Zdroje částic Supravodivé magnety Aplikace urychlovačů Mgr. Jan Pipek
[email protected] 25.11.2010 Dostupné na http://fjfi.vzdusne.cz/urychlovace
Zdroje částic
Zdroje částic – přehled
Cílem je vytvořit svazek částic s požadovanými vlastnostmi:
složený jen z částic našeho zájmu předurychlený na energii v řádu keVů až MeVů dostatečně kolimovaný s úzkým energetickým spektrem dostatečně intenzivní
Přitom požadujeme:
trvanlivost zdroje nízkou spotřebu plynu (udržení vakua v systému)
Urychlované částice
Elektrony Pozitrony Protony
Těžké nabité ionty
Antiprotony Kladné Záporné
(Piony, K)
Elektronové dělo (1)
Elektrony jsou uvolněny z katody:
tepelnou emisí fotoemisí stimulovanou laserem tunelovým jevem v silném elektrickém poli sekundární emise při bombardování částicemi
Jsou urychleny:
elektrostatickým polem (diodové nebo triodové uspořádání) radiofrekvenčním polem
Elektronové dělo (2)
Diodové uspořádání
Triodové uspořádání
Svazek elektronů je kolimován úzkým otvorem v anodě Horší možnost řídit intenzitu svazku Výkon zdroje je řízen potenciálovým rozdílem mezi katodou a vloženou mřížkou
Při emisi velkého množství elektronů se kolem katody vytváří oblast záporného náboje, který snižuje intenzitu elektrického pole a brání další emisi
Elektronové dělo – uspořádání
Schema triodového uspořádání – elektronové dělo s tepelnou emisí
Tepelná emise elektronů (1)
Přímá
Zdrojem elektronů je tenký vodič, jímž prochází proud Okamžitá reakce na změnu příkonu Méně stabilní výkon Používají se vlákna W
Nepřímá
Teplo je na povrch katody dodáváno nepřímo Méně pohotová adaptace, větší stabilita Materiály: LaB6, Cu,Cs2Te, Ti
Tepelná emise elektronů (2)
Tepelná emise elektronů závisí na teplotě podle Richardsonova vztahu:
j= A⋅T 2 e
−e work kBT
eφwork je výstupní práce pro elektrony, kB Boltzmannova konstanta a A = 1,2 . 106 A.K-2.cm-2 Prakticky ovšem je emise o něco nižší, přestože jí pomáhá i tunelovací efekt.
Tepelná emise elektronů (3)
Závislost proudové hustoty emitovaných e- na teplotě pro několik materiálů:
Tepelná emise elektronů (4)
Typická elektronová děla (z nabídky firmy Heat Wave Labs)
Fotoemise elektronů (1)
Tzv. fotoinjektor Na povrch katody je přiveden paprsek pulsního laseru, který z ní na principu fotoefektu vyráží elektrony. Používané materiály: Mg, Cu, CsBr/Cu, CsK2Sb, CsTe, GaAs, Nb Elektrony v takovém případě bývají urychleny radiofrekvenčním polem. Vysoká energie (až desítky, stovky MeV) Pulsní režim
Fotoemise elektronů (2)
Fotoemise elektronů (3)
Fotokatoda
Tunelový jev v poli (1)
V okolí velmi tenkého hrotu se vytváří velmi intenzivní elektrická pole. Vázaný elektron nemůže z atomu spontánně uniknout, ovšem při přiložení externího pole mu stačí překonat konečnou vzdálenost s konečnými hodnotami potenciálu. Tento jev je pozorován i u ostatních typů uvolňování elektronů. Samotný fyzikální jev zpozorován v roce 1897 R. W. Woodem.
Tunelový jev v poli (2)
Potenciální energie elektronu ve spojeném poli atomu a silném externím poli
Tunelový jev v poli (3)
Zdroje pozitronů (1)
Párová produkce v interakcích fotonů
Fotony o dostatečně vysoké energii můžeme získat ze svazku vysokoenergetických elektronů 3 způsoby: • Jako brzdné záření na terčíku • Pomocí Comptonova rozptylu laserového paprsku na elektronech • Jako synchrotronové záření (undulátory)
Fotony interagují na dalším terčíku a vytvoří pár e+ePozitrony jsou odděleny elmag. polem
Zdroje pozitronů (2)
1) Produkce pozitronů užitím laseru
Zdroje pozitronů (3)
2) Produkce pozitronů užitím brzdného záření
Zdroje pozitronů (4)
3) Produkce pozitronů užitím synchrotronového záření (návrh pro urychlovač ILC)
Zdroje pozitronů (5)
Zdroje pozitronů bývají slabé, proto se pozitrony sbírají v akumulačních prstencích. V experimentech se vstřícnými svazky e+e- bývají pozitrony produkovány elektrony z hlavního urychlovače. Pozitrony lze také získat z rozpadů jader nuklidů s β+ radioaktivitou (např. 22Na), ale intenzita je příliš nízká pro praktické využití.
