Mei Xiaochun, Wang Yifang'ın büyük parçacık çarpıştırıcısının yerini alan yeni bir yüksek enerjili hızlandırıcı teorisi yayınladı
Son zamanlarda, Bay Yang Zhenning ve Bilimler Akademisi Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü'nden Akademisyen Wang Yifang arasındaki, Çin'in büyük bir parçacık çarpıştırıcısı (CEPC) yapıp yapmayacağına ilişkin tartışma, kamuoyu alanında sıcak bir konu haline geldi.
Wang Yifang, CEPC'nin Higgs parçacıklarının özelliklerini incelemek ve süpersimetrik parçacıklar gibi yeni parçacıklar keşfetmek gibi mikrokozmosta temel hareket yasalarını keşfetmek için gerekli olduğuna inanıyor. Aynı zamanda, Çin'i dünyadaki parçacık fiziği araştırmalarının merkezi haline getirebilir ve Çin'i hızlandırıcı bilimi alanında lider bir konuma getirebilir.
Bay Yang Zhenning, parçacık fiziğinin Standart Modeli tarafından tahmin edilen tüm parçacıkların bulunduğu için yüksek enerjili fiziğin "bayram ettiğine" inanıyor. Süper simetrik parçacıklar gibi standart modelin ötesinde parçacıkların var olma olasılığı düşüktür. CEPC maliyetli olduğundan ve 100 milyardan fazla RMB gerektirdiğinden, ülkenin bu tür gerçekçi olmayan projeleri yapmak için böyle bir bedel harcaması gerekmiyor.
Ancak, Bay Yang Zhenning'in bir diğer önemli önerisi de herkes tarafından göz ardı edildi, yani "yeni hızlandırıcı ilkeleri araştırın". Bu cümle ne anlama geliyor?
Mevcut yüksek enerjili parçacık senkrosiklotronun temel bir kusuru vardır Hızlandırılmış parçacıklar, içinde hareket ettiklerinde güçlü elektromanyetik radyasyon üretirler ve bu da parçacık enerjisindeki artışı ciddi şekilde sınırlar. Elektromanyetik radyasyonun yoğunluğu, parçacık ivmesinin karesiyle orantılıdır ve ivme, hızlandırıcının yarıçapı ile ilgilidir. Yarıçap ne kadar büyükse, ivme o kadar küçük ve yarıçap ne kadar küçükse ivme o kadar büyük olur. Radyasyon kaybını azaltmak için, hızlandırıcının yarıçapının büyütülmesi gerekir.
Örneğin, CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın (LHC) 4,3 kilometre yarıçapı ve 27 kilometrelik bir çevresi vardır. Wang Yifang tarafından planlanan CEPC, yaklaşık 16 kilometrelik bir yarıçapa ve 100 kilometrelik bir çevreye sahip. Kriyojenik süper iletken mıknatıslar, artı çeşitli altyapı ve kontrol sistemleri ile çevrili böylesine uzun bir partikül vakum hareketi boru hattı inşa etmenin maliyeti çok büyük.
Hızlandırılmış parçacıkların radyasyonunu büyük ölçüde azalttığı yeni bir hızlandırıcı teorisi bulunursa, senkrosiklotronun yarıçapı küçültülebilir, yapım maliyeti büyük ölçüde azaltılabilir ve parçacıklar yüksek enerjili bir duruma hızlandırılabilir. Aslında bu, Çin'in büyük bir parçacık çarpıştırıcısı yapıp yapmayacağı sorusuna en iyi çözüm olabilir.
Neyse ki, Fuzhou Orijinal Fizik Enstitüsü müdürü Mei Xiaochun ve Dr. Yu Ping, Kanada Uygulamalı Fizik Araştırmaları Dergisi'nde 2012'nin başlarında bir makale yayınladılar. Konu "Elektromanyetik Alandaki Yüklü Parçacıklar Göreli hareketin kararlılığının analizi ve senkrotron radyasyon kaybı olmadan bir siklotron inşa etme olasılığı - çekirdek etrafında hızlanan elektronların radyasyonsuz birleşik mekanizması ve iletkenlerdeki direncin termal radyasyonu. "
Bu makale, hızlandırılmış yüklü parçacık radyasyonunun fiziksel doğasını yeni bir perspektiften açıkladı, yeni nesil düşük radyasyon kayıplı yüksek enerjili senkrosiklotronun inşası için teorik bir temel oluşturdu ve özel bir uygulama planı verdi.
