Lineární urychlovač částic - Linear particle accelerator

Linac v australském synchrotronu využívá rádiové vlny ze série RF dutin na začátku linacu k urychlení svazku elektronů ve svazcích na energie 100 MeV.

Lineární urychlovač částic (často se zkrátil k linac ) je druh urychlovače částic , který urychluje nabité subatomární částice nebo ionty na vysokou rychlost, tím, že se podrobí sérii oscilační elektrických potenciálů podél lineární beamline . Principy pro takové stroje navrhl Gustav Ising v roce 1924, přičemž první stroj, který fungoval, zkonstruoval Rolf Widerøe v roce 1928 na RWTH Aachen University . Linacs mají mnoho aplikací: vytvářejí rentgenové paprsky a vysoce energetické elektrony pro léčebné účely v radiační terapii , slouží jako injektory částic pro urychlovače s vyšší energií a používají se přímo k dosažení nejvyšší kinetické energie pro lehké částice (elektrony a pozitrony) pro částicová fyzika .

Konstrukce linacu závisí na typu částice, která se zrychluje: elektrony , protony nebo ionty . Linacs se pohybuje ve velikosti od katodové trubice (což je typ linacu) po 3,2 kilometru dlouhý (2,0 mi) linac v laboratoři SLAC National Accelerator Laboratory v Menlo Park v Kalifornii .

Stavba a provoz

Animace ukazující, jak funguje lineární urychlovač. V tomto případě se předpokládá, že zrychlené částice (červené tečky) mají kladný náboj. Graf V (x) ukazuje elektrický potenciál podél osy urychlovače v každém časovém bodě. Polarita vysokofrekvenčního napětí se mění, když částice prochází každou elektrodou, takže když částice překročí každou mezeru, elektrické pole (E, šipky) má správný směr pro jeho zrychlení. Animace ukazuje, že se v každém cyklu zrychluje jedna částice; do skutečných linaců se v každém cyklu vstřikuje a zrychluje velký počet částic. Akce je zobrazena velmi zpomaleně.
K zaostření elektronového paprsku slouží čtyřpólové magnety obklopující linac australského synchrotronu
Budova pokrývající 2 míle (3,2 km) paprskovou trubku Stanford Linear Accelerator (SLAC) v Menlo Park v Kalifornii, druhý nejsilnější linac na světě. Má asi 80 000 urychlujících elektrod a mohlo by urychlit elektrony na 50  GeV

Lineární urychlovač částic se skládá z následujících částí:

  • Přímá dutá vakuová komora, která obsahuje další součásti. Evakuuje se vakuovou pumpou , aby zrychlené částice nekolidovaly s molekulami vzduchu. Délka se bude lišit podle aplikace. Pokud se zařízení používá k výrobě rentgenových paprsků pro kontrolu nebo terapii, může mít potrubí délku pouze 0,5 až 1,5 metru. Pokud má být zařízení injektorem pro synchrotron , může být dlouhý asi deset metrů. Pokud je zařízení používáno jako primární urychlovač pro výzkum jaderných částic, může být dlouhé několik tisíc metrů.
  • Zdroj částic (S) na jednom konci komory, který produkuje nabité částice, které stroj zrychluje. Konstrukce zdroje závisí na částici, která je urychlována. Elektrony jsou generovány studenou katodou , horkou katodou , fotokatodou nebo vysokofrekvenčními (RF) iontovými zdroji . Protony jsou generovány ve zdroji iontů , který může mít mnoho různých provedení. Pokud mají být urychleny těžší částice (např. Uranové ionty ), je zapotřebí specializovaný zdroj iontů. Zdroj má vlastní vysokonapěťové napájení pro vstřikování částic do paprsku.
  • Podél potrubí od zdroje se rozprostírá řada válcových elektrod s otevřeným koncem (C1, C2, C3, C4) , jejichž délka se postupně zvětšuje se vzdáleností od zdroje. Částice ze zdroje procházejí těmito elektrodami. Délka každé elektrody je dána frekvencí a výkonem zdroje hnací síly a částice, která má být urychlována, takže částice prochází každou elektrodou přesně v polovině cyklu zrychlujícího napětí. Hmotnost částice má velký vliv na délku válcových elektrod; například elektron je podstatně lehčí než proton, a proto bude obecně vyžadovat mnohem menší část válcových elektrod, protože velmi rychle zrychluje.
  • Cíl (není zobrazen), se kterým částice kolidují, umístěný na konci urychlujících elektrod. Pokud jsou elektrony urychlovány za vzniku rentgenových paprsků, pak se použije vodou chlazený wolframový terč. Při zrychlení protonů nebo jiných jader se používají různé cílové materiály , v závislosti na konkrétním vyšetřování. Za cílem jsou různé detektory pro detekci částic vznikajících při srážce přicházejících částic s atomy cíle. Mnoho linaců slouží jako počáteční akcelerační stupeň pro větší urychlovače částic, jako jsou synchrotrony a zásobní prstence , a v tomto případě po opuštění elektrod zrychlené částice vstupují do dalšího stupně urychlovače.
  • Oscilátor a zesilovač (G) , který generuje vysokofrekvenční střídavé napětí s vysokým potenciálem (obvykle tisíc voltů), která se aplikuje na válcových elektrod. Toto je zrychlující napětí, které vytváří elektrické pole, které urychluje částice. Jak je ukázáno, na postupné elektrody je aplikováno napětí opačné fáze. Akcelerátor vysokého výkonu bude mít samostatný zesilovač pro napájení každé elektrody, všechny synchronizované na stejnou frekvenci.