Iontové zdroje
Kladné ionty
Penningův zdroj Plasmatron Electron Cyclotron Resonance (ECR) Electron Beam Ion Source (EBIS)
Záporné ionty
objemové metody v plasmě povrchové – backscattering (ideálně na molybdenu s monoatomární vrstvou cesia)
Penningův zdroj (1)
Proud elektronů z katody na anodu prochází řídkým plynem, který ionizuje Magnetické pole brání elektronům v dosažení anody, nutí je k cirkulaci a další ionizaci
Penningův zdroj (2)
Plasmatron
Ionizace plasmy mají na svědomí elektrony. Ionty vznikají v intenzivném el.poli a jsou odčerpány tenkým otvorem v anodě.
Electron Cyclotron Resonance
Nereletavistické elektrony obíhají v konstatním magnetickém poli s frekvencí nezávislou na rychlosti Jsou buzeny radiofrekvenčním polem Ionizují řídký plyn Ionty jsou také drženy polem => dále ionizují Mohou ovšem podél osy uniknout => svazek Ionty plynů se vytvářejí snadno, pro jiné látky (např. kovy) je třeba použít pícku Lze vytvořit mnohonásobně nabité těžké ionty
Electron Beam Ion Source
Atomy běžného plynu jsou ionizovány intenzivním svazkem elektronů získaným některým z předchozích způsobů
Zdroje záporných iontů (1)
Povrchové Atom na povrchu materiálu absorbuje další elektron Efektivní jsou povrchy pokryté tenkou vrstvou cesia (proces není detailně prozkoumán) Objemové Ionizací v plynu vznikají záporně nabité ionty. Lze je získat v obdobě Penningova zdroje. Ovšem společně s ionty jsou extrahovány i elektrony, je třeba je separovat. Výměna náboje – interakce protonového svazku s látkou (cesium)
Zdroje záporných iontů (2)
Katoda s tenkou vrstvou cesia
Zdroje antiprotonů (1)
Antiprotony lze získat jen v jaderných reakcích protonů o dostatečné energii. Při srážkách protonů s pevným terčíkem vzniká mnoho produktů, jež je třeba odseparovat. Podobně jako u pozitronů je antiprotonů málo, proto je třeba akumulovat.
Zdroje antiprotonů (2)
Při produkci antiprotonů na urychlovači Tevatron dopadají na niklový terčík protony o energii 120 GeV. Z milionu srážek se získá 20 antiprotonů o energii ~8 GeV.
Supravodivé magnety
Supravodivé magnety – motivace
Výhody
Výrazně vyšší dosažitelná pole než u obyčejných elektromagnetů. Díky tomu lze konstruovat synchrotrony o výrazně menším poloměru. Zanedbatelný odpor cívek má za následek výrazně nižší spotřebu energie. Silnější kvadrupólová pole umožňují lepší fokusaci svazků a tudíž vyšší luminositu.
Nevýhody
Potřeba chlazení na nízkou teplotu Potřeba stabilní teploty (náhlý vznik odporu je kritický)
Supravodivost
Supravodivost je úplná ztráta elektrického odporu pod jistotou teplotou – proud elektronů jednou uvedený do pohybu cirkuluje donekonečna. Kvantový jev s makroskopickými projevy Objevil ji v roce 1911 H. Kammerlingh Onnes, když ochladil rtuť na teplotu kapalného helia. Supravodivost se vyskytuje jen do určité kritické teploty a kritické magnetické indukce. Existuje kritická plocha v trojdimenzionálním prostoru teplota (T) – vnitřní magnetická indukce (B) – proudová hustota (j), která omezuje oblast supravodivosti.
Supravodivé materiály (1)
Supravodivé materiály I. typu
čisté kovy (přibližně 30 různých prvků) kritické teploty v řádu jednotek K velmi nízká kritická magnetická indukce (zlomky T)
Supravodivé materiály II. typu
slitiny lepší mechanické vlastnosti vyšší kritické magnetické indukce (i desítky T) složitější stavy se supravodivými i normálními oblastmi kritická teplota v řádu desítek K (maximum ~254 K)
Supravodivé materiály (2)
Nejběžněji používaným supravodivým materiálem je NbTi (LHC).
kritická teplota 10 K. umožňuje dosáhnout magnetických polí ~15 T.
Vhodnějším materiálem, ale s horšími mechanickými vlastnostmi, je Nb3Sn.
Supravodivé materiály (3)
Závislost resistivity a měrné tepelné kapacity na teplotě v oblasti supravodivého fázového přechodu (wikipedia)
Supravodivé materiály (4)
Kritický povrch pro NbTi
Supravodivé magnety – vlastnosti
Vinutí supravodivých magnetů jsou tvořena mnoha tenkými vlákny (průměr ~20 μm) ze supravodivých materiálů zapouzdřených v měděných drátcích (průměr < 1 mm). Magnety jsou chlazeny kapalným heliem, a tedy udržovány při teplotě nižší než 4,2 K (na LHC 1,9 K). V případě, že jsou překročeny kritické parametry supravodivosti, dojde k tzv. quenchi, kdy se v důsledku tepelných ztrát ohnisko resistivity rychle šíří.
Supravodivé magnety – struktura
Průřez supravodivého kabelu v magnetu.