Klasik elektromanyetik teoriye göre, yüklü parçacıkların radyasyonuna ivme neden olur. Makale ilk olarak aşağıdaki deneysel gerçeklerin klasik teoriyle tamamen tutarlı olmadığını ve elektromanyetik dalgalar yayan hızlandırılmış yüklü parçacıkların fiziksel mekanizmasının yeniden değerlendirilmesi gerektiğini belirtti:
1. Genellikle yüklü parçacıklar doğrusal ivme hareketi yaptıklarında yayılmazlar. Örneğin, yüksek voltajlı elektrostatik hızlandırıcılarda ve doğrusal hızlandırıcılarda hareket eden parçacıklar genellikle yayılmaz. Aslında önerilen Uluslararası Doğrusal Hızlandırıcı (ILC) bu gerçeğe göre tasarlanmıştır.
2. İndüksiyon hızlandırıcıdaki hızlanan elektronlar yayılmaz (Bruett deneyi), sadece senkrosiklotronda hızlanan yüklü parçacıklar yayılır.
3. Genel bir alternatif akım devresinde doğrusal olarak hızlanan elektronlar ve bir DC akım bobininde dairesel olarak hızlanan parçacıklar yayılmaz (termal radyasyon hariç). Örneğin, düşük sıcaklıkta süperiletkenlik deneyinde akım, halka şeklindeki metal halka içinde sürekli olarak akar ve hiçbir elektromanyetik dalga yayılmaz.
4. Genel olarak, radyo antenleri elektromanyetik dalgaları yaymadan önce belirli koşulları karşılamalıdır. Antenin uzunluğu artırılırsa veya bükülmüş anten düzleştirilirse, içinde salınan ve hızlanan elektronlar artık yayılmayacaktır.
5. Daha iyi bilinen bir gerçek, atomlarda çekirdek etrafında hızlanan elektronların yayılmamasıdır.Atom fiziğinin en temel gerçeği henüz makul bir şekilde açıklanmamıştır.
İkinci noktaya gelince, hızlandırıcıların tarihinde çokça dolaşan bir hikaye var.
Amerika Birleşik Devletleri General Electric Company, New York, Schenectady'de 100 MeV enerjili bir elektronik indüksiyon hızlandırıcısına sahiptir. Fizikçi J. Blewett, 1944'te cihazın hatalarını ayıkladığında, elektronların radyasyonunu keşfetmeyi umuyordu. Bruet, ultra uzun dalgalardan ultra kısa dalgalara kadar değişen radyo dalgalarını algılamak için çok hassas bir dedektör kullanıyor.
Klasik elektromanyetik teoriye göre, indüksiyon hızlandırıcıdaki elektronların hareket hızı ışık hızına yakındır ve radyasyon gücü oldukça büyük olmalıdır. Bununla birlikte, dedektörü vakum odasına veya hızlandırıcının dışına yerleştirmiş olsun, Bruet elektromanyetik dalgaların radyasyonunu algılayamadı.
Aynı laboratuvarda Pollack, 1947'de 70MeV elektron senkrosiklotron üretti. Hızlandırıcının vakum odası ışık geçirgen olduğundan, çalışanlar hata giderme işlemi sırasında yayılan ışığı istemeden gördüler. Senkrotron radyasyonu olarak adlandırılan bu frekans sürekli olarak dağıtılır, esas olarak görünür ışık bandında olmasına rağmen, prensip olarak radyo dalgası bandında radyasyon olması gerekir.
Bruet neden elektron indüksiyon hızlandırıcısında radyasyon bulamadı? Bruetin hızlandırıcısının enerjisi Pollackınkinden 30 MeV daha yüksek olmasına rağmen, şimdiye kadar hiç kimse bu konuyu araştırmamış gibi görünüyor. Fizikçiler az önce Blueett dedektörünün algılama frekansının çok düşük olduğunu ve senkrotron radyasyonunun frekansının yüksek olduğunu ve Blueett dedektörünün bunu tespit edemediğini açıkladı.