Jak ukazuje animace, oscilační napětí aplikované na alternativní válcové elektrody má opačnou polaritu (180 ° mimo fázi ), takže sousední elektrody mají opačné napětí. To vytváří oscilující elektrické pole (E) v mezeře mezi každým párem elektrod, které při průchodu působí na částice silou a dodává jim energii jejich zrychlováním. Zdroj částic vstřikuje skupinu částic do první elektrody jednou za každý cyklus napětí, když je náboj na elektrodě opačný k náboji na částicích. Elektrody mají správnou délku, takže zrychlujícím částicím prochází každou elektrodou přesně poloviční cyklus. Pokaždé, když svazek částic prochází elektrodou, oscilační napětí změní polaritu, takže když částice dosáhnou mezery mezi elektrodami, elektrické pole je ve správném směru, aby je urychlilo. Částice proto zrychlují na vyšší rychlost pokaždé, když procházejí mezi elektrodami; uvnitř elektrod je malé elektrické pole, takže částice cestují konstantní rychlostí v každé elektrodě.

Částice se vstříknou ve správný čas, takže oscilační rozdíl napětí mezi elektrodami je maximální, když částice procházejí každou mezerou. Pokud je špičkové napětí aplikované mezi elektrodami volty a náboj na každé částici je elementární náboj , získá částice při průchodu každou mezerou stejný přírůstek energie elektronvoltů . Takže výstupní energie částic je

elektronvoltů, kde je počet urychlujících elektrod ve stroji.

Při rychlostech blízkých rychlosti světla bude přírůstkové zvyšování rychlosti malé, přičemž energie se jeví jako nárůst hmotnosti částic. V částech urychlovače, kde k tomu dojde, budou délky trubicových elektrod téměř konstantní. Mohou být zahrnuty další magnetické nebo elektrostatické čočkové prvky, které zajistí, že paprsek zůstane ve středu trubky a jejích elektrod. Velmi dlouhé urychlovače mohou udržovat přesné zarovnání svých součástí pomocí servosystémů vedených laserovým paprskem.

Koncepty ve vývoji

Od roku 2021 jsou ve vývoji různé nové koncepty. Primárním cílem je zlevnit lineární urychlovače s lépe zaostřenými paprsky, vyšší energií nebo vyšším proudem paprsku.

Indukční lineární urychlovač

Indukční lineární urychlovače využívají ke zrychlení elektrické pole indukované časově proměnným magnetickým polem - jako betatron . Částicový paprsek prochází řadou prstencových feritových jader stojících za sebou, která jsou magnetizována silnoproudými impulsy a každá z nich následně generuje impuls síly elektrického pole podél osy směru paprsku. Indukční lineární urychlovače jsou uvažovány pro krátké vysoce proudové impulsy z elektronů, ale také z těžkých iontů. Koncept se vrací k dílu Nicholase Christofilos . Jeho realizace je velmi závislá na pokroku ve vývoji vhodnějších feritových materiálů. S elektrony bylo dosaženo pulzních proudů až 5 kiloampů při energiích do 5 MeV a trvání pulsu v rozmezí 20 až 300 nanosekund.

