Skip to main content
Global

33.3: Accelerators Kujenga Suala kutoka Nishati

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    183594

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Malengo ya kujifunza

    Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

    • Weka kanuni ya cyclotron.
    • Eleza kanuni ya synchrotron.
    • Eleza voltage inahitajika kwa kasi kati ya zilizopo za kuharakisha.
    • Hali Fermilab ya accelerator kanuni.

    Kabla ya kuangalia chembe zote tunazozifahamu sasa, hebu tuchunguze baadhi ya mashine zilizoziumba. Mchakato wa msingi katika kujenga chembe zisizojulikana hapo awali ni kuharakisha chembe zinazojulikana, kama vile protoni au elektroni, na kuelekeza boriti yao kuelekea lengo. Migongano na viini vya lengo hutoa utajiri wa habari, kama vile habari zilizopatikana na Rutherford kwa kutumia viini vya heliamu juhudi kutoka\(α\) mionzi asilia. Lakini kama nishati ya chembe zinazoingia ni kubwa ya kutosha, jambo jipya wakati mwingine huundwa katika mgongano. Pembejeo zaidi ya nishati au\(ΔE\), jambo zaidi\(m\) linaweza kuundwa, tangu\(m=ΔE/c^2\). Vikwazo vinawekwa kwenye kile kinachoweza kutokea kwa sheria zinazojulikana za uhifadhi, kama vile uhifadhi wa nishati ya wingi, kasi, na malipo. Hata zaidi ya kuvutia ni mapungufu haijulikani yaliyotolewa na asili. Baadhi ya athari zinazotarajiwa hutokea, wakati wengine hawana, na bado athari nyingine zisizotarajiwa zinaweza kuonekana. Sheria mpya zimefunuliwa, na idadi kubwa ya yale tunayoyajua kuhusu fizikia ya chembe imetoka kwenye maabara ya kasi. Ni chembe mwanafizikia favorite michezo ya ndani, ambayo ni sehemu aliongoza kwa nadharia.

    Accelerators mapema

    Accelerator ya mapema ni toleo rahisi, kubwa la bunduki ya elektroni. Van de Graaff (jina lake baada ya mwanafizikia Kiholanzi), ambayo una uwezekano kuonekana katika maandamano ya fizikia, ni toleo ndogo la wale kutumika kwa ajili ya utafiti wa nyuklia tangu uvumbuzi wao kwa lengo hilo katika 1932 (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Mashine hizi ni umeme, zinajenga uwezekano mkubwa kama 50 MV, na hutumiwa kuharakisha viini mbalimbali kwa majaribio mbalimbali. Nishati zinazozalishwa na Van de Graaffs hazitoshi kuzalisha chembe mpya, lakini zimekuwa muhimu katika kuchunguza mambo kadhaa ya kiini.

    Picha inaonyesha mashine ya umeme ya juu ya meza. Ina msingi wa ujazo ambao huja tube ya wima wazi kuhusu nusu ya mita kwa muda mrefu. Ndani ya tube ukanda wa conveyer unaonekana kukimbia juu na chini ya tube. Juu ya bomba ni nyanja ya metali labda sentimita thelathini kwa kipenyo.
    Kielelezo\(\PageIndex{1}\): tafsiri ya msanii wa jenereta ya Van de Graaff.

    Mwingine, maarufu sawa, kasi ya mapema ni cyclotron, iliyobuniwa mwaka 1930 na mwanafizikia wa Marekani, E. O. Lawrence (1901—1958). Kwa uwakilishi wa kuona kwa undani zaidi, angalia Kielelezo\(\PageIndex{2}\). Cyclotrons hutumia mashamba ya umeme ya mzunguko wa mzunguko ili kuharakisha chembe. Chembe huzunguka nje katika uwanja wa magnetic, na kufanya mzunguko mkubwa wa radius wakati wa kuongeza kasi. Mpangilio huu wa ujanja unaruhusu kuongeza mfululizo wa nishati ya uwezo wa umeme na nguvu nyingi za chembe zinawezekana kuliko katika Van de Graaff. Lawrence alihusika katika uvumbuzi wengi wa mapema na katika kukuza mipango ya fizikia katika vyuo vikuu vya Marekani. Alitunukiwa Tuzo ya Nobel ya mwaka wa 1939 katika Fizikia kwa cyclotron na uanzishaji wa nyuklia, na ana elementi na maabara mawili makubwa yaliyoitwa kwa ajili yake.

