热点关注:  
放射性同位素 粒子加速器 辐照杀菌 无损检测 高新核材 辐射成像 放射诊疗 辐射育种 食品辐照保鲜 废水辐照 X射线 中广核技 中国同辐

引力:粒子加速器中的磁铁

2022-02-14 00:30     来源:中国同位素与辐射行业协会     粒子束 核技术

1820年,汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(Hans Christian Oersted)在丹麦哥本哈根大学给一班高级学生演示了电力。他用一个早期的电池原型,观察电流对指南针的影响,由于他事先没有时间测试他的实验,结果对他和他的学生一样未知。当他通过在电池两端连接一根电线完成电路时,产生的电流使指南针与电线对齐,显示出电和磁是同一现象的两个方面。

在产生电流的过程中,奥斯特创造了一个临时磁铁——电磁铁。物理学家继续为他们的实验开发电磁铁,今天,它们无处不在:在核磁共振扫描仪、扬声器、变压器、电动机和粒子加速器中。

加速器磁铁在亚原子粒子以接近光速的速度射出时弯曲并形成粒子束。专家们设计磁铁,这样他们就可以用正确的方式操纵粒子束,产生他们所追求的物理效果。

加速器磁铁-它们是如何工作的?

带电粒子(如质子和电子)的运动产生磁场。同样,磁场也会影响带电粒子的运动。这正是奥斯特在200年前帮助揭示的关系,后来科学家们会得出这样的定义:电和磁是同一枚硬币的两面。

这是人类利用世界变化效应的一种现象。你用来阅读这篇文章的设备所使用的电网是从对磁电关系的理解中产生的。

粒子物理学家利用电磁学,通过控制加速器中的粒子束,将它们撞向目标,产生更多的粒子供科学家研究,来探索我们宇宙的起源。

加速器专家将电流通过盘绕的电线,产生一个南北极的临时磁铁。这些盘绕的电线形成了加速器用电磁铁的磁极。它们不仅可以排列成两极电磁铁,还可以排列成四极、六极甚至更多极的磁铁。

别搞错了:这些不像你家的磁铁。加速器磁铁可以和皮卡一样长——有时更长——可以重达数吨。通常建造每一个都需要几个月的时间。

无论用什么材料来制造加速器磁铁,加速器磁铁都可以根据磁极数来分类。其中大多数是四种类型中的一种:偶极磁铁使粒子束弯曲,四极磁铁使粒子束聚焦,六极磁铁纠正四极磁铁的不完美聚焦,八极磁铁有助于增加存储粒子束的稳定性。在加速器术语中,这些是不同的磁性“多极体”,科学家们用它们来操纵这些发现引擎中的粒子束。

 加速磁铁的长度可以和一辆皮卡车一样长,有时甚至更长,重量可达数吨。通常需要几个月的时间来建造每一个。他们弯曲和聚焦粒子束,纠正不完美的聚焦,甚至增加粒子束的稳定性。图:Reidar Hahn, Fermilab

偶极子-这不是很容易控制粒子束

偶极子通常由两根独立的盘绕导线构成,它们的南北极相对。当电流通过线圈时,在两极之间的间隙形成一个单向磁场。

“加速器的科学家和工程师可以利用这个电场使带电粒子束沿曲线弯曲,”费米实验室的副科学家乔纳森·贾维斯(JonathanJarvis)说。“简而言之,偶极子是我们获得粒子束的主要途径。”

如果你碰巧骑在一个质子上,它正朝着一个指向下方的磁场前进,你和你的质子就会以与磁场强度成比例的速度向左移动。磁场越强,你和你的质子感受到的向左的拉力就越大。对于垂直磁场,你可以追踪到的路径是一个水平的圆弧。

偶极磁铁通常用来弯曲粒子束。例如,在圆形加速器中,多个偶极磁铁沿束流路径排列。粒子束一个接一个地穿过,每通过一次,粒子束就向一个方向移动,从而沿着曲线运动。

快速作用的偶极子也可以用来将粒子束“踢”进或踢出环形加速器的主束。

当一个带正电荷的粒子通过偶极磁铁进入纸面时,它会向左偏转,偏转的角度与磁铁所施加的力成正比。图片:Jerald mike vanderboegh

四极-保持专注

施加单向力的磁铁可以很好地将粒子束弯曲到特定的方向,但它们不能保持粒子束的形状。

贾维斯说:“如果我们把粒子束放在偶极子中,它就会分裂。”“就像气体分子的集合一样,粒子束也有温度,这种随机的能量会导致粒子在加速器中自然地漂移开来。”如果粒子束不能重新聚集在一起,它们就会撞到真空管道的内壁上,在那里它们会循环。”

因此,科学家们使用四极磁铁来重新聚焦这些任性的粒子,并把它们带回到粒子束流中。

顾名思义,四极有四个交变极。它们产生一种特殊的磁场,可以把粒子重新聚集在一起,就像透镜可以把光线聚集到一个点上一样。

一个单四极使束流聚焦在一个平面上。例如,一个四极体可以在通过加速器时向内挤压束流的侧面,但是——就像一块培乐多(Play-Doh)当你挤压它的侧面时的反应一样——粒子束会向另一个方向散焦。

