Ciklotrons un daļiņu fizika

Ikiwaner, Wikimedia Commons

Vēsture daļiņu fizika ir stāsts par centieniem atrast arvien mazākus matērijas gabalus. Zinātniekiem dziļi iedziļinoties atoma veidolā, viņiem bija jāatrod veids, kā to sadalīt, lai redzētu tā celtniecības blokus. Tās sauc par 'elementārdaļiņām'. Lai tos sadalītu, bija vajadzīgs daudz enerģijas. Tas arī nozīmēja, ka zinātniekiem bija jānāk klajā ar jaunām tehnoloģijām, lai veiktu šo darbu.

Šim nolūkam viņi izstrādāja ciklotronu, sava veida daļiņu paātrinātāju, kas izmanto pastāvīgu magnētisko lauku, lai noturētu uzlādētas daļiņas, jo tās pārvietojas arvien ātrāk apļveida spirāles veidā. Galu galā viņi sasniedz mērķi, kā rezultātā fiziķi var pētīt sekundārās daļiņas. Ciklotroni ir izmantoti augstas enerģijas fizikas eksperimentos gadu desmitiem, un tie ir noderīgi arī vēža un citu slimību medicīniskajā ārstēšanā.

Ciklotrona vēsture

Pirmo ciklotronu Kalifornijas universitātē Bērklijā 1932. gadā uzbūvēja Ernests Lorenss sadarbībā ar savu studentu M. Stenliju Livingstonu. Viņi novietoja lielus elektromagnētus aplī un pēc tam izstrādāja veidu, kā izšaut daļiņas caur ciklotronu, lai tās paātrinātu. Šis darbs atnesa Lorensam 1939. gada Nobela prēmiju fizikā. Pirms tam galvenais izmantotais daļiņu paātrinātājs bija lineārais daļiņu paātrinātājs, Iinac īsumā. Pirmais linaks tika uzcelts 1928. gadā Āhenes Universitātē Vācijā. Linacs joprojām tiek izmantots šodien, īpaši medicīnā un kā daļa no lielākiem un sarežģītākiem paātrinātājiem.

Kopš Lorensa darba pie ciklotrona šīs testa vienības ir būvētas visā pasaulē. Kalifornijas Universitāte Bērklijā uzcēla vairākus no tiem savai Radiācijas laboratorijai, un pirmais Eiropas objekts tika izveidots Ļeņingradā Krievijā, Radija institūtā. Vēl viens tika uzcelts Otrā pasaules kara pirmajos gados Heidelbergā.

Ciklotrons bija lielisks uzlabojums salīdzinājumā ar linaku. Pretstatā linac konstrukcijai, kas prasīja virkni magnētu un magnētisko lauku, lai paātrinātu uzlādētās daļiņas taisnā līnijā, apļveida konstrukcijas priekšrocība bija tāda, ka uzlādēto daļiņu plūsma turpinātu iet caur to pašu magnētisko lauku, ko rada magnēti. atkal un atkal, iegūstot mazliet enerģijas katru reizi, kad tas tika darīts. Daļiņām iegūstot enerģiju, tās veidoja arvien lielākas cilpas ap ciklotrona iekšpusi, turpinot iegūt vairāk enerģijas ar katru cilpu. Galu galā cilpa būtu tik liela, ka augstas enerģijas elektronu stars izietu cauri logam, un tad tie nonāktu bombardēšanas kamerā izpētei. Būtībā tie sadūrās ar plāksni, un tā izkaisīja daļiņas ap kameru.

Ciklotrons bija pirmais no cikliskajiem daļiņu paātrinātājiem, un tas nodrošināja daudz efektīvāku veidu, kā paātrināt daļiņas turpmākiem pētījumiem.

Ciklotroni mūsdienu laikmetā

Mūsdienās ciklotronus joprojām izmanto noteiktās medicīnas pētījumu jomās, un to izmēri svārstās no aptuveni galda virsmas līdz ēkas izmēram un lielākam. Vēl viens veids ir sinhrotrons akselerators, kas izstrādāts pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados, un ir jaudīgāks. Lielākie ciklotroni ir TRIUMF 500 MeV Cyclotron , kas joprojām darbojas Britu Kolumbijas Universitātē Vankūverā, Britu Kolumbijā, Kanādā, un supravadītāja gredzena ciklotronā Riken laboratorijā Japānā. Tā diametrs ir 19 metri. Zinātnieki tos izmanto, lai pētītu daļiņu īpašības, ko sauc par kondensētu vielu (kur daļiņas pielīp viena pie otras.

Mūsdienīgāki daļiņu paātrinātāju modeļi, piemēram, tie, kas atrodas lielajā hadronu paātrinātājā, var ievērojami pārsniegt šo enerģijas līmeni. Šie tā sauktie 'atomu lauzēji' ir izveidoti, lai paātrinātu daļiņas līdz ļoti tuvu gaismas ātrumam, jo ​​fiziķi meklē arvien mazākus matērijas gabalus. Higsa bozona meklēšana ir daļa no LHC darba Šveicē. Citi paātrinātāji pastāv Brukhavenas Nacionālajā laboratorijā Ņujorkā, Fermilabā Ilinoisā, KEKB Japānā un citos. Tās ir ļoti dārgas un sarežģītas ciklotrona versijas, kas paredzētas daļiņu izpratnei, kas veido vielu Visumā.