейный ускоритель, размещался на кампусе ниже Hansen Labs до 2007. Этот объект отделен от СЛАКе
Стальная отливка подвергается рентгеновскому излучению на линейном ускорителе Goodwin Steel Castings Ltd

Линейный ускоритель мог производить частицы более высокой энергии, чем предыдущие электростатические ускорители частиц ( ускоритель Кокрофта-Уолтона и генератор Ван де Граафа ), которые использовались, когда он был изобретен. В этих машинах частицы только один раз ускорялись приложенным напряжением, поэтому энергия частиц в электрон-вольтах была равна ускоряющему напряжению на машине, которое было ограничено несколькими миллионами вольт из-за пробоя изоляции. В линейном ускорителе частицы многократно ускоряются под действием приложенного напряжения, поэтому энергия частиц не ограничивается ускоряющим напряжением.

Также разрабатываются мощные линейные ускорители для производства электронов с релятивистскими скоростями, что необходимо, поскольку быстрые электроны, движущиеся по дуге, будут терять энергию из-за синхротронного излучения.; это ограничивает максимальную мощность, которая может быть передана электронам в синхротроне данного размера. Линейные ускорители также способны производить потрясающую мощность, производя почти непрерывный поток частиц, тогда как синхротрон только периодически поднимает частицы до энергии, достаточной для «выстрела» в цель. (Всплеск может удерживаться или храниться в кольце при энергии, чтобы дать экспериментальной электронике время для работы, но средний выходной ток все еще ограничен.) Высокая плотность выходного сигнала делает линейный ускоритель особенно привлекательным для использования в установках с накопительным кольцом. с частицами при подготовке к столкновениям частицы с частицами. Высокая масса также делает устройство практичным для производства антивещества.частицы, которые обычно трудно получить, так как они составляют лишь небольшую часть продуктов столкновения цели. Затем их можно сохранить и в дальнейшем использовать для изучения аннигиляции вещества и антивещества.

Медицинские линейные ускорители [ править ]

Историческое изображение, показывающее Гордона Айзекса, первого пациента, получившего лечение от ретинобластомы с помощью лучевой терапии с линейным ускорителем (в данном случае электронным пучком) в 1957 году в США. Другие пациенты лечились линейным ускорителем от других заболеваний с 1953 года в Великобритании. Правый глаз Гордона удалили 11 января 1957 года, потому что там распространился рак. Однако в его левом глазу была только локализованная опухоль, которая побудила Генри Каплана лечить его электронным лучом.

Лучевая терапия на основе линейного ускорителя для лечения рака началась с первого пациента, пролеченного в 1953 году в Лондоне, Великобритания, в больнице Хаммерсмит , с помощью аппарата 8 МВ, построенного Metropolitan-Vickers и установленного в 1952 году в качестве первого специализированного медицинского линейного ускорителя. [9] [10] Спустя некоторое время в 1954 году в Стэнфорде, США, был установлен линейный ускоритель мощностью 6 МВ, лечение которого началось в 1956 году.

Медицинские линейные ускорители ускоряют электроны с помощью волновода с настроенным резонатором, в котором радиочастотная мощность создает стоячую волну . Некоторые линейные ускорители имеют короткие вертикально установленные волноводы, в то время как машины с более высокой энергией, как правило, имеют более длинный горизонтальный волновод и изгибающий магнит для поворота луча вертикально к пациенту. В медицинских линейных ускорителях используются моноэнергетические электронные пучки от 4 до 25 МэВ, что дает выход рентгеновского излучения со спектром энергий до энергии электронов включительно, когда электроны направлены на цель с высокой плотностью (например, вольфрамовую ). Электроны или рентгеновские лучи можно использовать для лечения как доброкачественных, так и злокачественных заболеваний. LINAC производит надежный, гибкий и точный луч излучения. Универсальность LINAC - потенциальное преимущество передкобальтотерапия как средство лечения. Кроме того, устройство можно просто выключить, когда оно не используется; нет источника, требующего сильного экранирования, хотя сама процедурная комната требует значительного экранирования стен, дверей, потолка и т. д. для предотвращения выхода рассеянного излучения. Продолжительное использование мощных (> 18 МэВ) машин может вызвать значительное количество излучения в металлических частях головки машины после отключения питания машины (т. Е. Они становятся активным источником, и необходимо соблюдать необходимые меры предосторожности. ).

