Ускорители заряженных частиц

Содержание

Гигиена труда

Работа на У. з. ч. связана с возможностью воздействия на персонал комплекса проф. факторов радиационной и нерадиационной природы. Состав и соотношение различных компонентов ионизирующих излучений, пространственное распределение потоков зависит от назначения и конструкции У. з. ч., здания, в к-ром он размещен, размеров и конфигурации средств специальной защиты. Основной пучок излучения (протоны, электроны) резко ограничен в пространстве; при взаимодействии его со специальными мишенями или элементами конструкции У. з. ч. формируется поле вторичных излучений, а при прохождении через массивы технологических и строительных конструкций создаются поля излучения третьего порядка. Наличие защитных устройств приводит к поглощению излучений, а также к деформации их начального спектра и углового распределения. На ускорителях тяжелых частиц (протонов и др.) в процессе ядерных реакций, кроме высокоэнергетических нуклонов, образуются И±- и П°-мезоны, К±- и К°-мезоны и гипероны с энергией от долей электрон-вольта до энергии, сравнимой с максимальной энергией ускоренных протонов. Основной вклад в эквивалентную дозу за защитой составляют частицы высоких энергий (>20 Мэв) и быстрые нейтроны. Так, при работе синхрофазотрона на 10 Гэв за пределами защиты 35— 50% суммарной эквивалентной дозы составляют нуклоны и я-мезоны высоких энергий, 40—55% быстрые нейтроны, а остальное — медленные нейтроны и у-кванты. Вокруг ускорителей электронов потоки нейтронов незначительны.

Под влиянием излучения активируются металлические детали и конструкции У. з. ч. (возникает так наз. наведенная активность), вследствие чего при проведении ремонтных работ эти детали и конструкции становятся источниками бета- и гамма-излучения, загрязнения рук и одежды радионуклидами. В зоне ускорителя вследствие активации воздуха образуются короткоживущие нуклиды 150, 13N, ПС, 41 Аг.

Ионизирующие излучения, образующиеся при работе У. з. ч., имеют высокую биол. эффективность. Протоны высоких энергий при воздействии на биол. системы приводят к развитию лучевых реакций, к-рые по направленности, характеру, срокам развития тождественны эффектам, возникающим под влиянием гамма-излучения (см.). Действие на биол. объекты ускоренных ионов гелия, бора, углерода и неона приводит к развитию в них более выраженных эффектов, значительно превышающих эффекты от воздействия у-излучения. На современных У. з. ч. уровни облучения персонала значительно ниже допустимых значений. К нерадиационным факторам проф. воздействия относятся: постоянное магнитное поле (см.), а также озон (см.) и окислы азота (см. Азот), образующиеся вследствие ионизации воздуха.

Обеспечение безопасных условий труда достигается отделением мест постоянного пребывания персонала от помещений, где расположены У. з. ч., мощными бетонными стенами, применением земляной обваловки помещений. В экспериментальных залах предусматриваются сборно-разборные защитные устройства. Двери в помещение, где размещены У. з. ч., снабжаются системой блокировки, звуковой и световой сигнализацией для предупреждения захода персонала в помещение во время работы У. з. ч. Вход в помещение разрешается только после включения специальной вентиляции, а ремонтные и другие работы с активированными деталями и мишенями — после снижения их активности.

За работой У. з. ч. осуществляется постоянный дозиметрический контроль (см.) с помощью стационарных систем и переносных приборов (см. Дозиметрия ионизирующих излучений). Системы дистанционного контроля позволяют определять уровни импульсного многокомпонентного излучения, генерируемого при работе У. з. ч., уровни наведенной радиоактивности устройств У. з. ч.? а также воздуха и аэрозолей в помещении. Используются методы индивидуальной дозиметрии персонала. Для лиц, обслуживающих У. з. ч., законодательством установлен сокращенный рабочий день, дополнительный отпуск, обязательные предварительные и периодические медицинские осмотры (см. Медицинский осмотр).

См. также Противолучевая защита, Радиационная безопасность.