解决的办法是用交替的方向把多个四极串在一起。粒子束通过其中一个,在水平方向被压缩。然后它穿过下一个,在垂直方向被压缩。随着每一个连续的按压,使粒子束变得集中。

最终效果是粒子束在加速器上来回运动形成一束稳定的粒子束,同样,四极也可以使粒子束散焦。当粒子通过加速器时,有时粒子束的密度较低会更好,从而降低粒子相互干扰的可能性。当粒子束通过磁强度较弱的四极时,允许它们首先向上下方向扩散,然后向左右方向扩散,以此类推,直到适当地散焦为止。

四极有四个磁极。在粒子加速器中,如果粒子偏离中心束太远,两极就会把粒子推到一起。四极只聚焦在一个平面上,因此为了从两边挤压加速的粒子束,这些磁铁通常是一个接一个地堆叠起来,每一个都相对于前一个旋转90度。通过这种方式,粒子束在两个方向被推到一起,因为它们通过连续的磁铁。图片:Jeraldmike vanderboegh


六色校正

就像偶极磁铁可以弯曲粒子束但无法使其聚焦一样,四极磁铁也可以聚焦粒子,但不是所有粒子都聚焦在同一位置。

构成粒子束的粒子能量略有不同。

贾维斯说:“不幸的是,对于所有的粒子束能量来说,四极的表现并不完全相同。”“高能量粒子受四极磁场的影响比低能量粒子要小。”

结果是高能粒子和低能粒子在束流路径的不同点上聚集。这与水滴弯曲不同颜色的光形成令人惊叹的彩虹一样。

在四极磁铁中,这种“色差”在粒子在加速器中来回弹回的速度上产生差异,这种现象被加速器科学家称为色度学。

“在很多情况下,为了看到我们想要的物理,我们必须修正色度,我们使用六极来做这个,”贾维斯说。

当正确地放置在加速器中时,这些六极磁铁会迫使高能量粒子重新与粒子束的其余部分对齐。

四极磁铁不能将具有不同能量的粒子聚焦到一个特定的点,因此科学家们使用六极磁铁来修正这种色差。图片:Jerald mike vanderboegh


八极-混合

我们都有过这样的经历:当你走在走廊上时,有人绕过一个角落,正好挡住了你的去路。你俩都朝一个方向移动,然后又朝另一个方向移动,然后再回来,试图避免碰撞,这种碰撞似乎会持续很长时间。你很难超越对方的原因是你与他的移动速度相似。如果一个人移动得更慢,或者只是停留在路线上,那么这种行为就会被抑制。

如果粒子束以相同的频率振荡,它们可以表现出类似的集体行为。

为了稳定这种情况,可以使用称为八极磁铁来混合粒子的频率。科学家们把这种稳定称为“兰道(Landau)阻尼”,它为粒子束提供了对一些不稳定行为的自然抵抗力。

不幸的是,更高阶的多极磁铁所增加的稳定性和增强的聚焦是有代价的。

贾维斯说:“这些磁铁会产生有害的共振,降低存储粒子的位置和能量范围。”“如果粒子发现自己在这个所谓的‘动态孔径’范围之外,它们就会从加速器中消失。”

集成光学及其他

在世界各地的加速器装置工作的科学家们正在努力产生更多产的粒子束,以追求支撑宇宙的物理学。

其中一种方法是增加粒子束的强度,即增加束中粒子的数量。但有一个问题:随着强度的增加,粒子束的运动方式可能会变得复杂得多,从而超出了传统磁铁的限制。

为了给下一代粒子物理学铺平道路,费米实验室的加速器科学家们正在考虑一种全新类型的磁铁,这种磁铁可以处理日益增强的粒子束强度。

贾维斯说:“这些非线性磁铁实际上是许多多极的特殊组合,它们有潜力显著提高束流的稳定性,而又不会在简单的八极子中进行取舍。”

随着科学家继续推动磁铁技术的发展,我们将能够更深入地观察亚原子世界——发现仅在最极端条件下存在的奇异粒子,观察中微子的神秘转变和μ子的衰变,并最终出现以便更好地了解宇宙是如何开始的。

令人惊讶的是,这个不起眼的磁铁是我们通往某些宇宙最深奥秘的门户,但这又是吸引的力量。

这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。

费米实验室是由美国能源部科学办公室资助的。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者,它正在努力解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。

推荐阅读

地球上的水是从哪里来的?

地球的水供应对其维持生命的能力非常重要,但这些水是从哪里来的呢? 2022-02-17

福建物构所在强酸性条件下选择性捕获铯离子研究中获进展

铯(137Cs)是乏燃料中的主要裂变产物之一,放射性强、释热量大且半衰期较长,对核废物的贮存和处置影响大,一旦泄露到环境中将严重威胁生态环境和人类健康 2022-02-16

北京谱仪III实验完成粒子物理学重要物理量R值高精度测量

北京谱仪BESIII合作组利用连续能区2.23-3.67GeV正负电子对撞数据,以优于3%的精度测量了R值。 2022-02-16

暗场 X 射线和常规技术可实现更好的 CT 扫描

undefined慕尼黑工业大学 (TUM) 的一组研究人员已将暗场 X 射线方法集成到适合临床使用的 CT 扫描仪中。 2022-02-15

不知道这6座反应堆,你都不好意思说你搞核的

坐落于北京的中国原子能科学院院内就有6座宗师级反应堆,了解这6座反应堆就了解了中国的原子能事业。 2022-02-14

阅读排行榜