    Picha inaonyesha cyclotron yenye umbo la diski yenye sahani mbili za usawa ambazo zinajitenga na pengo. Voltage mbadala imewekwa kwenye pengo, na uwanja wa umeme unaonyeshwa kutoka sahani ya kushoto ya semicircular kwenye pengo kwenye sahani ya semicircular sahihi. Shamba la magnetic hupiga sahani kutoka juu hadi chini. Mstari wa dotted unaoitwa nje ya boriti ya nje kutoka katikati ya cyclotron, na kufanya mapinduzi manne ndani ya sahani za semicircular kabla ya kufikia makali ya nje ya cyclotron.
    Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Cyclotrons hutumia shamba la magnetic ili kusababisha chembe kuhamia kwenye njia za mviringo. Kama chembe zinapita kati ya sahani za Ds, voltage katika pengo ni oscillated ili kuharakisha yao mara mbili katika kila obiti.

    Synchrotron ni toleo la cyclotron ambapo mzunguko wa voltage mbadala na nguvu ya shamba la magnetic huongezeka kama chembe za boriti zinaongezeka. Vipande vinafanywa kusafiri umbali sawa kwa muda mfupi na kila mzunguko katika njia za kudumu za radius. pete ya sumaku na kuongeza kasi zilizopo, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{2}\), ni sehemu kubwa ya synchrotrons. Kuharakisha voltages ni synchronized (yaani, kutokea kwa wakati mmoja) na chembe ili kuharakisha yao, kwa hiyo jina. Nguvu ya shamba la magnetic imeongezeka ili kuweka radius ya orbital mara kwa mara kama ongezeko la nishati. Chembe za juu za nishati zinahitaji mashamba magnetic yenye nguvu ili kuwaongoza, hivyo sumaku za superconducting zina Bado ni mdogo na uwezo wa kufikia magnetic shamba, synchrotrons inahitaji kuwa kubwa sana kwa nguvu za juu sana, kwani radius ya obiti ya juu ya nishati ya chembe ni kubwa sana. Mionzi inayosababishwa na shamba la magnetic kuharakisha chembe ya kushtakiwa perpendicular kwa kasi yake inaitwa mionzi ya synchrotron kwa heshima ya umuhimu wake katika Mionzi ya Synchrotron ina wigo wa tabia na ubaguzi, na inaweza kutambuliwa katika mionzi ya cosmic, ikimaanisha mashamba makubwa ya magnetic inayofanya chembe za nguvu na za kushtakiwa katika nafasi ya kina Mionzi ya Synchrotron zinazozalishwa na accelerators wakati mwingine hutumiwa kama chanzo cha mionzi ya umeme yenye nguvu kali kwa madhumuni ya utafiti.