Библиогр.: Глухих В. А. Ускорители заряженных частиц для промышленности и медицины, Л., 1977; Дозиметрический и радиометрический контроль при работе с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений, под ред. В. И. Гришмановского, т. 2, с. 9, М., 1981; Капица С. П. и Мелехин В. Н. Микротрон, М., 1969; Князев В. А. и др. Радиационная безопасность на ускорителях протонов высокой энергии, Атомная энергия, т. 27, в. 3, с. 210, 1969; Хараджа Ф. Н. Общий курс рентгенотехники, М.— Л., 1966.

С. Ф. Жулинский; Г. М. Пархоменко (гиг. труда).

Генерация

Электроны и протоны, которые наиболее часто используются в ускорителях, встречаются во всех материалах, но сперва их нужно из них выделить. Электроны, как правило, генерируются точно так же, как в кинескопе – в устройстве, которое называется «пушкой». Она представляет собой катод (отрицательный электрод) в вакууме, который нагревается до состояния, когда электроны начинают отрываться от атомов. Отрицательно заряженные частицы притягиваются к аноду (положительному электроду) и проходят через выпускное отверстие. Сама пушка также является простейшим ускорителем, так как электроны движутся под действием электрического поля. Напряжение между катодом и анодом, как правило, находится в пределах 50–150 кВ.

Помимо электронов, во всех материалах содержатся протоны, но из одиночных протонов состоят лишь ядра атомов водорода. Поэтому источником частиц для ускорителей протонов является газообразный водород. В этом случае газ ионизируется и протоны выходят через отверстие. В больших ускорителях протоны часто образуются в виде отрицательных ионов водорода. Они представляют собой атомы с дополнительным электроном, которые являются продуктом ионизации двухатомного газа. С отрицательно заряженными ионами водорода на начальных этапах работать легче. Потом их пропускают через тонкую фольгу, которая лишает их электронов перед финальной стадией ускорения.

Линейные ускорители: ощутите разницу

Чем отличается лечение на линейном ускорителе от обычной лучевой терапии? При проведении лучевого облучения на традиционных аппаратах, используется мощное гамма-излучение, которое эффективно разрушает опухоль. Существенным недостатком устаревшей технологии является неуправляемое излучение, которое поражает здоровые ткани и органы, что ведет к инвалидизации и снижению качества жизни онкобольных.

Современные линейные ускорители отличает отсутствие в них радиоактивных элементов. Облучение осуществляется узконаправленными лучами, в месте пересечения которых образуется высокая концентрация радиации на область новообразования. Также различаются способы определения формы и расположения опухоли. Инновационные технологии позволяют формировать участок облучения по форме пораженных тканей, что дает возможность использовать линейные ускорители для лечения онкологии подвижных новообразований при естественном изменении их положения.

Копилка

  • Как на крыльях бабочек создается защитное изображение змеи

    Бабочки, конечно, ничего не знают о змеях. Зато о них знают птицы, охотящиеся на бабочек. Птицы, плохо распознающие змей, чаще становятся…

  • Если octo на латыни «восемь», то почему октава содержит семь нот?

    Октавой называется интервал между двумя ближайшими одноименными звуками: до и до, ре и ре и т. д. С точки зрения физики «родство» этих…

  • Почему важных особ называют августейшими?

    В 27 году до н. э. римский император Октавиан получил титул Август, что на латыни означает «священный» (в честь этого же деятеля, кстати,…

  • Чем пишут в космосе

    Известная шутка гласит: «NASA потратило несколько миллионов долларов, чтобы разработать специальную ручку, способную писать в космосе….

  • Почему основа жизни — углерод?

    Известно порядка 10 миллионов органических (то есть основанных на углероде) и лишь около 100 тысяч неорганических молекул. Вдобавок…

  • Почему кварцевые лампы синие?

    В отличие от обычного стекла, кварцевое пропускает ультрафиолет. В кварцевых лампах источником ультрафиолета служит газовый разряд в парах ртути. Он…

  • Почему дождь иногда льет, а иногда моросит?

