Что такое линейный ускоритель?

Линейный ускоритель - это устройство, которое ускоряет вещество до высокой скорости, перемещая его по линейному пути с помощью электромагнитных полей. Термин наиболее часто используется для обозначения линейного ускорителя частиц или линейного ускорителя, который ускоряет атомы или субатомные частицы. «Линейный ускоритель» может также относиться к устройствам, которые используют электромагнетизм для приведения в движение более крупных объектов, таких как спиральные и рельсовые пистолеты. Линейные ускорители частиц обычно используются в медицине, промышленности и научных экспериментах, и электромагнитные ускорители для более крупных объектов могут найти применение в будущем для целей такие как космические путешествия и оружие.

Линейный ускоритель частиц запускает заряженные магнитом частицы. Это могут быть целые заряженные атомы, называемые ионами, или субатомные частицы, такие как протоны и электроны. Сначала ускоряемая частица генерируется электромагнитным устройством, таким как катодный или ионный источник, и выпускается в вакуумную камеру в форме трубы, покрытую электродами. Затем на электроды подают энергию, чтобы создать колеблющиеся магнитные поля, которые передают энергию частице и ускоряют ее вниз по трубке к цели устройства. Точное расположение электродов внутри трубки, мощность и частота энергии, посылаемой в электроды, и размер электродов - все варьируются в зависимости от ускоряемых частиц и назначения устройства.

Простым и очень распространенным примером является электронно-лучевая трубка, обычно используемая в телевизорах, мониторах и других технологиях отображения. Катодно-лучевая трубка продвигает электроны вниз по трубке, пока они не ударяются о твердую мишень на конце трубки, изготовленную из люминесцентных материалов, называемых люминофорами, которые обычно представляют собой соединения сульфида металлов. Это приводит к тому, что часть энергии электронов выделяется в виде излучения электромагнитной энергии на длинах волн, которые человеческий глаз обнаруживает как видимый свет. Рентгеновские аппараты, используемые в медицине и биологических исследованиях, следуют аналогичному принципу, направляя потоки электронов в медь, молибден или вольфрам для получения рентгеновских излучений, которые можно использовать для визуализации или, с более мощными устройствами, радиотерапии.

Линейные ускорители частиц также используются в научных исследованиях. Небольшие устройства часто используются для визуализации в биологических и археологических исследованиях. Линейные ускорители, используемые для исследований, сильно различаются по размеру и могут достигать поистине колоссальных размеров из-за чрезвычайно высоких уровней энергии, необходимых для возникновения некоторых явлений, изучаемых в современной физике. Длина самого большого линейного ускорителя частиц на Земле, расположенного в Национальной ускорительной лаборатории SLAC (Стэнфордский центр линейных ускорителей) в Менло-Парке, штат Калифорния, составляет две мили.

Они также используются в некоторых промышленных процессах. Некоторые кремниевые чипы, используемые в современной электронике, изготавливаются по технологии, включающей ускорители, которые продвигают целые заряженные атомы вместо субатомных частиц, что позволяет очень точно размещать атомы во время производства. Ускорители также можно использовать для имплантации ионов в поверхность таких материалов, как сталь, изменяя структуру материала, чтобы сделать его более устойчивым к трещинам, химической коррозии.

Термин «линейный ускоритель» также иногда используется для устройств, которые движут более крупные объекты подобным образом, используя электромагнетизм для ускорения снаряда по прямой траектории. Они работают, пропуская электричество через металлическую катушку, намотанную на ствол устройства, конструкцию, называемую винтовым ружьем, массовым водителем, или гауссовой пушкой, или через пару металлических направляющих, расположенных параллельно друг другу, называемую рейлган. Объект, изготовленный из ферромагнитного материала, такого как железо, может быть ускорен вниз по стволу устройства с помощью магнитных полей, создаваемых электрическими токами с соответствующей синхронизацией. Спиральные ружья были предложены в качестве возможного способа запуска грузов с поверхности Земли в космическое пространство, и как винтовые, так и железнодорожные ружья исследуются в качестве возможного оружия.