|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese|
LỊCH SỬ CÔNG NGHỆ, CÔNG NGHỆ, ĐỐI TƯỢNG QUA CHÚNG TÔI
Máy gia tốc hạt tích điện. Lịch sử phát minh và sản xuất
Cẩm nang / Lịch sử của công nghệ, kỹ thuật, các đối tượng xung quanh chúng ta Vật lý hiện đại có một phương pháp đã được chứng minh là có thể thâm nhập vào những bí mật của hạt nhân nguyên tử - bắn phá nó bằng các hạt hoặc chiếu xạ nó và xem điều gì xảy ra với nó. Đối với những nghiên cứu đầu tiên về nguyên tử và hạt nhân của nó, năng lượng bức xạ sinh ra trong quá trình phân rã tự nhiên của các nguyên tố phóng xạ là đủ. Nhưng chẳng bao lâu, năng lượng này hóa ra là không đủ, và để “nhìn” sâu hơn vào lõi, các nhà vật lý phải nghĩ đến cách tạo ra một dòng hạt năng lượng cao một cách nhân tạo. Người ta biết rằng, khi nằm giữa các điện cực có điện tích khác nhau, một hạt tích điện, chẳng hạn như electron hoặc proton, sẽ tăng tốc chuyển động của nó dưới tác dụng của lực điện. Hiện tượng này đã làm nảy sinh ý tưởng tạo ra cái gọi là máy gia tốc tuyến tính vào những năm 1930. Theo thiết kế, máy gia tốc tuyến tính là một buồng ống thẳng dài, bên trong duy trì chân không. Một số lượng lớn các ống điện cực kim loại được đặt dọc theo toàn bộ chiều dài của buồng. Một điện áp xoay chiều được cung cấp cho các điện cực từ một máy phát tần số cao đặc biệt - để khi điện cực thứ nhất được tích điện, chẳng hạn như dương, điện cực thứ hai sẽ được tích điện âm. Sau đó lại có điện cực dương, tiếp theo là điện cực âm.
Một chùm electron được bắn từ một "súng" electron vào buồng và dưới tác động của điện thế của điện cực dương thứ nhất, bắt đầu tăng tốc, nhảy xa hơn qua nó. Đồng thời, pha của điện áp nguồn thay đổi và điện cực vừa được tích điện dương sẽ trở thành âm. Bây giờ anh ấy đẩy các electron ra khỏi mình, như thể đẩy chúng từ phía sau. Và điện cực thứ hai, trở nên dương trong thời gian này, sẽ thu hút các electron về phía chính nó, khiến chúng tăng tốc hơn nữa. Sau đó, khi các electron bay qua nó, nó sẽ lại chuyển sang âm và đẩy chúng về phía điện cực thứ ba. Vì vậy, khi chúng di chuyển về phía trước, các electron tăng tốc dần dần, đạt tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng về phía cuối buồng và thu được năng lượng hàng trăm triệu volt. Thông qua một cửa sổ được lắp ở cuối ống, không khí không thể xuyên qua, một phần electron được gia tốc rơi vào các vật thể của thế giới vi mô đang được nghiên cứu - các nguyên tử và hạt nhân của chúng. Không khó hiểu khi năng lượng mà chúng ta muốn truyền cho các hạt càng lớn thì ống gia tốc tuyến tính phải dài hơn - hàng chục, thậm chí hàng trăm mét. Nhưng điều này không phải lúc nào cũng có thể. Bây giờ, nếu bạn có thể cuộn ống thành một hình xoắn ốc nhỏ gọn. Sau đó, một máy gia tốc như vậy có thể dễ dàng được đặt trong phòng thí nghiệm. Một hiện tượng vật lý khác đã giúp hiện thực hóa ý tưởng này. Một hạt tích điện khi ở trong từ trường sẽ bắt đầu chuyển động không theo đường thẳng mà “cuộn tròn” xung quanh các đường sức từ. Đây là cách một loại máy gia tốc khác xuất hiện - cyclotron. Cyclotron đầu tiên được chế tạo vào năm 1930 bởi E. Lawrence ở Mỹ.
Bộ phận chính của cyclotron là một nam châm điện cực mạnh, giữa các cực của nó có đặt một buồng hình trụ phẳng. Nó bao gồm hai hộp kim loại hình bán nguyệt cách nhau một khoảng nhỏ. Những hộp này - dees - đóng vai trò là điện cực và được kết nối với các cực của máy phát điện xoay chiều. Ở trung tâm căn phòng có một nguồn hạt tích điện - thứ giống như một "súng" điện tử.
