Линейный ускоритель частиц - Linear particle accelerator
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, а первая работающая машина была сконструирована Рольфом Видеро в 1928 году в RWTH Ахенском университете . Линейные ускорители имеют множество применений: они генерируют рентгеновские лучи и электроны высокой энергии 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 физика элементарных частиц .
Конструкция линейного ускорителя зависит от типа ускоряемой частицы: электроны , протоны или ионы . Линейные ускорители различаются по размеру от электронно-лучевой трубки (которая является разновидностью линейного ускорителя) до линейного ускорителя длиной 3,2 километра (2,0 мили) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-Парке, Калифорния .
Строительство и эксплуатация
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 ускоряемой частицы. Электроны генерируются холодным катодом , горячим катодом , фотокатодом или радиочастотными (RF) ионными источниками . Протоны генерируются в ионном источнике , который может иметь множество различных конструкций. Если требуется ускорить более тяжелые частицы (например, ионы урана ), необходим специальный источник ионов. Источник имеет собственный источник высокого напряжения для ввода частиц в канал пучка.
- Вдоль трубы от источника проходит ряд 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 возбуждения и ускоряемой частицы, 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 в 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, которое 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 напряжения, когда заряд на электроде противоположен заряду на частицах. 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 максимален, 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, а 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
К 2021 году в разработке находятся различные новые концепции. Основная цель - сделать линейные ускорители более дешевыми, с более сфокусированными пучками, более высокой энергией или более высоким током пучка.
Индукционный линейный ускоритель
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, стоящих 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. Идея восходит к творчеству Николая Христофилоса . Его реализация во многом зависит от прогресса в разработке более подходящих ферритовых материалов. С электронами были достигнуты импульсные токи до 5 килоампер при энергиях до 5 МэВ и длительности импульсов в диапазоне от 20 до 300 наносекунд.
Восстановление энергии LINAC
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 замедления 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). 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
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). Вместо многочисленных клистронных усилителей, необходимых для выработки ускоряющей мощности, следует использовать второй параллельный линейный ускоритель электронов меньшей энергии, который работает со сверхпроводящими полостями, в которых образуются стоячие волны. Высокочастотная энергия 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)
В объемных резонаторах диэлектрическая прочность ограничивает максимальное ускорение, которое может быть достигнуто на определенном расстоянии. Этот предел можно обойти, используя ускоренные волны в плазме для генерации ускоряющего поля 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 (от 100 до 1000 с) более компактных линейных ускорителей. Эксперименты с использованием мощных лазеров в плазме паров металлов показывают, что уменьшение длины линии пучка с нескольких десятков метров до нескольких сантиметров вполне возможно.
Компактные медицинские ускорители
Программа LIGHT (линейный ускоритель для адронной терапии с визуальным контролем) надеется создать конструкцию, способную ускорять протоны до 200 МэВ или около того для медицинского использования на расстоянии нескольких десятков метров, путем оптимизации и вложения существующих методов ускорителя Текущий проект (2020 г. ) использует наивысшую практическую частоту группы (в настоящее время ~ 3 ГГц) для каскада радиочастотного квадруполя (RFQ) от инжекции при 50 кВ постоянного тока до групп ~ 5 МэВ, линейный ускоритель с боковой дрейфовой трубкой (SCDTL) для ускорения от 5 МэВ до ~ 40 МэВ и ячейку Конечная ступень связанного линейного ускорителя (CCL), выходная мощность которой составляет 200-230 МэВ. Каждая ступень оптимизирована для обеспечения тесной связи и синхронной работы во время накопления энергии пучка. Цель проекта - сделать протонную терапию более доступной традиционной медициной в качестве альтернативы существующей лучевой терапии.
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 лишь 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.
.gif)
.gif)
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.)
Преимущества
Линейный ускоритель мог производить частицы с более высокой энергией, 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, которую можно передать электронам в синхротроне данного размера. Линейные ускорители также способны производить потрясающую мощность, производя почти непрерывный поток частиц, в то время 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 в процессе подготовки к столкновениям частицы с частицами. Высокая выходная масса также делает устройство практичным для производства частиц антивещества , которые, как правило, трудно получить, поскольку они составляют лишь небольшую часть продуктов столкновения цели. Затем они могут быть сохранены и в дальнейшем использованы для изучения аннигиляции вещества и антивещества.
Медицинские линейные ускорители
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. Спустя некоторое время, в 1954 году, в Стэнфорде, США, был установлен линейный ускоритель на 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 горизонтальный более длинный 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 направляются на мишень с высокой плотностью (например, вольфрамовой ). Электроны или рентгеновские лучи можно использовать для лечения как доброкачественных, так и злокачественных заболеваний. LINAC производит надежный, гибкий и точный луч излучения. Универсальность LINAC является потенциальным преимуществом перед кобальтотерапией в качестве лечебного средства. Кроме того, устройство можно просто выключить, когда оно не используется; нет источника, требующего сильной защиты - хотя сама процедурная комната требует значительной защиты 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
Ожидаемая нехватка Mo-99 и медицинского изотопа технеция-99m, полученного из него, также пролила свет на технологию линейных ускорителей для производства Mo-99 из необогащенного урана путем нейтронной бомбардировки. 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 будет достигнута докритическая загрузка растворимых солей урана в тяжелой воде с последующей фотонейтронной бомбардировкой и извлечением целевого продукта Mo-99.
Недостатки
- 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 велики, 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 , по-прежнему самые длинные в мире (в различных его поколениях), работают с короткими импульсами, ограничивая средний выходной ток и заставляя экспериментальные детекторы обрабатывать данные, поступающие короткими импульсами.