    Behemoths ya kisasa na mihimili ya kupigana

    Wafizikia wamejenga mashine milele-kubwa, kwanza kupunguza wavelength ya probe na kupata undani zaidi, halafu kuweka nishati zaidi katika migongano kuunda chembe mpya. Kila ongezeko kubwa la nishati lilileta habari mpya, wakati mwingine huzalisha maendeleo ya kuvutia, kuhamasisha hatua inayofuata. Innovation moja kubwa ilikuwa inaendeshwa na hamu ya kujenga chembe kubwa zaidi. Kwa kuwa kasi inahitaji kuhifadhiwa katika mgongano, chembe zilizoundwa na boriti kupiga lengo la stationary zinapaswa kurudi. Hii ina maana kwamba sehemu ya pembejeo ya nishati huenda kwenye nishati ya kinetic ya kupona, kwa kiasi kikubwa kupunguza sehemu ya nishati ya boriti ambayo inaweza kubadilishwa kuwa chembe mpya. Suluhisho moja la tatizo hili ni kuwa na migongano ya kichwa-juu kati ya chembe zinazohamia kwa njia tofauti. Mihimili ya kupigana hufanywa ili kukutana na kichwa-juu katika maeneo ambapo detectors kubwa iko. Kwa kuwa kasi ya jumla inayoingia ni sifuri, inawezekana kuunda chembe na nguvu za momenta na kinetic karibu na sifuri. Vipande vilivyo na raia sawa na mara mbili nishati ya boriti inaweza kuundwa. Innovation nyingine ni kujenga mwenzake antimatter wa chembe boriti, ambayo hivyo ina malipo kinyume na huzunguka katika mwelekeo kinyume katika bomba moja boriti. Kwa uwakilishi schematic, angalia Kielelezo\(\PageIndex{3}\).

    Picha ya kwanza inaonyesha pete ya mviringo iliyojengwa na zilizopo thelathini za bluu ambazo kipenyo ni kidogo sana kuliko kipenyo cha pete. Vipande vinapangwa mwisho hadi mwisho, ili mstari unaojiunga na axes zao huunda pete. Picha ya pili inaonyesha mtazamo wa karibu wa zilizopo tatu mfululizo, ambazo tutaita zilizopo moja, mbili, na tatu. Tube moja ni kinachoitwa pamoja, tube mbili kinachoitwa minus, na tube tatu ni kinachoitwa pamoja. mshale kinachoitwa E pointi kutoka tube moja kwa tube mbili, na kati ya zilizopo hizi mbili ni nyanja kinachoitwa p plus. Picha ya tatu ni sawa na ya pili, isipokuwa kwamba zilizopo moja, mbili, na tatu zimeandikwa minus, pamoja, minus, kwa mtiririko huo. Aidha, mshale kinachoitwa E kati ya zilizopo moja na mbili ina kuachwa mwelekeo, na mshale wa pili kinachoitwa E sasa inaonekana akizungumzia kutoka tube mbili kwa tube tatu. Kati ya zilizopo mbili na tatu inaonekana nyanja iliyoandikwa p plus.
    Kielelezo\(\PageIndex{3}\): (a) synchrotron ina pete ya sumaku na kuharakisha zilizopo. Mzunguko wa voltages ya kuharakisha huongezeka ili kusababisha chembe za boriti kusafiri umbali sawa kwa muda mfupi. Sehemu ya magnetic inapaswa pia kuongezeka ili kuweka kila boriti kupasuka kusafiri katika njia ya fasta radius. Mipaka juu ya nguvu za shamba la magnetic zinahitaji mashine hizi kuwa kubwa sana ili kuharakisha chembe kwa nguvu za juu sana. (b) Chembe chanya inavyoonekana katika pengo kati ya zilizopo za kuharakisha. (c) Wakati chembe inapita kupitia tube, uwezekano hubadilishwa ili kuna kasi nyingine kwenye pengo linalofuata. Mzunguko wa reversal unahitaji kuwa tofauti kadiri chembe inavyoharakisha kufikia kasi za mfululizo katika kila pengo.