Заявка на разработку медицинских изотопов [ править ]

Ожидаемый дефицит [ какой? ] Из Мо-99 , а также технеций-99m медицинского изотопа , полученный из него, также пролить свет на технологию линейного ускорителя для получения Mo-99 из не-обогащенного урана через нейтронную бомбардировку. Это позволило бы индустрии медицинских изотопов производить этот критически важный изотоп с помощью подкритического процесса. Установки для выдерживания, например лаборатории Chalk River Laboratories в Онтарио, Канада, которые все еще производят большую часть Mo-99 из высокообогащенного урана, могут быть заменены этим новым процессом. Таким образом, докритическая загрузка растворимых солей урана в тяжелой водес последующей фотонейтронной бомбардировкой и извлечением целевого продукта Mo-99. [11] [ нужен лучший источник ]

Недостатки [ править ]

  • Длина устройства ограничивает места, где его можно разместить.
  • Требуется большое количество приводных устройств и связанных с ними источников питания, что увеличивает затраты на строительство и обслуживание этой части.
  • Если стенки ускоряющих резонаторов изготовлены из нормально проводящего материала и ускоряющие поля большие, удельное сопротивление стенок быстро преобразует электрическую энергию в тепло. С другой стороны, сверхпроводники также нуждаются в постоянном охлаждении, чтобы поддерживать их температуру ниже критической, а ускоряющие поля ограничиваются гашением . Поэтому высокоэнергетические ускорители, такие как SLAC , все еще самые длинные в мире (в различных его поколениях), работают короткими импульсами, ограничивая средний выходной ток и заставляя экспериментальные детекторы обрабатывать данные, поступающие короткими импульсами.

См. Также [ править ]

  • Физика ускорителя
  • Луч
  • Компактный линейный коллайдер
  • Диэлектрический настенный ускоритель
  • Дуоплазматрон
  • Международный линейный коллайдер
  • Ускоритель частиц
  • Пучок частиц
  • Национальная ускорительная лаборатория SLAC

Ссылки [ править ]

  1. ^ Г. Изинг: Prinzip einer Methode zur Herstellung von Kanalstrahlen hoher Voltzahl. В: Arkiv för Matematik, Astronomi och Fysik. Группа 18, № 30, 1924, с. 1–4.
  2. ^ Widerøe, R. (17 декабря 1928). "Über Ein Neues Prinzip Zur Herstellung Hoher Spannungen". Archiv für Elektronik und Übertragungstechnik . 21 (4): 387–406. DOI : 10.1007 / BF01656341 . S2CID  109942448 .
  3. ^ «Тяжелые ионы предлагают новый подход к синтезу» . ЦЕРН Курьер . 2002-06-25 . Источник 2021-01-22 .
  4. ^ Христофилос, Северная Каролина; Хестер, RE; Lamb, W. a. S .; Рейган, Д. Д.; Шервуд, Вашингтон; Райт, RE (1964-07-01). «Сильноточный линейный индукционный ускоритель для электронов» . Обзор научных инструментов . 35 (7): 886–890. Bibcode : 1964RScI ... 35..886C . DOI : 10.1063 / 1.1746846 . ISSN 0034-6748 . 
  5. ^ Fraas, H. (1989). "Kern- und Elementarteilchenphysik. Фон Г. Мусиол, Дж. Ранфт, Р. Рейф и Д. Селигер, VCH Verlagsgesellschaft Weinheim, 1988, DM 128" . Physik in unserer Zeit . 20 (1): 31. Bibcode : 1989PhuZ ... 20 ... 31F . DOI : 10.1002 / piuz.19890200109 . ISSN 0031-9252 . 
  6. ^ Jaeschke, Эберхард; Хан, Шаукат; Schneider, Jochen R .; Гастингс, Джером Б., ред. (2016). Синхротронные источники света и лазеры на свободных электронах: физика ускорителей, приборы и научные приложения . Издательство Springer International. ISBN 978-3-319-14393-4.
  7. ^ Раубенхаймер, TO (2000). Линейный коллайдер 3 ТэВ e + e− на основе технологии CLIC . Женева. ISBN 92-9083-168-5.
  8. ^ Гинзтон, EL; Hansen, WW; Кеннеди, WR (1948-02-01). «Линейный ускоритель электронов» . Обзор научных инструментов . 19 (2): 89–108. Bibcode : 1948RScI ... 19 ... 89G . DOI : 10.1063 / 1.1741225 . ISSN 0034-6748 . PMID 18908606 .  
  9. ^ Туэйтс, Д.И. и Туохи Дж., Назад в будущее: история и развитие клинического линейного ускорителя, Phys. Med. Биол. 51 (2006) R343 – R36, DOI: 10.1088 / 0031-9155 / 51/13 / R20
  10. ^ LINAC-3, Достижения в медицинской технологии линейных ускорителей . ampi-nc.org. Недоступно 25 февраля 2021 г.
  11. ^ Gahl и Флэгг (2009). Технический обзор генератора радиоизотопов-мишеней . Производство Mo99 подкритического деления. Проверено 6 января 2013 года.

Внешние ссылки [ править ]

  • Анимация линейного ускорителя частиц (LINAC) от Ionactive
  • Линейный ускоритель 2MV Tandetron в Любляне, Словения