    При большом перепаде температур внутри облака возникают мощные восходящие потоки. Благодаря им капли могут долго держаться в воздухе и…

Как построить двигатель для межпланетных полетов?

Сразу оговоримся (как, собственно, это и сделал автор идеи в своем докладе), что идея создания подобного двигателя — это лишь концепция. Рабочего прототипа у NASA на данный момент нет. Инженер Дэвид Бернс из Космического центра Маршалла NASA предложил использовать ускоритель частиц, который имеет спиралевидную форму. Он назвал такой двигатель «винтовым».

Конструкция двигателя основана на третьем законе Ньютона. Если кто-то вдруг забыл, то вкратце напомним: третий закон Ньютона или закон равенства действия и противодействия — один из трёх основных законов ньютоновской механики. Он говорит о том, что каждому действию всегда есть равное и противоположное ему противодействие. В качестве примера инженер NASA описывает прямой запаянный с двух сторон стержень, внутри которого движется груз. Груз, двигающийся вдоль прямого стержня внутри стержня, заставит его перемещаться назад и вперед по свободной от трения поверхности.

Однако же если вместо груза использовать ускоритель частиц, который движется по спирали, то все меняется. При движении вперед, его потенциальная энергия увеличивается, и она падает при движении назад. Таким образом, когда элемент попадает в переднюю камеру стержня, происходит движение вперед. Бернс считает, что если винтовому двигателю дать достаточно времени и энергии, он сможет достичь с помощью ускорителя частиц потенциально релятивистских скоростей. Иллюстрация этого процесса представлена на рисунке ниже. А что вы думаете по поводу данного двигателя? Напишите об этом в нашем чате в Телеграм.

Теоритический принцип действия нового двигателя

При этом есть у такого вида двигателя и ряд ограничений. В первую очередь, на Земле в полной мере протестировать подобный двигатель просто не получится, так как работать он будет лишь в условиях полного отсутствия трения. То есть в открытом космосе. Другой момент — это размеры самого двигателя. При диаметре в 12 метров его длина составит почти 200 метров. И это лишь двигатель без жилых отсеков, вспомогательного оборудования, систем жизнеобеспечения и так далее. В условиях космоса такие размеры невелики, но чтобы вы понимали масштаб: МКС на данный момент имеет длину порядка 100 метров, а Starship от Илона Маска — около 50 метров.

Другой момент касается энергоэффективности. Потребуется около 125 мегаватт для того, чтобы получить хотя бы один ньютон силы. Также неэффективность установки может возникнуть из-за того, что его конструкция может нарушать закон сохранения импульса. Но инженер считает, что «стоит хотя бы попробовать», прежде чем отказаться от этой идеи. А каково ваше мнение?

История (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Ускорители заряженных частиц в основном разрабатывались для исследований свойств атомных ядер и элементарных частиц. Начиная с открытия британского физика Эрнеста Резерфорда в 1919 году реакции ядра азота и альфа-частицы, все исследования в области ядерной физики до 1932 года проводились с ядрами гелия, выпущенными в результате распада естественных радиоактивных элементов. Природные альфа-частицы обладают кинетической энергией 8 МэВ, но Резерфорд считал, что для наблюдения распада тяжелых ядер необходимо их искусственно ускорить до еще больших значений. В то время это представлялось сложным. Однако расчет, сделанный в 1928 году Георгием Гамовым (в университете Геттингена, Германия), показал, что могут быть использованы ионы со значительно меньшими энергиями, и это стимулировало попытки построить установку, которая обеспечивала пучок, достаточный для ядерных исследований.

Другие события этого периода продемонстрировали принципы, по которым ускорители заряженных частиц строятся и по сей день. Первые успешные эксперименты с искусственно ускоренными ионами были проведены Кокрофтом и Уолтоном в 1932 году в Кембриджском университете. Используя умножитель напряжения, они ускорили протоны до 710 кэВ и показали, что последние реагируют с ядром лития с образованием двух альфа-частиц. К 1931 году в Принстонском университете в Нью-Джерси Роберт Ван-де-Грааф построил первый ременной электростатический генератор высокого потенциала. Умножители напряжения Кокрофта-Уолтона и генераторы Ван-де-Граафа по-прежнему используются в качестве источников энергии для ускорителей.