    Detectors uwezo wa kupata chembe mpya katika dawa ya vifaa kwamba anaibuka kutoka mihimili colliding ni kama kuvutia kama accelerators. Wakati Fermilab Tevatron alikuwa proton na antiproton boriti nguvu kuhusu 1 TeV, ili iweze kujenga chembe hadi 2\(TeV/c^2\), kubwa Hadron Collider (LHC) katika Kituo cha Ulaya kwa ajili ya utafiti wa nyuklia (CERN) mafanikio boriti nguvu ya 3.5 TeV, hivyo kuwa na 7-TEV mgongano nishati; CERN inatarajia mara mbili ya nishati ya boriti mwaka 2014. Super Collider iliyofutwa sasa ilijengwa huko Texas na nishati ya kubuni ya 20 TeV ili kutoa nishati ya mgongano wa 40-TEV. Ilikuwa ni mviringo wa kilomita 30 mduara. Gharama yake pamoja na siasa ya ufadhili wa utafiti wa kimataifa ulisababisha kufariki kwake.

    Upande wa kushoto wa picha ni jozi ya sawa-kipenyo, pete usawa, na moja kinachoitwa proton chanzo na nyingine kinachoitwa kupambana na proton chanzo. Pete zinaonekana kama zinafanywa kwa hose; yaani sehemu yao ya msalaba ni mviringo na huonekana mashimo. Katika pete ya protoni-chanzo mishale ya bluu inaonekana kuonyesha mwendo kinyume cha saa ndani ya hose. Katika pete ya kupambana na protoni-chanzo, mishale nyekundu inaonekana kuonyesha mwendo wa saa moja ndani ya hose. sehemu ya hose tangentially majani kila pete kwa tangentially kujiunga pete nyingine kubwa na haki, ambayo ni kinachoitwa kuu pete. Mishale yote ya bluu na mishale nyekundu huonekana kwenye pete kuu, inayoonyesha mwendo wa saa moja kwa moja na mwendo wa kinyume. Kutoka pete kuu mbili tangential hose sehemu exit kujiunga sawa ukubwa pete iko chini ya pete kuu na kwamba ni kinachoitwa tevatron pete. Katika pete ya tevatron, mishale ya bluu huenda nusu ya njia karibu na saa moja kwa moja na mishale nyekundu huenda nusu ya njia karibu na kinyume chake. Wao kukutana katika mchemraba kinachoitwa mgongano detector na ambayo ina njano starburst icon juu yake.
    Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Mpangilio huu unaonyesha pete mbili za kasi ya Fermilab na mpango wa kupigana protoni na antiprotons (sio wadogo).

    Mbali na synchrotrons kubwa zinazozalisha mihimili ya protoni na antiprotoni, kuna kasi nyingine kubwa za elektroni-positron. Kongwe zaidi ya haya ilikuwa kasi ya mstari wa moja kwa moja au ya mstari, inayoitwa Accelerator ya Stanford Linear (SLAC), ambayo iliharakisha chembe hadi 50 GeV kama inavyoonekana kwenye Kielelezo. Positrons zilizoundwa na accelerator zililetwa kwa nishati sawa na zikagongana na elektroni katika detectors maalum iliyoundwa. Accelerators ya mstari hutumia zilizopo za kasi zinazofanana na zile zilizo kwenye synchrotrons, lakini zimekaa kwenye mstari wa moja kwa moja. Hii husaidia kuondoa hasara za mionzi ya synchrotron, ambazo ni kali sana kwa elektroni zilizofanywa kufuata njia za pembe. CERN ilikuwa na collider ya elektroni-positron ipasavyo inayoitwa Kubwa ya Electron-Positron Collider (LEP), ambayo iliharakisha chembe hadi 100 GeV na kuunda nishati ya mgongano ya 200 GeV. Ilikuwa na kipenyo cha kilomita 8.5, wakati mashine ya SLAC ilikuwa urefu wa kilomita 3.2.