Sau khi rời khỏi nguồn, hạt (giả sử bây giờ nó là một proton tích điện dương) ngay lập tức bị hút vào điện cực, hiện đang tích điện âm. Không có điện trường bên trong điện cực nên hạt bay trong đó theo quán tính. Dưới tác dụng của từ trường, các đường sức của nó vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo, hạt mô tả một hình bán nguyệt và bay đến khe hở giữa các điện cực. Trong thời gian này, điện cực thứ nhất trở nên dương và lúc này đẩy hạt ra ngoài, trong khi điện cực kia hút nó vào. Do đó, khi di chuyển từ dee này sang dee khác, hạt tăng tốc độ và mô tả một đường xoắn ốc đang giãn ra. Các hạt được loại bỏ khỏi buồng bằng nam châm đặc biệt vào mục tiêu của người thí nghiệm. Tốc độ của các hạt trong cyclotron càng gần tốc độ ánh sáng thì chúng càng trở nên nặng hơn và bắt đầu tụt hậu dần so với điện áp trên các dee, làm thay đổi dấu của nó. Chúng không còn theo kịp lực điện và ngừng tăng tốc. Năng lượng tối đa có thể truyền cho các hạt trong cyclotron là 25-30 MeV. Để vượt qua rào cản này, tần số của điện áp luân phiên đặt vào các thiết bị sẽ giảm dần, điều chỉnh kịp thời với các hạt “nặng hơn”. Loại máy gia tốc này được gọi là synchrocyclotron. Một trong những synchrocyclotron lớn nhất tại Viện nghiên cứu hạt nhân chung ở Dubna (gần Moscow) tạo ra proton có năng lượng 680 MeV và deuteron (hạt nhân hydro nặng - deuterium) có năng lượng 380 MeV. Để làm được điều này, cần phải chế tạo một buồng chân không có đường kính 3 mét và một nam châm điện nặng 7000 tấn! Khi các nhà vật lý nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc của hạt nhân, cần phải có các hạt có năng lượng cao hơn bao giờ hết. Cần phải chế tạo những máy gia tốc mạnh hơn nữa - synchrotron và synchrophasotron, trong đó các hạt chuyển động không phải theo hình xoắn ốc mà theo một vòng tròn khép kín trong một buồng hình khuyên. Năm 1944, độc lập với nhau, nhà vật lý Liên Xô V.I. Wexler và nhà vật lý người Mỹ E.M. Macmillan đã khám phá ra nguyên lý tự pha. Bản chất của phương pháp như sau: nếu bạn chọn các trường theo một cách nhất định, các hạt sẽ luôn tự động rơi cùng pha với điện áp gia tốc. Năm 1952, các nhà khoa học Mỹ E. Courant, M. Livingston và H. Snyder đề xuất cái gọi là lấy nét cứng, ép các hạt vào trục chuyển động. Với sự trợ giúp của những khám phá này, người ta có thể tạo ra synchrophasotron với năng lượng cao tùy ý. Có một hệ thống khác để phân loại máy gia tốc - theo loại điện trường gia tốc. Máy gia tốc điện áp cao hoạt động nhờ vào sự chênh lệch điện thế cao giữa các điện cực của không gian gia tốc, hoạt động miễn là các hạt bay giữa các điện cực. Trong máy gia tốc cảm ứng, một điện trường xoáy “hoạt động”, được tạo ra (bị kích thích) tại nơi hiện đang đặt các hạt. Và cuối cùng, trong máy gia tốc cộng hưởng, chúng sử dụng một trường gia tốc điện thay đổi theo thời gian và cường độ, đồng bộ với trường đó, “trong cộng hưởng”, toàn bộ “tập hợp” các hạt được gia tốc. Khi mọi người nói về máy gia tốc hạt năng lượng cao hiện đại, họ chủ yếu muốn nói đến máy gia tốc cộng hưởng vòng. Ở một loại máy gia tốc khác - proton - ở năng lượng rất cao, vào cuối thời kỳ gia tốc, tốc độ của các hạt đạt tới tốc độ ánh sáng. Chúng quay theo quỹ đạo tròn với tần số không đổi. Máy gia tốc proton năng lượng cao được gọi là synchrotron proton. Ba