Rekuperace energie LINAC

U předchozích elektronových lineárních urychlovačů se zrychlené částice použijí pouze jednou a poté se přivedou do absorbéru (paprskové skládky) , ve kterém se jejich zbytková energie přemění na teplo. V Linac pro obnovu energie (ERL; doslovně: „lineární urychlovač energetické obnovy“) místo toho zrychlil v rezonátorech a například v undulátorech . Použité elektrony jsou přiváděny zpět přes urychlovač, mimo fázi o 180 stupňů. Ve zpomalující fázi proto procházejí rezonátory a vrací tak do pole svoji zbývající energii. Koncept je srovnatelný s hybridním pohonem motorových vozidel, kde je kinetická energie uvolněná při brzdění k dispozici pro další zrychlení nabitím baterie.

Brookhaven National Laboratory  a Helmholtz-Zentrum Berlin s projektem „bERLinPro“ hlásil na odpovídající vývojové práce. Berlínský experimentální urychlovač používá supravodivé rezonátory niobové dutiny výše uvedeného typu. V roce 2014 byly celosvětově v provozu tři lasery s volnými elektrony založené na systému Energy Recovery Linacs  : v laboratoři Jefferson Lab (USA), v Budkerově institutu jaderné fyziky (Rusko) a v JAEA (Japonsko). Na univerzitě v Mohuči se ERL s názvem MESA staví a měla by (od roku 2019) začít fungovat v roce 2022.

Kompaktní lineární urychlovač

Koncept kompaktního lineárního urychlovače (CLIC) (původní název CERN Linear Collider se stejnou zkratkou) pro elektrony a pozitrony poskytuje urychlovač cestující vlny pro energie řádově 1 tera elektronový volt (TeV). Místo jinak nezbytných početných klystronových zesilovačů pro generování akceleračního výkonu má být použit druhý, paralelní elektronový lineární urychlovač s nižší energií, který pracuje se supravodivými dutinami, ve kterých se tvoří stojaté vlny. V pravidelných intervalech je z něj odebírán vysokofrekvenční výkon a přenášen do hlavního urychlovače. Tímto způsobem by mělo být dosaženo velmi vysoké síly pole zrychlení 80 MV / m.

Kielfeldův urychlovač (plazmový urychlovač)

V dutinových rezonátorech dielektrická pevnost omezuje maximální zrychlení, kterého lze dosáhnout v určité vzdálenosti. Tento limit lze obejít pomocí zrychlených vln v plazmě ke generování akceleračního pole v Kielfeldových urychlovačích : Laser nebo svazek částic budí oscilaci v plazmatu , která je spojena s velmi silnými silami elektrického pole. To znamená, že je možné postavit výrazně (faktory 100 až 1000 s) kompaktnější lineární urychlovače. Experimenty zahrnující vysoce výkonné lasery v kovových parních plazmatech naznačují, že je docela možné snížení délky paprsku z několika desítek metrů na několik cm.

Kompaktní lékařské urychlovače

Program LIGHT (Linac for Image-Guided Hadron Therapy) doufá, že vytvoří návrh schopný zrychlení protonů na 200MeV nebo tak pro lékařské použití na vzdálenost několika desítek metrů, optimalizací a vnořením stávajících technik urychlovače Současný design (2020 ) používá nejvyšší praktickou frekvenci svazku (v současné době ~ 3GHz) pro radiofrekvenční kvadrupólový (RFQ) stupeň od injekce při 50 kVdC do ~ 5 MeV svazků, postranní sdružená trubice Linac (SCDTL) k akceleraci z 5Mev na ~ 40MeV a buňka Závěrečná fáze Linac (CCL) spojená s výstupem na 200-230 MeV. Každý stupeň je optimalizován tak, aby umožňoval těsné spojení a synchronní provoz během vytváření energie paprsku. Cílem projektu je udělat z protonové terapie dostupnější mainstreamovou medicínu jako alternativu ke stávající radioterapii.

Moderní koncepce lineárního urychlovače

Čím vyšší je frekvence zvoleného zrychlovacího napětí, tím více jednotlivých zrychlovacích tahů na délku dráhy zažije částice dané rychlosti, a čím kratší může být urychlovač celkově. Proto se technologie urychlovače vyvíjela ve snaze o vyšší energie částic, zejména směrem k vyšším frekvencím.

