Основные принципы работы ускорителей и коллайдеров

Ускорители, коллайдеры (особенно Большой адронный коллайдер)

Реферат ученика

9 класса «Б» Ермолаева Ивана

Александровича

Руководитель: Наумов Алексей

Леонидович

Москва 2010

Оглавление

Оглавление.. 2

Введение.. 3

Глава 1. 3

Частицы. Ускорители. 4

Основные принципы работы ускорителей и коллайдеров. 4

Глава 2. 6

Большой Адронный Коллайдер (БАК). 7

Задачи, стоящие перед LHC.. 8

Общий вид. 8

Заключение.. 11

Список литературы... 15

Введение

Я выбрал эту тему, потому что она одна из самых популярных тем в наше время, так как с помощью Большого адронного коллайдера ученые изучают самую глубинную суть нашего мира. Они пытаются найти ответы (хотя бы приблизительные) на вопросы о свойствах материи, сил, пространства-времени.

Частицы, из которых состоит окружающий нас мир, живут совсем по другим законам, чем окружающий нас «макроскопический» мир. Не зная эти законы, трудно понять, что же изучается на Большом адронном коллайдере. Поэтому, не стремясь охватить здесь всю физику элементарных и нестабильных частиц, я постараюсь рассказать лишь про некоторые явления в микромире, имеющие прямое отношение к экспериментам на LHC[1].

Мой реферат можно будет использовать на уроках физики и химии при изучении элементарных и нестабильных частиц. Также я считаю, что мой реферат пригодится ученикам 9-11 классов и студентам физических вузов.

Глава 1.

Частицы. Ускорители.

“Ускор и тели зар я женных част и ц — устройства для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) больших энергий”. Ускорение производится с помощью электрического поля, способного изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами). Современные ускорители это огромные установки, достигающие в размерах нескольких километров. Самые большие ускорители из ныне работающих это Теватрон и Большой Адронный Коллайдер, первый находится в соединенных штатах Америки, а второй на границе Швейцарии и Франции. Существует множество различных видов ускорителей, но прежде чем перейти к их рассмотрению я расскажу вам принцип работы любого ускорителя.

Основные принципы работы ускорителей и коллайдеров

Основная схема ускорения частиц предусматривает три стадии: 1) формирование пучка и его инжекция, 2) ускорение пучка и 3) вывод пучка на мишень или осуществление соударения встречных пучков в самом ускорителе.

Формирование пучка и его инжекция. Исходным элементом любого ускорителя служит инжектор, в котором имеется источник направленного потока частиц с низкой энергией (электронов, протонов или других ионов) и высоковольтные электроды и магниты, выводящие пучок из источника и формирующие его. В источниках протонов первых ускорителей газообразный водород пропускался через область электрического разряда или вблизи раскаленной нити. В таких условиях атомы водорода теряют свои электроны и остаются одни ядра – протоны. Такой метод (и аналогичный с другими газами) в усовершенствованном виде по-прежнему применяется для получения пучков протонов (и тяжелых ионов).

Источник формирует пучок частиц, который характеризуется средней начальной энергией, током пучка, его поперечными размерами и средней угловой расходимостью. Показателем качества инжектируемого пучка служит его эмиттанс, т.е. произведение радиуса пучка на его угловую расходимость. Чем меньше эмиттанс, тем выше качество конечного пучка частиц с высокой энергией. По аналогии с оптикой ток частиц, деленный на эмиттанс (что соответствует плотности частиц, деленной на угловую расходимость), называют яркостью пучка. Во многих приложениях современных ускорителей требуется максимально возможная яркость пучков.

Ускорение пучка. Пучок формируется в камерах или инжектируется в одну или несколько камер ускорителя, в которых электрическое поле повышает скорость, а следовательно, и энергию частиц. В первых, простейших ускорителях энергия частиц увеличивалась в сильном электростатическом поле, созданном внутри высоковакуумной камеры. Максимальная энергия, которую при этом удавалось достичь, определялась электрической прочностью изоляторов ускорителя. Во многих современных ускорителях в качестве инжекторов еще используются электростатические ускорители электронов и ионов (вплоть до ионов урана) с энергиями от 30 кэВ[2] до 1 МэВ.

Получение высокого напряжения и сегодня остается сложной технической проблемой. Его можно получать, заряжая группу конденсаторов, соединенных параллельно, а затем подключая их последовательно к последовательности ускорительных трубок. Таким способом в 1932 Дж.Кокрофт и Э.Уолтон получали напряжения до 1 МВ. Существенный практический недостаток этого способа в том, что на внешних элементах системы оказывается высокое напряжение, опасное для экспериментаторов.

Если требуется не непрерывный пучок, а короткий импульс частиц с высокой энергией, то можно воспользоваться тем, что кратковременно (менее микросекунды) изоляторы способны выдерживать гораздо более высокие напряжения. Импульсные диоды позволяют получать напряжения до 15 МВ на каскад в схемах с очень низким импедансом. Это позволяет получить токи пучка в несколько десятков килоампер, а не в десятки миллиампер, как на электростатических ускорителях.

Обычный способ получения высокого напряжения основан на схеме импульсного генератора Маркса, в которой батарея конденсаторов сначала заряжается параллельно, а затем соединяется последовательно и разряжается через один разрядный промежуток. Высоковольтный импульс генератора поступает в длинную линию, которая формирует импульс, задавая его время нарастания. Линия нагружается электродами, ускоряющими пучок.

Глава 2.