Supravodivé magnety – ukázky (1)
Supravodivé dipólové magnety použité na LHC
Supravodivé magnety – ukázky (2)
Struktura dipólového magnetu na LHC
Supravodivé magnety – ukázky (3)
6 supravodivých bloků z NbTi vytváří homogenní magnetické pole o síle 8,33 T.
téměř
Aplikace urychlovačů
Aplikace urychlovačů – výzkum
Fyzika elementárních částic Jaderná fyzika – vlastnosti jader, tvorba jader mimo údolí stability, supertěžké prvky Zdroj neutronů (spallation)
neutrony vznikají bombardováním kovových terčíků protony při energiích v jednotkách GeV. neutrony je třeba moderovat
Zdroj rtg, synchrotronového záření Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) Particle-Induced X-ray Emission (PIXE) Biologie, chemie, životní prostředí
Rutherford Backscattering Spectrometry
Využívá se stejného principu jako v Geiger-Marsdenově experimentu – odraz iontu na jádru prvku.
m1 cos 1± m −m sin 1 E= E 0 m1m 2
2 2
2 1
2
2
Energie se ztrácí nejen diskrétně (při interakci), ale i postupně ionizací. Spektrometrií lze získat informace o prvkovém složení materiálu (i hloubkovém rozložení), nikoliv o chemické struktuře
Particle-Induced X-ray Emission
Částice (protony o jednotkách MeV) slouží k excitaci elektronového obalu Využívá se charakteristického rentgenového záření materiálu (deexcitační fotony) Díky tomu lze získat informace o prvkovém složení materiálu. microPIXE umožňuje použít velmi tenké svazky (až 1 μm) pro detailní prostorovou informace Obdobou je PIGE (Particle-Induced Gamma Emission), kde se používá deexcitace jaderných hladin.
Aplikace urychlovačů – průmysl
Implantace iontů – změna chemického složení, elektrických, ale i mechanických vlastností materiálů (zejména dopování polovodičů) Tvorba polymerů Sterilizace Konzervace potravin Tvorba mikromembrán Možné využití při transmutaci jaderného odpadu Materiálová analýza Defektoskopie Výroba radionuklidů
Využití urychlovačů v medicíně
Příprava radionuklidů pro nukleární medicínu Radioterapie
gama záření elektrony protony těžké ionty neutrony (piony) Ozáření retinoblastomu elektrony Stanford University, 1957
Příprava radionuklidů
PET
SPECT
β+ zářiče (11C, 18F, 13N, 15O, 124I, 86Y, 64Cu) většinou protonové cyklotrony < 20 MeV využívá se reakce (p,n) izotopy 123I, 111In svazky protonů o energiích ~25 MeV.
Brachyterapie
103
Pd, 67Cu, 211At
-
Radioterapie – e , γ (1)
Nejběžnější aplikace radioterapie je ozařování γ Ozařování elektrony je okrajovou záležitostí Používají se elektronové lineární urychlovače rezonančního typu o energiích 4 – 30 MeV s posuvnou i stojatou vlnou Fotony se získávají nárazem elektronů na terčík z wolframu nebo hliníku (brzdné záření) Dodání svazku požadovaných vlastností je pak dosaženo soustavou filtrů a kolimátorů
-
Radioterapie – e , γ (2)
Schéma běžného lineárního urychlovače
Hlava lineárního urychlovače
-
Radioterapie – e , γ (3)
Lineární urychlovač Siemens Oncor
-
Radioterapie – e , γ (4)
Lineární urychlovač Varian Trilogy vybavený OnBoard Imagingem (OBI)
Hadronová terapie (1)
Výhodou je existence Braggova píku, a tedy možnost lepšího cílení dávky do hluboko uložených nádorů Těžší ionty mají výraznější Braggův pík a tail za ním Braggův pík je pro reálné nasazení příliš úzký => aktivní (ovlivněním parametrů urychlovače) / pasivní rozšiřování (vkládání filtrů) na celé PTV Pro urychlování protonů se používají (synchro)cyklotrony či synchrotrony, pro těžší ionty jen synchrotrony p+: 60 – 250 MeV ionty (především 12C): 120 – 500 MeV/amu
Hadronová terapie (2)
Braggův pík v porovnání s hloubkovými dávkovými křivkami jiných svazků
Hadronová terapie (3)
Protonová terapie (National Accelerator Centre, Jižní Afrika)
Protonová terapie (Paul Scherrer Institut, Švýcarsko)
Radioterapie – n, π
Primárním zdrojem neutronů jsou urychlovače jako alternativa Rozšíření je malé, výhody nejsou výrazné Ozařování rychlými neutrony
Užívají se neutrony o energiích 14 – 70 MeV, získané srážkami p-Be či d-Be (produkce na cyklotronech)
Borová záchytová neutronová terapie (BNCT)
reaktory,
Pro získání neutronů se používají svazky protonů o energii 2,5 MeV (reakce na Li)
V 70. letech se na velkých cyklotronech zkoušela i léčba piony, ovšem bez slibných výsledků.
Děkuji za pozornost
Příště:
Synchrotronové záření Čerenkovovo záření Zdroje mikrovln