lớn nhất được đặt tại Mỹ, Thụy Sĩ và Nga. Năng lượng của các máy gia tốc hiện đang hoạt động đạt tới hàng chục, hàng trăm gigaelectronvolt (1 GeV = 1000 MeV). Một trong những thiết bị lớn nhất thế giới là synchrophasotron proton U-70 tại Viện Vật lý Năng lượng Cao ở thành phố Protvino gần Moscow, đi vào hoạt động năm 1967. Đường kính của vòng máy gia tốc là một km rưỡi, tổng khối lượng của 120 phần từ tính đạt tới 20000 tấn. Cứ sau hai giây, máy gia tốc bắn vào các mục tiêu với loạt đạn từ 10 đến 76 proton với năng lượng 400000 GeV (cao thứ tư trên thế giới). Để đạt được năng lượng như vậy, các hạt phải thực hiện 60000 vòng quay, đi được quãng đường XNUMX km! Một đường hầm tròn dưới lòng đất dài XNUMX km dành cho máy gia tốc mới cũng được xây dựng tại đây. Điều thú vị là việc phóng máy gia tốc ở Dubna hoặc Protvino vào thời Xô Viết chỉ được thực hiện vào ban đêm, vì chúng cung cấp gần như toàn bộ điện không chỉ từ Moscow mà còn từ các khu vực lân cận! Năm 1973, các nhà vật lý người Mỹ đã kích hoạt một máy gia tốc ở thành phố Batavia, trong đó các hạt có thể truyền năng lượng 400 GeV, và sau đó nâng nó lên tới 500 GeV. Ngày nay máy gia tốc mạnh nhất được đặt tại Mỹ. Nó được gọi là "Tevatron" vì trong vòng của nó dài hơn sáu km, với sự trợ giúp của nam châm siêu dẫn, các proton thu được năng lượng khoảng 1 teraelectronvolt (1 TeV bằng 1000 GeV).
Để đạt được năng lượng tương tác cao hơn nữa giữa chùm hạt được gia tốc và vật liệu của vật thể đang nghiên cứu, cần phải tăng tốc “mục tiêu” về phía “đạn”. Để làm được điều này, họ tổ chức sự va chạm của các chùm hạt bay về phía nhau trong các máy gia tốc đặc biệt - máy va chạm. Tất nhiên, mật độ hạt trong các chùm va chạm không cao bằng trong vật liệu của “mục tiêu” đứng yên, nên cái gọi là bộ tích lũy được sử dụng để tăng mật độ đó. Đây là những buồng chân không hình khuyên, trong đó các hạt từ máy gia tốc được ném “theo từng phần”. Các thiết bị lưu trữ được trang bị hệ thống tăng tốc để bù lại sự thất thoát năng lượng của các hạt. Các nhà khoa học liên kết sự phát triển hơn nữa của máy gia tốc với máy va chạm. Cho đến nay, chỉ một số ít trong số chúng được chế tạo và chúng được đặt tại các quốc gia phát triển nhất trên thế giới - ở Mỹ, Nhật Bản, Đức, cũng như tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu, có trụ sở tại Thụy Sĩ. Máy gia tốc hiện đại là một “nhà máy” sản xuất các chùm hạt cực mạnh - electron hoặc proton nặng hơn 2000 lần. Một chùm hạt từ máy gia tốc được hướng tới một “mục tiêu” được chọn dựa trên các mục tiêu của thí nghiệm. Khi va chạm với nó, nhiều loại hạt thứ cấp phát sinh. Sự ra đời của các hạt mới là mục tiêu của các thí nghiệm. Với sự trợ giúp của các thiết bị đặc biệt - máy dò - những hạt này hoặc dấu vết của chúng được ghi lại, quỹ đạo chuyển động được phục hồi, khối lượng của hạt, điện tích, tốc độ và các đặc tính khác được xác định. Sau đó, bằng cách xử lý toán học phức tạp đối với thông tin nhận được từ máy dò, toàn bộ “lịch sử” tương tác được xây dựng lại trên máy tính và bằng cách so sánh kết quả đo với mô hình lý thuyết, người ta rút ra kết luận: liệu các quá trình thực có trùng khớp với mô hình được xây dựng hay không. hay không. Đây là cách thu được kiến thức mới về tính chất của các hạt bên trong hạt nhân. Năng lượng mà một hạt thu