Принцип линейного резонансного ускорителя был продемонстрирован Рольфом Видероэ в 1928 г. В Рейн-Вестфальском техническом университете в ​​Аахене, Германия, он использовал высокое переменное напряжение для ускорения ионов натрия и калия до энергий, в два раза превышающих сообщаемые им. В 1931 году в Соединенных Штатах Эрнест Лоуренс и его помощник Дэвид Слоун из Университета Калифорнии, Беркли, использовали высокочастотные поля для ускорения ионов ртути до энергий, превышающих 1,2 МэВ. Эта работа дополнила ускоритель тяжелых заряженных частиц Видероэ, но ионные пучки не пригодились в ядерных исследованиях.

Магнитный резонансный ускоритель, или циклотрон, был задуман Лоуренсом как модификация установки Видероэ. Студент Лоренса Ливингстон продемонстрировал принцип циклотрона в 1931 году, произведя ионы с энергией в 80 кэВ. В 1932 году Лоуренс и Ливингстон объявили об ускорении протонов до более 1 МэВ. Позже в 1930-е годы энергия циклотронов достигла около 25 МэВ, а генераторов Ван-де-Граафа – около 4 МэВ. В 1940 году Дональд Керст, применяя результаты тщательных расчетов орбиты к конструкции магнитов, построил в Университете штата Иллинойс первый бетатрон, магнитно-индукционный ускоритель электронов.

Гипотетические ускорители

Помимо настоящих ускорителей, перечисленных выше, существуют гипотетические ускорители, которые физики элементарных частиц часто используют в качестве гипотетических примеров или оптимистических проектов.

  • Eloisatron (Eurasiatic Long Intersecting Storage Accelerator) был проектом INFN, возглавляемого Антонио Зичичи в Фонде Этторе Майорана и Центре научной культуры в Эриче , Сицилия . Энергия центра масс планировалась равной 200 ТэВ, и планировалось, что она будет охватывать части Европы и Азии .
  • Фермитрон — это ускоритель, набросанный Энрико Ферми в блокноте в 1940-х годах и предлагавший ускоритель на стабильной орбите вокруг Земли.
  • Ондуляторное излучение коллайдер является конструкцией для ускорителя с энергией в системе центра масс вокруг шкалы ТВА . Это будет световые недели в поперечнике и потребует создания роя Дайсона вокруг Солнца .
  • Планкатрон — это ускоритель с энергией центра масс порядка планковского масштаба . Предполагается, что радиус Планкатрона должен быть примерно равен радиусу Млечного Пути. Для его работы потребуется столько энергии, что его могла построить, по крайней мере, цивилизация Кардашевского типа II .
  • Возможно, также в эту категорию попадает Зеватрон , гипотетический источник наблюдаемых космических лучей сверхвысокой энергии.

В поисках частицы бога

В науке и технике в настоящее время нашли широкое применение ускорители заряженных частиц — установки для получения пучков заряженных частиц высоких энергий — от десятков килоэлектронвольт (кэВ) до нескольких тераэлектронвольт (ТэВ).

Крайним шагом на сегодня стало создание коллайдеров—ускорителей со встречными пучками, где два пучка частиц раскручиваются в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. Идею высказал и даже запатентовал в 1943 году норвежский физик Рольф Видероэ, однако реализована она была лишь в начале 1960-х годов.

И вот в 2008 году в строй вступает самый мощный ускоритель, когда-либо построенный человеком,— Большой адронный коллайдер, LHC, с энергией протонов 7 ТэВ. Он расположен в подземном кольцевом туннеле длиной 27 км на границе Швейцарии и Франции. Физики надеялись, и, надо сказать, не зря, что результаты LHC приведут к новому прорыву в понимании глубинного устройства нашего мира.