Bununla birlikte, elektron indüksiyon hızlandırıcısının hızlanma prensibi senkrosiklotrondan farklıdır. Elektron indüksiyon hızlandırıcısında, manyetik alanın etkisine ek olarak, elektron hareket hattının teğet yönü boyunca değişen manyetik alanın neden olduğu elektrik alan kuvvetinin etkisi de vardır.
Senkrosiklotronda yörüngenin dönen kısmında hareket eden elektronlar, elektrik alanın kuvvetinden değil, yalnızca manyetik alanın kuvvetinden etkilenir. Bu iki durumda elektronların kuvvetindeki fark, radyasyonunu etkiler mi? Şimdiye kadar kimse teoride araştırma yapmadı ve kimse böyle bir deney yapmadı.
Bruet elektron indüksiyon hızlandırıcısında radyasyon ararken, laboratuvardaki diğer mühendisler ona indüksiyon hızlandırıcıda dönen elektronların dairesel hareket yapan doğru akım gibi olduğunu ve radyasyon olmadığını söylediler.
Sabit bir akım doğrusal bir iletkenden geçtiğinde, direnç ısınır, hatta kırmızı ışık yayarak fotonlar yayar. Bununla birlikte, iletkendeki serbest elektronlar düzgün bir çizgide tekdüze bir hızda hareket ederler, ivmenin dikkate alınmasına gerek olmadığı ve atomik enerji seviyelerinde geçiş olmadığı görülmektedir. Mevcut fizikte, direnç ısı radyasyonunun mekanizması aslında net değildir.
Mei Xiaochun ve Yu Ping'in makalesi, elektromanyetik bir alandaki yüklü parçacıkların göreceli hareket denklemini inceledi ve tek tip bir manyetik alanda yüklü parçacıkların hareketinin sabit olduğunu ve yayılmayacağını belirtti. Statik nükleer kuvvet alanında, çekirdek etrafında hareket eden elektronlar kararlıdır veya yayılmayabilir, bu da atomun kararlılığını açıklar.
Ancak, yüksek hızlı elektronun göreceli hareket izinden sapmasına neden olan düzensiz manyetik alan gibi belirli bir pertürbasyon kuvveti varsa, elektronun hızı hayali bir sayı haline gelebilir veya ışık hızını aşarak hareket etmeyi imkansız hale getirebilir. Bu durumda, elektronların durumu değiştirmek için yayılması gerekir, bu da hareketi mümkün kılar.
Bu nedenle, Mei Xiaochun ve Yu Ping, ivmenin yüklü parçacıklar tarafından üretilen radyasyonun temel nedeni olmadığı ve göreceli hareketin kararsızlığının yüklü parçacıklar tarafından üretilen radyasyonun gerçek nedeni olduğu sonucuna vardılar. Yüklü parçacıkların radyasyonu, aslında parçacıkların yörüngelerini ayarlamalarına yardımcı olmak için radyasyon sönümleme kuvveti üreten bir gerinim tepkisidir. Roketin tavrını ve yörüngesini ayarlamasına yardımcı olmak için roket motoru fışkırtan bir gaz gibidir.
Mei Xiaochun ve Yu Ping ayrıca, doğrusal bir iletkenden sabit bir akım geçtiğinde, direncin ısı ürettiğini ve ışık yaydığını ve mikroskobik doğasının bremsstrahlung olduğunu belirtti. Yani, elektron kristal kafes üzerindeki çekirdeğe yaklaştığında, çekirdek onun neden olduğu radyasyonu yavaşlatır.
Makale, bremsstrahlung'un oluşum koşullarını ayrıntılı olarak tartıştı ve bremsstrahlung'un özünün göreceli etki olduğunu kanıtladı. Yani, atom çekirdeğinin rastgele termal hareketi, elektronun yörüngesine müdahale eder, böylece hareketini devam ettirmek için elektronun yayılması gerekir. Aynı zamanda anten radyasyonunun doğasının da bremsstrahlung olduğunu kanıtlıyor Antenin ucundaki atom çekirdeği, hareket eden elektronları hızla yavaşlatarak elektron radyasyonuna yol açar.
