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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
하전 입자 가속기. 발명과 생산의 역사
현대 물리학은 원자핵의 비밀을 꿰뚫는 시도되고 검증된 방법을 가지고 있습니다. 즉, 원자핵에 입자를 폭격하거나 조사하여 어떻게 되는지 확인합니다. 원자와 핵에 대한 최초의 연구에서는 방사성 원소의 자연 붕괴에서 발생하는 방사선 에너지로 충분했습니다. 그러나 곧 이 에너지로는 충분하지 않았으며 핵을 더 깊이 "보기" 위해 물리학자들은 고에너지 입자의 흐름을 인위적으로 만드는 방법에 대해 생각해야 했습니다. 전하가 다른 전극 사이에 떨어지면 전자 또는 양성자와 같은 하전 입자가 전기력의 작용하에 운동을 가속화하는 것으로 알려져 있습니다. 이 현상은 1930년대에 소위 선형 가속기를 만드는 아이디어를 낳았습니다. 설계상 선형 가속기는 내부에 진공이 유지되는 긴 직선형 튜브 챔버입니다. 많은 수의 금속 튜브-전극이 챔버의 전체 길이를 따라 배치됩니다. 특수 고주파 발생기에서 전극에 교류 전압이 가해집니다. 따라서 첫 번째 전극이 충전될 때 양으로, 두 번째 전극은 음으로 충전됩니다. 그런 다음 다시 양극, 음극이 이어집니다.
전자 빔이 전자 "총"에서 챔버로 발사되고 첫 번째 양극의 전위가 작용하여 가속되기 시작하여 더 멀리 미끄러집니다. 동시에 공급 전압의 위상이 변하고 방금 양으로 충전된 전극이 음이 됩니다. 이제 그는 마치 뒤에서 재촉하는 것처럼 자신에게서 전자를 격퇴합니다. 그리고 이 시간 동안 양극이 된 두 번째 전극은 전자를 끌어당겨 더욱 가속합니다. 그런 다음 전자가 통과하여 날아갈 때 다시 음으로 바뀌고 세 번째 전극으로 밀어 넣습니다. 따라서 전자가 앞으로 이동함에 따라 점차 가속되어 챔버 끝에서 거의 광속에 도달하고 수억 전자 볼트의 에너지를 얻습니다. 공기가 통과할 수 없는 튜브 끝에 설치된 창을 통해 가속된 전자의 일부가 미시 세계의 연구 대상인 원자와 핵에 떨어집니다. 입자에 더 많은 에너지를 주고자 할수록 선형 가속기 튜브의 길이는 수십 또는 수백 미터가 되어야 한다는 것을 이해하기 쉽습니다. 그러나 이것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 이제 파이프를 조밀한 나선형으로 굴리면. 그런 다음 그러한 가속기를 실험실에 자유롭게 배치할 수 있습니다. 또 다른 물리적 현상이 이 아이디어를 실현하는 데 도움이 되었습니다. 한 번 자기장에 있는 하전 입자는 직선으로 움직이지 않고 자기장 선 주위에서 "말려" 움직이기 시작합니다. 따라서 또 다른 유형의 가속기 인 사이클로트론이 나타났습니다. 최초의 사이클로트론은 1930년 미국의 E. Lawrence에 의해 제작되었습니다.
사이클로트론의 주요 부분은 평평한 원통형 챔버가 있는 극 사이에 강력한 전자석입니다. 작은 틈으로 분리된 두 개의 반원형 금속 상자로 구성됩니다. 이 상자(디)는 전극 역할을 하며 교류 전압 발생기의 극에 연결됩니다. 챔버 중앙에는 전자 "총"과 같은 대전 입자 소스가 있습니다.