Koncepty lineárního urychlovače (odborně se jim často říká urychlovačové struktury), které se používají zhruba od roku 1950, pracují s frekvencemi v rozmezí od přibližně 100 megahertzů (MHz) do několika gigahertzů (GHz) a využívají složku elektrického pole elektromagnetických vln.

Stojaté vlny a putující vlny

Pokud jde o energie více než několik MeV, urychlovače pro ionty se liší od urychlovačů pro elektrony. Důvodem je velký hmotnostní rozdíl mezi částicemi. Elektrony jsou již blízko rychlosti světla , absolutního rychlostního limitu, na několika MeV; s dalším zrychlením, jak je popisuje relativistická mechanika , se zvyšuje téměř jen jejich energie a hybnost . Na druhou stranu s ionty tohoto energetického rozsahu se rychlost díky dalšímu zrychlení také výrazně zvyšuje.

Dnes používané koncepty zrychlení pro ionty jsou vždy založeny na elektromagnetických stojatých vlnách, které se tvoří ve vhodných rezonátorech . V závislosti na typu částice, energetickém rozsahu a dalších parametrech se používají velmi odlišné typy rezonátorů; následující části pokrývají pouze některé z nich. Elektrony lze také urychlit stojatými vlnami nad několika MeV. Výhodnou alternativou zde však je progresivní vlna, putující vlna. Fázová rychlost s postupnou vlnou, musí být přibližně rovna rychlosti částic. Tato technika je proto vhodná pouze tehdy, když jsou částice téměř rychlostí světla, takže jejich rychlost se zvyšuje jen velmi málo.

Pro tyto dvě akcelerační techniky byl zásadní vývoj vysokofrekvenčních oscilátorů a výkonových zesilovačů od čtyřicátých let, zejména klystronu. První větší lineární urychlovač se stojatými vlnami - pro protony - byl postaven v letech 1945/46 v národní laboratoři Lawrence Berkeley pod vedením Luise W. Alvareze . Použitá frekvence byla 200 MHz. První elektronový urychlovač s cestováním vlny kolem 2 GHz (gigahertz) byla vyvinuta o něco později na Stanford University od WW Hansenem a kolegy.

Princip zrychlení částicových paketů
stojatou vlnou
putovní vlnou

Ve dvou diagramech křivka a šipky označují sílu působící na částice. Částice mohou absorbovat energii z vlny pouze v bodech se správným směrem vektoru elektrického pole, tj. Správným směrem síly. (Zvětšení rychlosti není v měřítku těchto obrázků vidět.)

Výhody

Na Stanfordské universitě supravodivý lineární urychlovač, který sídlí v kampusu pod Hansen Labs až do roku 2007. Toto zařízení je oddělená od SLAC
Odlévání oceli pod rentgenovým paprskem pomocí lineárního urychlovače ve společnosti Goodwin Steel Castings Ltd

Lineární urychlovač mohl produkovat vyšší energie částic než předchozí elektrostatické urychlovače částic ( Cockcroft-Waltonův urychlovač a Van de Graaffův generátor ), které se používaly, když byl vynalezen. V těchto strojích byly částice urychleny pouze jednou aplikovaným napětím, takže energie částic v elektronvoltech se rovnala zrychlujícímu napětí na stroji, které bylo omezeno na několik milionů voltů rozpadem izolace. V linacu jsou částice několikrát urychlovány aplikovaným napětím, takže energie částic není omezována zrychlujícím napětím.

Vyvíjejí se také vysoce výkonné lineáry pro výrobu elektronů relativistickými rychlostmi, protože rychlé elektrony cestující v oblouku ztratí energii prostřednictvím synchrotronového záření ; to omezuje maximální výkon, který může být předán elektronům v synchrotronu dané velikosti. Linacs jsou také schopné podivuhodného výkonu a produkují téměř nepřetržitý proud částic, zatímco synchrotron bude pouze periodicky zvyšovat částice na dostatečnou energii, aby si zasloužil „výstřel“ na cíl. (Shluk může být držen nebo uložen v prstenci na energii, aby experimentální elektronika měla čas na práci, ale průměrný výstupní proud je stále omezený.) Vysoká hustota výstupu činí linac obzvláště atraktivním pro použití při nakládání zařízení pro ukládání prstenů s částicemi v přípravě na srážky částic na částice. Vysoký hmotnostní výkon také činí zařízení praktickým pro výrobu částic antihmoty , které je obecně obtížné získat, což je jen malý zlomek kolizních produktů cíle. Ty pak mohou být uloženy a dále použity ke studiu zničení hmoty a antihmoty.