Четвертого июля 2012 года физики Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) официально объявили об открытии новой частицы, похожей на бозон Хиггса, и только 14 марта 2013 года исследователи подтвердили, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

Бозон Хиггса — это элементарная частица, играющая ключевую роль в понимании механизмов образования и развития нашей Вселенной после так называемого Большого взрыва. Сама частица имеет много почетных прозвищ: «Частица Бога», «Ангел Творения», «Кирпич, который построил Вселенную». Можно сказать, бозон Хиггса улавливает частицы, которые перемещаются вокруг, и превращает их в материю.

То есть, если говорить очень упрощенно, бозоны Хиггса придают массу всем, а может, и не всем, но многим другим элементарным частицам, что делает возможным существование атомов, из которых состоит Вселенная.

Основные применения ускорителей относятся к разным отраслям науки и техники. Перечислим лишь некоторые. В медицине это лечение онкологических заболеваний и радиодиагностика. В инженерии — производство полупроводниковых устройств, радиационная дефектоскопия, радиационное сшивание полимеров, радиационная очистка топочных газов и сточных вод. Но все же по-прежнему к числу основных областей применения ускорителей относятся ядерная физика и физика высоких энергий. Современные ускорители заряженных частиц — это главные источники информации для физиков, изучающих вещество, энергию, пространство и время. Ведь большинство элементарных частиц, известных сегодня, не встречаются в естественных условиях на Земле и получены только на ускорителях. Эти потребности физики элементарных частиц и являются главным стимулом для развития ускорительной техники.

Поделиться ссылкой

Шаткая модель и одна частица

В 2012 году эксперимент БАК позволил физикам обнаружить призрачную частицу под названием бозон Хиггса, которая стала важной частицей головоломки в Стандартной модели физики элементарных частиц. Годом спустя коллайдер был остановлен для обслуживания и реконструкции, и обновление потребовало больше времени, чем ожидалось

Хотя ученые и довольствуются открытием бозона, они не удовлетворены текущим состоянием физики элементарных частиц и своими находками. Бозон Хиггса, говорят ученые, это не конец пути, а новая дверь или «новый ключ» к сложному механизму. Кроме того, некоторые ученые жалуются, что смогли изучить только тысячу-другую частиц, в то время как частиц, объясняющих существующую Вселенную, намного больше.

Один из ученых, участвующих в эксперименте, считает, что нынешняя Стандартная модель Вселенной, построенная на физике элементарных частиц, «очень и очень хороша», но не может объяснить Вселенную. Вот почему некоторые члены команды хотят сбросить с трона некоторые существующие теории и перестроить их с нуля, вместо того чтобы доказывать, что они верны.

СМИ ПОН

Подлинная история советского «ограбления века». Дело братьев Калачян

В 1977 году в Армении произошло крупнейшее в истории СССР ограбление Госбанка.

Об ограблении денежных хранилищ Госбанка не думали даже матёрые уголовники. И тем не менее в 1977 году случилось немыслимое — злоумышленники покусились на святая святых советской финансовой системы.

Операция «Архив». Как Советский Союз окончательно избавился от Гитлера

На рубеже 1980–1990-х годов, когда в Восточной Европе произошло обрушение просоветских режимов, а Западная Германия поглотила Восточную, произошло резкое усиление позиций неонацистов.

На фоне ниспровержения социализма крайне правые силы пытались добиться хотя бы частичной реабилитации нацизма.

Непобедимая страна. 15 интересных фактов о Советском Союзе

30 декабря 1922 года на Первом Всесоюзном съезде Советов было утверждено образование Союза Советских Социалистических республик. Советский Союз занимал территорию площадью 22 400 000 квадратных километров, являясь самой большой страной на планете, имел самую протяжённую границу в мире (свыше 60 000 километров) и граничил с 14 государствами.

Великая душа. Жизнь и принципы Махатмы Ганди

Мохандас Карамчанд Ганди родился 2 октября 1869 года в индийском городе Порбандар в состоятельной семье из варны вайшьев. Маленький Мохандас, или Мохан, меньше всего напоминал философа, мыслителя и политика, идеи которого перевернут мир.

