Zdroje částic Supravodivé magnety Aplikace urychlovačů. Mgr. Jan Pipek Dostupné na

Transkript

1 Zdroje částic Supravodivé magnety Aplikace urychlovačů Mgr. Jan Pipek Dostupné na

2 Zdroje částic

3 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)

4 Urychlované částice Elektrony Pozitrony Protony Těžké nabité ionty Antiprotony Kladné Záporné (Piony, K)

5 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

6 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

7 Elektronové dělo uspořádání Schema triodového uspořádání elektronové dělo s tepelnou emisí

8 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

9 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, A.K-2.cm-2 Prakticky ovšem je emise o něco nižší, přestože jí pomáhá i tunelovací efekt.

10 Tepelná emise elektronů (3) Závislost proudové hustoty emitovaných e- na teplotě pro několik materiálů:

11 Tepelná emise elektronů (4) Typická elektronová děla (z nabídky firmy Heat Wave Labs)

12 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

13 Fotoemise elektronů (2)

14 Fotoemise elektronů (3) Fotokatoda

15 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.

16 Tunelový jev v poli (2) Potenciální energie elektronu ve spojeném poli atomu a silném externím poli

17 Tunelový jev v poli (3)

18 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

19 Zdroje pozitronů (2) 1) Produkce pozitronů užitím laseru

20 Zdroje pozitronů (3) 2) Produkce pozitronů užitím brzdného záření

21 Zdroje pozitronů (4) 3) Produkce pozitronů užitím synchrotronového záření (návrh pro urychlovač ILC)

22 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.

23 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)

24 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

25 Penningův zdroj (2)

26 Plasmatron Ionizace plasmy mají na svědomí elektrony. Ionty vznikají v intenzivném el.poli a jsou odčerpány tenkým otvorem v anodě.

27 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

28 Electron Beam Ion Source Atomy běžného plynu jsou ionizovány intenzivním svazkem elektronů získaným některým z předchozích způsobů

29 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)

30 Zdroje záporných iontů (2) Katoda s tenkou vrstvou cesia

31 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.

32 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.

33 Supravodivé magnety

34 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)

35 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.

36 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)

37 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.

38 Supravodivé materiály (3) Závislost resistivity a měrné tepelné kapacity na teplotě v oblasti supravodivého fázového přechodu (wikipedia)

39 Supravodivé materiály (4) Kritický povrch pro NbTi

40 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.

41 Supravodivé magnety struktura Průřez supravodivého kabelu v magnetu.

42 Supravodivé magnety ukázky (1) Supravodivé dipólové magnety použité na LHC

43 Supravodivé magnety ukázky (2) Struktura dipólového magnetu na LHC

44 Supravodivé magnety ukázky (3) 6 supravodivých bloků z NbTi vytváří homogenní magnetické pole o síle 8,33 T. téměř

45 Aplikace urychlovačů

46 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

47 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 m1 m 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

48 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.

49 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

50 Využití urychlovačů v medicíně Příprava radionuklidů pro nukleární medicínu Radioterapie gama záření elektrony protony těžké ionty neutrony (piony) Ozáření retinoblastomu elektrony Stanford University, 1957

51 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

52 - 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

53 - Radioterapie e, γ (2) Schéma běžného lineárního urychlovače Hlava lineárního urychlovače

54 - Radioterapie e, γ (3) Lineární urychlovač Siemens Oncor

55 - Radioterapie e, γ (4) Lineární urychlovač Varian Trilogy vybavený OnBoard Imagingem (OBI)

56 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+: MeV ionty (především 12C): MeV/amu

57 Hadronová terapie (2) Braggův pík v porovnání s hloubkovými dávkovými křivkami jiných svazků

58 Hadronová terapie (3) Protonová terapie (National Accelerator Centre, Jižní Afrika) Protonová terapie (Paul Scherrer Institut, Švýcarsko)

59 Radioterapie n, π Primárním zdrojem neutronů jsou urychlovače jako alternativa Rozšíření je malé, výhody nejsou výrazné Ozařování rychlými neutrony Užívají se neutrony o energiích 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.

60 Děkuji za pozornost Příště: Synchrotronové záření Čerenkovovo záření Zdroje mikrovln