Bu, elektromanyetik alandaki elektronların göreceli hareketinin kararlılığıyla ilgili olan iletkendeki direnç ısı radyasyonunun mikroskobik mekanizmasının yanı sıra, atomdaki çekirdek etrafındaki hareketi hızlandıran elektronların radyasyon olmamasını tekdüze bir şekilde açıklayabilir.
Bu anlayışa göre, yüklü parçacıklar senkrosiklotronda hareket ettiğinde, manyetik alanın homojen olmaması ve diğer girişim faktörleri, parçacıkların dairesel hareket yörüngesinden sapmasına ve sözde yanal yörünge salınımını oluşturmasına neden olacaktır. Mevcut yüksek enerjili partikül senkrosiklotronları, tümü düzensiz manyetik alanlar üreten düz kenarlı sektör, spiral sektör ve ayrılmış sektör mıknatısları gibi çeşitli sektör mıknatısları kullanır.
Başka bir örnek olarak, elektronlar siklotrona enjekte edildiğinde, açının sapması da dairesel yörüngede sapmaya neden olur ve bu böyle devam eder. Bu faktörler, Şekil 1'deki dalga şeklindeki yörüngede gösterildiği gibi, hızlandırılmış parçacıkların ışın yörüngesinin birbirinden uzaklaşmasına neden olacaktır.
Bu yörüngesel salınım, senkrosiklotrondaki yüklü parçacıkların radyasyonunun ana nedenidir. Parçacığın hızı ışık hızına çok yakın olduğunda yörüngeden hafif bir sapma parçacığın hızının hayali bir sayı olmasına veya ışık hızını aşmasına neden olabilir. Parçacıklar, hareket durumlarını düzeltmek için radyasyon kullanmak zorundadır. Doğrusal hızlandırıcılarda ve indüksiyon hızlandırıcılarda, elektronların göreceli hareketi mümkündür ve elektronlar genellikle radyasyona ihtiyaç duymaz.
Şekil 1. Bir senkrosiklotrondaki elektronların yanal salınım yörüngeleri
Deneyler, senkrosiklotronun dairesel depolama halkasında, parçacık ışını ilk enjekte edildiğinde, parçacıkların yanal hareket nedeniyle tüm dairesel yörüngenin enine kesiti üzerinde dağıldığını ve güçlü senkrotron radyasyonunun ortaya çıktığını kanıtlamıştır. Senkrotron radyasyonunun zayıflamasıyla, yanal salınımların genliği kademeli olarak azalır ve parçacığın hareket yörüngesi, orta dairesel yörüngeye yaklaşarak kararlı bir dairesel harekete dönüşür. Depolama halkasındaki partikül ışınının yanal alanı azalmaya devam eder ve partikül ışınının parlaklığı artar.
Parçacık ışınının enine kesiti belirli bir ölçüde küçültüldüğünde artık yayılmayacaktır. Bundan sonra, parçacıklar tekrar depolama halkasına enjekte edilir ve bu birikme yoluyla parçacık ışınının yoğunluğu büyük ölçüde artar.
Mevcut radyasyon teorisine göre, yüklü partiküllerin radyasyonu ivme ile belirlenirse, partikülün depolama halkasındaki yanal salınım genliği azalır.Sabit merkezcil ivme nedeniyle standart bir daire boyunca hareket ettikten sonra, hala büyük miktarda radyasyona ihtiyaç vardır. Bu nedenle, parçacıkların yörüngesi hala dengesizdir ve sonunda ışın tüpü duvarı ile çarpışacak ve kaybolacaktır Yüklü parçacıklar ışın tüpünde kararlı bir şekilde var olamaz veya parçacıklar depolanamaz.
Ancak durum böyle değildir Senkrosiklotronun depolama halkası parçacıkları depolayabilir Bu gerçek sadece parçacıkların hızlandırıcıda standart bir daire boyunca hareket ettiklerinde yayılmadıklarını gösterir.
Bu nedenle, girişim faktörleri ortadan kaldırıldığı ve senkrotrondaki yüklü parçacıkların göreceli yörünge hareketi stabilize edildiği sürece, senkrotron radyasyonunu ortadan kaldırmak ve düşük senkrotron radyasyonlu veya hatta senkrotron radyasyon kaybı olmayan yüksek enerjili bir senkrosiklotron oluşturmak mümkündür. Makalenin son bölümünde, Mei Xiaochun ve Yu Ping, bu yeni tip senkrosiklotron için bir tasarım şeması önerdiler.