Продукт гуманизма. Как сердобольный дантист придумал «электрический стул»

6 августа 1890 года человечество вписало новую страницу в свою историю. Научно-технический прогресс добрался и до такого специфического рода деятельности, как исполнение смертных приговоров. В Соединённых Штатах Америки была проведена первая смертная казнь на «электрическом стуле».

Придуманный из гуманных соображений «электрический стул» оказался одним из самых жестоких способов смертной казни.

Лучевая динамика

Из-за высокой скорости частиц и результирующей силы Лоренца для магнитных полей регулировка направления луча в основном контролируется магнитостатическими полями, которые отклоняют частицы. В большинстве концепций ускорителей (за исключением компактных структур, таких как циклотрон или бетатрон ) они применяются с помощью специальных электромагнитов с различными свойствами и функциями. Важным шагом в развитии этих типов ускорителей стало понимание сильной фокусировки . Дипольные магниты используются для направления луча через структуру, в то время как квадрупольные магниты используются для фокусировки луча, а секступольные магниты используются для коррекции эффектов дисперсии .

Частица, находящаяся на точной проектной траектории (или расчетной орбите ) ускорителя, испытывает только дипольные компоненты поля, в то время как частицы с поперечным отклонением положения перенаправляются на расчетную орбиту. Для предварительных расчетов, пренебрегая всеми компонентами поля выше квадрупольного, неоднородное дифференциальное уравнение ХиллаИкс(s){\ displaystyle \ scriptstyle x (s)}

d2ds2Икс(s)+k(s)Икс(s)знак равно1ρΔпп{\ Displaystyle {\ гидроразрыва {d ^ {2}} {ds ^ {2}}} \, x (s) + k (s) \, x (s) = {\ frac {1} {\ rho}} \, {\ frac {\ Delta p} {p}}}

можно использовать как приближение, с

непостоянная фокусирующая сила , включая сильную фокусировку и слабые фокусирующие эффектыk(s){\ displaystyle \ scriptstyle k (s)}
относительное отклонение от проектного импульса пучка Δпп{\ displaystyle \ scriptstyle \ Delta p / p}
радиус кривизны траектории , иρ{\ Displaystyle \ scriptstyle \ rho}
длина расчетного пути ,s{\ displaystyle \ scriptstyle s}

таким образом идентифицируя систему как параметрический осциллятор . Параметры пучка для ускорителя затем могут быть рассчитаны с использованием анализа матрицы передачи лучей ; например, квадрупольное поле аналогично линзе в геометрической оптике, имея аналогичные свойства в отношении фокусировки луча (но подчиняясь теореме Ирншоу ).

Общие уравнения движения происходят из релятивистской гамильтоновой механики , почти во всех случаях использующих параксиальное приближение . Даже в случаях сильно нелинейных магнитных полей и без параксиального приближения преобразование Ли можно использовать для построения интегратора с высокой степенью точности.

Автофазировка (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Важным эффектом при ускорении в переменном электрическом поле является «автофазировка». В одном цикле колебания переменное поле проходит от нуля через максимальное значение снова до нуля, падает до минимума и поднимается к нулю. Таким образом, оно дважды проходит через значение, необходимое для ускорения. Если частица, скорость которой возрастает, прибывает слишком рано, то на нее не будет действовать поле достаточной силы, и толчок будет слабым. Когда она достигнет следующего участка, то опоздает и испытает более сильное воздействие. В результате произойдет автофазировка, частицы будут находиться в фазе с полем в каждой ускоряющей области. Другим эффектом будет их группировка во времени с образованием сгустков, а не непрерывного потока.