Lékařské linacs

Historický snímek zachycující Gordona Isaaca, prvního pacienta léčeného pro retinoblastom radiační terapií s lineárním urychlovačem (v tomto případě elektronovým paprskem), v roce 1957, v USA Další pacienti byli léčeni linacem pro jiná onemocnění od roku 1953 ve Velké Británii. Gordonovo pravé oko bylo odstraněno 11. ledna 1957, protože se tam rozšířila rakovina. Jeho levé oko však mělo pouze lokalizovaný nádor, který přiměl Henryho Kaplana, aby ho ošetřil elektronovým paprskem.

Radiační terapie založená na Linacu pro léčbu rakoviny začala prvním pacientem ošetřeným v roce 1953 v Londýně ve Velké Británii v nemocnici Hammersmith Hospital s přístrojem 8 MV postaveným společností Metropolitan-Vickers a instalovaným v roce 1952 jako prvním specializovaným lékařským linacem. Krátce poté, v roce 1954, byl ve Stanfordu v USA instalován 6 MV linac, který zahájil léčbu v roce 1956.

Lékařské lineární urychlovače urychlují elektrony pomocí vlnovodu s laděnou dutinou, ve kterém vysokofrekvenční energie vytváří stojatou vlnu . Někteří linacové mají krátké, svisle uložené vlnovody, zatímco stroje s vyšší energií mívají horizontální, delší vlnovod a ohýbací magnet, který paprsek otočí svisle směrem k pacientovi. Lékařské linacs používají monoenergetické elektronové paprsky mezi 4 a 25 MeV, což poskytuje rentgenový výstup se spektrem energií až do a včetně energie elektronů, když jsou elektrony zaměřeny na cíl s vysokou hustotou (například wolfram ). Elektrony nebo rentgenové paprsky lze použít k léčbě benigních i maligních onemocnění. LINAC produkuje spolehlivý, flexibilní a přesný paprsek záření. Univerzálnost LINACu je potenciální výhodou oproti kobaltové terapii jako léčebnému nástroji. Kromě toho lze zařízení jednoduše vypnout, když se nepoužívá; neexistuje žádný zdroj vyžadující silné stínění - ačkoli samotná ošetřovna vyžaduje značné stínění stěn, dveří, stropu atd., aby se zabránilo úniku rozptýleného záření. Dlouhodobé používání vysoce výkonných (> 18 MeV) strojů může vyvolat značné množství záření v kovových částech hlavy stroje poté, co bylo odpojeno napájení stroje (tj. Stanou se aktivním zdrojem a je třeba dodržovat nezbytná opatření ).

Aplikace pro vývoj lékařských izotopů

Očekávaný nedostatek Mo-99 a z něj získaného lékařského izotopu technecia-99m také osvětlil technologii lineárního urychlovače k ​​výrobě Mo-99 z neobohaceného uranu neutronovým bombardováním. To by umožnilo průmyslu lékařských izotopů vyrábět tento zásadní izotop subkritickým procesem. Stárnoucí zařízení, například Chalk River Laboratories v Ontariu v Kanadě, které stále produkují většinu Mo-99 z vysoce obohaceného uranu, by mohly být nahrazeny tímto novým procesem. Tímto způsobem bude dosaženo subkritického nakládání rozpustných solí uranu v těžké vodě s následným bombardováním foto neutrony a extrakcí cílového produktu Mo-99.

Nevýhody

  • Délka zařízení omezuje místa, kde je možné je umístit.
  • Je vyžadováno velké množství zařízení ovladače a s nimi spojených napájecích zdrojů, což zvyšuje náklady na konstrukci a údržbu této části.
  • Pokud jsou stěny urychlovacích dutin vyrobeny z normálně vodivého materiálu a urychlovací pole jsou velká, měnný odpor stěny rychle přeměňuje elektrickou energii na teplo. Na druhou stranu supravodiče také potřebují neustálé chlazení, aby je udržely pod kritickou teplotou, a zrychlující pole jsou omezena prudkým zhášením . Proto urychlovače s vysokou energií, jako je SLAC , stále nejdelší na světě (v různých generacích), běží v krátkých pulsech, což omezuje průměrný proudový výkon a nutí experimentální detektory zpracovávat data přicházející v krátkých dávkách.

Viz také

Reference

externí odkazy