được trong máy gia tốc càng cao thì tác dụng của nó lên nguyên tử “mục tiêu” hoặc lên hạt phản ứng trong máy va chạm càng mạnh thì các “mảnh” sẽ càng nhỏ. Ví dụ, với sự trợ giúp của một máy va chạm ở Hoa Kỳ, các thí nghiệm đang được thực hiện để tái tạo Vụ nổ lớn trong điều kiện phòng thí nghiệm, từ đó Vũ trụ của chúng ta được cho là đã bắt đầu. Các nhà vật lý từ 2000 quốc gia đã tham gia thí nghiệm táo bạo này, trong đó có đại diện của Nga. Mùa hè năm XNUMX, một nhóm người Nga đã trực tiếp tham gia thí nghiệm, trực tại máy gia tốc và lấy số liệu. Đây là điều mà một trong những nhà khoa học Nga tham gia thí nghiệm này, Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học, Phó Giáo sư tại MEPhI Valery Mikhailovich Emelyanov, nói: “60 dặm từ New York, trên Long Island, máy gia tốc RHIC - Máy va chạm ion nặng tương đối tính - được xây dựng trên các ion tương đối nặng. "Nặng" - kể từ năm nay anh ấy đã bắt đầu làm việc với các chùm hạt nhân nguyên tử vàng. "Tương đối tính" - cũng có thể hiểu được, chúng ta đang nói về tốc độ mà tại đó tác động của thuyết tương đối đặc biệt xảy ra thể hiện trong tất cả vinh quang của chúng. Và "máy va chạm" (từ va chạm - va chạm) nó được gọi như vậy vì các chùm hạt nhân va chạm xảy ra trong vòng của nó. Nhân tiện, ở nước ta không có máy gia tốc loại này. Năng lượng trên mỗi nucleon là 100 GeV. Đây là rất nhiều - gần như gấp đôi so với trước đây. Vụ va chạm vật lý đầu tiên được ghi nhận vào ngày 25 tháng 2000 năm XNUMX." Nhiệm vụ của các nhà khoa học là cố gắng ghi lại một trạng thái mới của vật chất hạt nhân - plasma quark-gluon. “Vấn đề rất phức tạp,” Emelyanov tiếp tục, “và về mặt toán học thì nó nói chung là không chính xác: cùng một sự phân bố cố định của các hạt thứ cấp theo mômen và vận tốc có thể có những lý do hoàn toàn khác nhau. Và chỉ với một thí nghiệm chi tiết trong đó một khối lượng máy dò, nhiệt lượng kế và các cảm biến đa bội có liên quan đến các hạt tích điện, các bộ đếm ghi lại bức xạ chuyển tiếp, v.v., hy vọng sẽ ghi lại những khác biệt tinh tế vốn có đặc biệt trong plasma quark-gluon. điều quan trọng hơn là lần đầu tiên trong điều kiện phòng thí nghiệm, chúng ta có thể khám phá nguồn gốc của Vũ trụ.” Tác giả: Musskiy S.A.
▪ Primus
Da nhân tạo để mô phỏng cảm ứng
15.04.2024 Cát vệ sinh cho mèo Petgugu Global
15.04.2024 Sự hấp dẫn của những người đàn ông biết quan tâm
14.04.2024
▪ Ca cao chứa flavonoid giúp con người thông minh hơn ▪ Máy quét sinh trắc học Thiết bị xác thực tĩnh mạch ngón tay ▪ Ghi lại lần Marsquake đầu tiên ▪ Card đồ họa AMD FirePro W4300
▪ phần của trang web Công cụ và cơ chế cho nông nghiệp. Lựa chọn các bài viết ▪ bài viết của Wilhelm Schwebel. câu cách ngôn nổi tiếng ▪ bài viết Tên thủ đô nào có nghĩa đơn giản là thủ đô? đáp án chi tiết ▪ bài viết Hoạt động của bình đun nước nóng bằng điện. Hướng dẫn tiêu chuẩn về bảo hộ lao động ▪ bài viết Bộ khuếch đại IF dựa trên PBS. Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện
Nhận xét về bài viết: Khách Điều gì xảy ra nếu nó không được cài đặt đúng cách?
Trang chủ | Thư viện | bài viết | Sơ đồ trang web | Đánh giá trang web
www.diagram.com.ua |
Chúng tôi giới thiệu các bài viết thú vị razdela 
Xem các bài viết khác razdela 
Tin tức khoa học công nghệ, điện tử mới nhất:
Tất cả các ngôn ngữ của trang này