    Mpangilio unaonyesha kasi ya mstari kuhusu kilomita tatu kwa muda mrefu na sumaku kando ya njia yake. Electroni na positrons kuja kutoka vyanzo mbalimbali ni kasi chini accelerator linear, basi ni kinyume na sumaku na kulia na kushoto, kwa mtiririko huo, kufuata njia kwamba mduara kuzunguka kukutana kichwa-juu katika kifaa kubwa kinachoitwa alama mbili chembe detector.
    Kielelezo\(\PageIndex{5 }\): The Stanford Linear Accelerator ilikuwa 3.2 km mrefu na alikuwa na uwezo wa kugongana elektroni na positron mihimili. SLAC pia ilitumiwa kuchunguza nucleons kwa kueneza elektroni za wavelength fupi sana kutoka kwao. Hii ilitoa ushahidi wa kwanza wa kushawishi wa muundo wa quark ndani ya nucleons katika jaribio linalofanana na yale yaliyofanywa na Rutherford zamani.

    Mfano\(\PageIndex{1}\):Calculating the Voltage Needed by the Accelerator Between Accelerating Tubes

    Accelerator ya mstari iliyoundwa ili kuzalisha boriti ya protoni 800-MEV ina zilizopo za kuharakisha 2000. Nini voltage wastani lazima kutumika kati ya zilizopo (kama vile katika mapungufu katika Kielelezo) ili kufikia nishati taka?

    Mkakati

    Nishati iliyotolewa kwa protoni katika kila pengo kati ya zilizopo\(q\) ni\(PE_{elec}=qV\) wapi malipo ya protoni na\(V\) ni tofauti ya uwezo (voltage) kote pengo. Tangu\(q=q_e=1.6×10^{−19}C\) na\(1 eV=(1 V)(1.6×10^{−19}C)\), proton faida 1 eV katika nishati kwa kila volt katika pengo kwamba hupita kwa njia ya. Voltage AC kutumika kwa zilizopo ni wakati muafaka ili kuongeza nishati katika kila pengo. Voltage yenye ufanisi ni jumla ya voltages ya pengo na sawa na 800 MV ili kutoa kila proton nishati ya 800 mEV.

    Suluhisho

    Kuna mapungufu 2000 na jumla ya voltages kote ni 800 MV; hivyo,

    \(V_{gap}=\frac{800 MV}{2000}=400 kV\).

    Majadiliano

    Voltage ya ukubwa huu si vigumu kufikia katika utupu. Vikwazo vingi vya pengo vinahitajika kwa nishati ya juu, kama vile wale walio kwenye kituo cha 50-GeV SLAC. Synchrotrons zinasaidiwa na njia ya mviringo ya chembe za kasi, ambazo zinaweza kuzunguka mara nyingi, kwa ufanisi kuzidisha idadi ya kasi kwa idadi ya orbits. Hii inafanya uwezekano wa kufikia nguvu zaidi ya 1 TeV.

    Muhtasari

    • Aina mbalimbali za kasi za chembe zimetumika kuchunguza asili ya chembe za subatomiki na kupima utabiri wa nadharia za chembe.
    • Accelerators za kisasa zinazotumiwa katika fizikia ya chembe ni ama synchrotrons kubwa au kasi za kasi.
    • Matumizi ya mihimili ya kugongana hufanya nishati kubwa zaidi inapatikana kwa kuundwa kwa chembe, na migongano kati ya suala na antimater kuruhusu bidhaa mbalimbali zaidi za mwisho.

    faharasa

    mihimili ya kugongana
    migongano ya kichwa-juu kati ya chembe zinazohamia kwa njia tofauti
    cyclotron
    accelerator ambayo inatumia mashamba ya umeme ya mzunguko wa kudumu na sumaku za kudumu ili kuharakisha chembe katika njia ya mviringo
    kasi ya mstari
    accelerator kwamba kuchochea kasi chembe katika mstari wa moja kwa moja
    synchrotron
    toleo la cyclotron ambayo mzunguko wa voltage mbadala na nguvu ya shamba magnetic huongezeka kama chembe za boriti zinaharakisha
    mionzi ya synchrotron
    mionzi unasababishwa na shamba magnetic kuongeza kasi chembe kushtakiwa perpendicular kasi
    Van de Graaff
    mapema accelerator: rahisi, kwa kiasi kikubwa version ya bunduki elektroni