Линейные ускорители

Схема линейного ускорителя

Понятно, что при использовании постоянных электрических полей для разгона частиц нужно создать огромную разность потенциалов. В некоторых самых ранних ускорителях эта разность достигала миллиона вольт. Такие высокие напряжения создавать непросто. Поэтому появилась идея прогонять заряженные частицы через последовательно расположенные ускоряющие электрические поля, созданные низкими потенциалами. Так устроены линейные ускорители. Частица в них движется по прямолинейной траектории, проходя через последовательно расположенные трубки, называемые трубками дрейфа. Это электроды в виде трубок. На них подаётся переменное напряжение. Так как трубки внутри изолированы, то электрическое поле существует только снаружи. Частица внутри движется равномерно по инерции (дрейфует). Соседние трубки имеют противоположную полярность. Поэтому как только частица попадает в промежуток между трубками (его называют ускоряющим промежутком), она получает ускорение. Размеры трубок подбираются таким образом, чтобы полярность трубок менялась в тот момент, когда частицы подходили к зазору между трубками. Таким образом, пролетая через трубки дрейфа, частица получает многократно ускоряется. В итоге ускорением частицы является сумма ускорений, полученных ею на всём протяжении своего пути.

Скорость электронов очень быстро растёт до скорости света, поэтому для их разгона применяют дрейфовые трубки одинаковой длины. А вот протоны разгоняются не так быстро, поэтому для их разгона используют трубки постепенно нарастающей длины.

Научно-популярный для ускорителей элементарных частиц

Частица Бога

Смоделированное событие в детекторе CMS, показывающее появление бозона Хиггса.

Частица Бога: если ответом является Вселенная, то в чем вопрос? — это научно-популярная книга 1993 года, написанная лауреатом Нобелевской премии физиком Леоном М. Ледерманом и писателем Диком Терези . Эта книга была очень популярной, бестселлером New York Times, которая познакомила публику с обзором науки о физике элементарных частиц.

В нем представлена ​​краткая история физики элементарных частиц , начиная с досократического греческого философа Демокрита и заканчивая Исааком Ньютоном , Роджером Дж. Босковичем , Майклом Фарадеем и Эрнестом Резерфордом . Это приводит к обсуждению развития квантовой физики в 20 веке. В знак к философии из атомизму , Ледерман следует соглашению использовать слово «атом» для обозначения атомов в их современном смысле , как наименьшая единица любого химического элемента , и «атом» , чтобы обратиться к фактической основной неделимой частицы вещества, кварки и лептоны.

Книги Ричарда Фейнмана

Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!

Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман! отредактированная сборник воспоминаний по этой Нобелевской премии выигрывающего физика Ричард Фейнман . Книга, выпущенная в 1985 году, охватывает самые разные случаи из жизни Фейнмана. Некоторые из них беззаботны по тону, например, его увлечение взломом сейфов , любовь к барам с обнаженной грудью, а также увлечение искусством имузыкой самбы . Другие охватывают более серьезный материал, включая его работу по Манхэттенского проекта (во время которого его первая жена Arline Greenbaum умер от туберкулеза ) и его критика науки образования системы в Бразилии .

Лекции Фейнмана по физике

Фейнмановские лекции по физике является 1964 физика учебник по Ричард Фейнман , Роберт Б. Лейтон и Мэтью Сэндс , основывается на лекциях Фейнмана для студентов в Калифорнийский технологический институт (Caltech) в 1961-63. Он включает лекции по математике , электромагнетизму , ньютоновской физике , квантовой физике и даже по отношению физики к другим наукам. Шесть легко доступных глав были позже объединены в книгу под названием « Шесть легких частей: основы физики, объясненные ее самым блестящим учителем», а еще шесть — в « Шесть непростых частей: теория относительности, симметрия и пространство-время Эйнштейна».

Первый том посвящен механике , излучению и теплу . Второй том в основном посвящен электромагнетизму и материи . Третий том, посвященный квантовой механике , показывает, например, как эксперимент с двумя щелями содержит существенные черты квантовой механики.

Большой адронный коллайдер создал свою нишу в популярной культуре. От реальной науки , которая включает в себя тайну частицы Хиггса , до оправдания стоимости и предотвращенной кибератаки , LHC получил много прессы. Это также послужило источником вдохновения для популярных художественных произведений. См. Вымышленные разделы ниже.

Современные концепции линейных ускорителей

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

Когда дело доходит до энергии 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 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.

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 правильным направлением силы, частицы могут поглощать энергию волны. (Увеличение скорости не видно в масштабе этих изображений.)