소스에서 흘러나온 입자(이제 양전하를 띤 양성자라고 가정)는 현재 음으로 대전된 전극으로 즉시 끌어당겨집니다. 전극 내부에는 전기장이 없으므로 입자가 관성으로 날아갑니다. 힘의 선이 궤적의 평면에 수직인 자기장의 영향으로 입자는 반원을 묘사하고 전극 사이의 간격까지 날아갑니다. 이 시간 동안 첫 번째 전극은 양극이 되어 이제 다른 전극이 입자를 끌어들이는 동안 입자를 밀어냅니다. 따라서 한 디에서 다른 디로 이동하면 입자가 속도를 높이고 풀리는 나선을 나타냅니다. 입자는 실험 대상의 특수 자석을 사용하여 챔버에서 제거됩니다. 사이클로트론에서 입자의 속도가 빛의 속도에 가까워질수록 더 무거워지고 부호를 변경하는 디의 전압보다 점차 뒤처지기 시작합니다. 그들은 더 이상 전기력에 맞춰 떨어지지 않고 가속을 멈춥니다. 사이클로트론의 입자에 전달할 수 있는 제한 에너지는 25-30 MeV입니다. 이 장벽을 극복하기 위해 디에 교대로 인가되는 전압의 주파수를 점차 감소시켜 "더 무거운" 입자의 비트에 맞게 조정합니다. 이러한 유형의 가속기를 싱크로사이클로트론이라고 합니다. Dubna(모스크바 근처)에 있는 Joint Institute for Nuclear Research의 가장 큰 싱크로사이클로트론 중 하나는 680 MeV의 에너지를 가진 양성자와 380 MeV의 에너지를 가진 중수소(중수소 핵 - 중수소)를 생성합니다. 이를 위해 직경 3m, 무게 7000톤의 전자석을 갖춘 진공 챔버를 구축해야 했습니다! 물리학자들이 핵의 구조 깊숙이 침투함에 따라 더 높은 에너지 입자가 필요했습니다. 입자가 나선형이 아니라 고리 모양의 챔버에서 닫힌 원으로 움직이는 싱크로트론과 싱크로파소트론과 같은 더욱 강력한 가속기를 만드는 것이 필요하게 되었습니다. 1944년, 서로 독립적으로 소련의 물리학자 V.I. Veksler와 미국 물리학자 E.M. Macmillan은 autophasing의 원리를 발견했습니다. 이 방법의 본질은 다음과 같습니다. 필드가 특정 방식으로 선택되면 입자는 항상 가속 전압이 있는 위상으로 자동 떨어집니다. 1952년에 미국 과학자 E. Courant, M. Livingston 및 H. Snyder는 입자를 운동 축으로 누르는 소위 하드 포커싱을 제안했습니다. 이러한 발견의 도움으로 임의의 높은 에너지를 위한 싱크로파소트론을 만드는 것이 가능했습니다. 가속 전기장의 유형에 따라 가속기에 대한 또 다른 분류 시스템이 있습니다. 고전압 가속기는 가속 공간의 전극 사이의 높은 전위차로 인해 작동하며, 이는 입자가 전극 사이를 날아다니는 동안 항상 활성화됩니다. 유도 가속기에서 와류 전기장은 입자가 현재 위치한 장소에서 유도(여기)되는 "작동"합니다. 그리고 마지막으로 공진 가속기는 시간과 크기가 변하는 전기 가속장을 사용하며, 이와 동시에 "공명으로" 전체 입자 "세트"가 가속됩니다. 사람들이 현대의 고에너지 입자 가속기에 대해 이야기할 때 주로 링 공진 가속기를 의미합니다. 매우 높은 에너지에 대한 또 다른 유형의 가속기(양성자)에서는 가속 기간이 끝날 때 입자의 속도가 빛의 속도에 접근합니다. 그들은 일정한 주파수로 원형 궤도를 돌고 있습니다. 고에너지 양성자의 가속기를 양성자 싱크로트론이라고 합니다. 가장 큰 세 곳은 미국, 스위스, 러시아에 있습니다. 현재 작동 중인 가속기의 에너지는 수십 수백 기가전자볼트(1 GeV = 1000 MeV)에 이릅니다. 세계에서 가장 큰 것 중 하나는 70년에 가동된 모스크바 근처 Protvino 시에 있는 고에너지 물리학 연구소의 U-1967 양성자 싱크로파소트론입니다. 가속 링의 직경은 120km이고 20000개의 자기 섹션의 총 질량은 10톤에 이릅니다. 가속기는 76초마다 400000GeV(세계 60000번째 지표)의 에너지로 양성자의 XNUMX승 XNUMX승으로 표적을 쏜다. 이 에너지를 얻으려면 입자가 XNUMXkm의 거리를 커버하는 XNUMX번의 회전을 완료해야 합니다! 새로운 가속기를 위한 XNUMXkm 길이의 지하 링 터널도 여기에 건설되었습니다. 소비에트 시대의 Dubna 또는 Protvino에서 가속기의 출시는 모스크바뿐만 아니라 이웃 지역에서도 거의 모든 전기가 공급되기 때문에 밤에만 수행되었다는 것이 흥미 롭습니다! 1973년에 미국 물리학자들은 입자가 400 GeV의 에너지를 전달한 다음 500 GeV까지 끌어올린 가속기를 Batavia 시에서 작동시켰습니다. 오늘날 가장 강력한 가속기는 미국에 있습니다. 1km가 넘는 고리에서 초전도 자석의 도움으로 양성자는 약 1테라전자볼트(1000TeV는 XNUMXGeV와 동일)의 에너지를 얻기 때문에 "테바트론"이라고 불립니다.
가속 입자 빔과 연구된 물리적 물체의 상호 작용 에너지를 훨씬 더 높이려면 "목표물"을 "발사체" 쪽으로 분산시켜야 합니다. 이렇게하려면 특수 가속기 - 충돌기에서 서로를 향해 날아가는 입자 빔의 충돌을 구성하십시오. 물론 충돌하는 빔의 입자 밀도는 고정된 "표적"의 재료만큼 높지 않으므로 소위 축전지를 사용하여 밀도를 높입니다. 이들은 입자가 가속기에서 "일부"로 던져지는 환형 진공 챔버입니다. 어큐뮬레이터에는 입자의 에너지 손실을 보상하는 가속 시스템이 장착되어 있습니다. 과학자들이 가속기의 추가 개발을 연관시키는 것은 충돌기와 관련되어 있습니다. 지금까지 그 중 몇 개만 건설되었으며 미국, 일본, 독일 및 스위스에 위치한 유럽 핵 연구 센터와 같이 세계에서 가장 선진국에 위치하고 있습니다. 현대 가속기는 2000배 더 무거운 전자 또는 양성자인 강렬한 입자 빔을 생산하기 위한 "공장"입니다. 가속기의 입자 빔은 실험 작업에 따라 선택된 "목표물"로 향합니다. 충돌하면 다양한 XNUMX차 입자가 생성된다. 새로운 입자의 탄생이 실험의 목적입니다. 특수 장치-검출기-의 도움으로 이러한 입자 또는 그 흔적이 등록되고 이동 궤적이 복원되고 입자의 질량, 전하, 속도 및 기타 특성이 결정됩니다. 그런 다음 탐지기에서 수신한 정보를 복잡한 수학적 처리를 통해 상호 작용의 전체 "이력"을 컴퓨터에 복원하고 측정 결과를 이론 모델과 비교하여 실제 프로세스가 구성된 모델과 일치하는지 여부를 결론을 내립니다. . 이것은 핵내 입자의 특성에 대한 새로운 지식을 얻는 방법입니다. 가속기의 입자가 획득한 에너지가 높을수록 "목표" 원자 또는 충돌기의 상대 입자에 더 강한 영향을 미치면 "조각"이 작아집니다. 예를 들어, 미국에서는 충돌기의 도움으로 우리 우주가 시작된 것으로 추정되는 빅뱅을 실험실 조건에서 재현하기 위한 실험이 수행되고 있습니다. 2000개국의 물리학자들이 이 대담한 실험에 참여했으며 그 중 러시아 대표자들이 있었습니다. XNUMX년 여름 러시아 그룹은 실험에 직접 참여하여 가속기에서 근무하며 데이터를 받았습니다. 이 실험에 참여한 러시아 과학자 중 한 명이 MEPhI Valery Mikhailovich Emelyanov 부교수인 물리 및 수학 과학 후보자는 다음과 같이 말했습니다. - 무거운 상대론적 이온을 기반으로 구축되었습니다. "무거운"- 이미 올해부터 그는 금 원자의 핵 빔으로 작업하기 시작했습니다. "상대론적" - 또한 이해할 수 있습니다. 그들의 영광 그리고 "충돌기"(충돌 - 충돌에서) 그것은 그 고리에 충돌하는 핵 빔의 충돌이 있기 때문에 호출됩니다. 그건 그렇고, 우리나라에는 이러한 유형의 가속기가 없습니다. 떨어지는 에너지 하나의 핵자에서 60 GeV입니다. 이것은 이전에 달성한 것의 거의 두 배입니다. 첫 번째 물리적 충돌은 100년 25월 2000일에 기록되었습니다." 과학자들의 임무는 핵 물질의 새로운 상태인 쿼크-글루온 플라즈마를 등록하는 것이었습니다. "작업은 매우 복잡합니다." Emelyanov는 계속해서 "이 작업은 수학적으로는 일반적으로 정확하지 않습니다. 운동량 및 속도 측면에서 XNUMX차 입자의 동일한 고정 분포는 완전히 다른 원인을 가질 수 있습니다. 그리고 많은 탐지기를 포함하는 상세한 실험에서만, 열량계, 다중 센서 대전 입자, 전이 방사선을 등록하는 카운터 등, 쿼크-글루온 플라즈마 고유의 가장 미묘한 차이를 등록할 희망이 있습니다. 이러한 높은 에너지에서 핵의 상호 작용 메커니즘은 그 자체로 흥미롭지만 더 중요한 것은, 실험실에서 처음으로 우리 우주의 기원을 탐구합니다." 저자: Musskiy S.A.
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