Elektromanyetik teoriye göre, iki paralel akım çizgisi, akım yönü aynı olduğunda birbirini çeker ve yön ters olduğunda birbirini iter. Şekil 2'de gösterildiği gibi, iki akım hattının (I1 ve 12) her iki ucunda sabitlendiğini ve akım yönünün (b) çekmek için aynı olduğunu ve tersinin (a) itmek olduğunu varsayalım.
Şekil 2. Mevcut iki hattın çekilmesi ve itilmesi
Şekil 3'te, iki akım çizgisi sabittir ve mevcut yön ile büyüklük eşittir. Akım Ie olarak görülebilen, aralarında paralel yönde hareket eden bir elektron vardır. Elektronun yörüngesi merkez çizgisinden saparsa, iki akım çizgisi Ie üzerinde birleşik bir kuvvet oluşturur ve bu da elektronun merkez çizgisinin denge konumuna dönmesini sağlar.
Şekil 3. İki sabit akım hattının hareketli yüklü parçacıklar üzerindeki etkisi
Yukarıdaki ilkelere göre, mevcut küçük ve orta boyutlu siklotron, düşük radyasyon kaybıyla veya hatta radyasyon kaybı olmadan yüksek enerjili partiküllü bir siklotrona dönüştürülebilir.
Şekil 4, senkrosiklotronun partikül ışın tüpünün bir enine kesit görünümüdür Boru duvarının çevresi boyunca boru duvarına paralel bir doğru akım hattı düzenlenir ve hızlandırılmış elektron e, kağıda dik bir yönde borunun merkezinde hareket eder. Şekil 5, senkrosiklotronun bir plan görünüşüdür Akım hatları, boru halkasının iç ve dış duvarları boyunca düzenlenmiştir ve akım yoğunluğu, I'dir. Işın tüpünün ortasındaki hızlandırılmış yüklü parçacık akışı, iki akım hattı arasına sıkıştırılmış bir akım hattı olarak da görülebilir, akım yoğunluğu Ie'dir.
Şekil 4. Düşük radyasyon kayıplı bir senkrosiklotronun parçacık ışını tüpündeki dengeli akım hatlarının dağılımının enine kesit görünümü
Şekil 5, senkrosiklotronun bir plan görünüşüdür Akım hatları, boru halkasının iç ve dış duvarları boyunca düzenlenmiştir ve akım yoğunluğu, I'dir. Işın tüpünün ortasındaki hızlandırılmış yüklü parçacık akışı, iki akım hattı arasına sıkıştırılmış bir akım hattı olarak da görülebilir, akım yoğunluğu Ie'dir.
Şekil 5. Düşük radyasyon kayıplı senkrosiklotronun parçacık ışın tüpünün denge akımı hat dağılımının düzlem görünümü
Bu nedenle, Şekil 4'ün orta noktasında kağıt yüzeyine dik yönde hareket eden yüklü parçacıklar, yukarı, aşağı, sola ve sağa farklı yönlerde Fe kuvvetinin etkisine maruz kalacaktır. Parçacık orta noktanın konumundan saparsa, hareket dengesi bozulur ve yukarı, aşağı, sol ve sağın mevcut çizgileri, parçacığı orta noktaya geri çeken ve sonunda dengeli ve kararlı bir hareket sağlayan sonuçta bir kuvvet üretir.
Hesaplamalar, 100 metrelik dairesel yarıçaplı bir hızlandırıcı için, partikül ışın tüpünün yarıçapının 0,1 metre olduğu varsayıldığında, Fe'yi manyetik alan bağlama kuvveti Fb kadar büyük hale getirmek için tüpteki akım hattının yalnızca akım yoğunluğunun 8,5 amper olduğunu göstermektedir. Göstergelere ulaşmak kolay.
Bu şekilde, hızlandırılmış parçacıkların hareketini ince ayarlamak, hızlandırılmış parçacıkların dairesel yörüngeye yakın salınım hareketini azaltmak ve yüklü parçacıkların senkrosiklotrondaki standart daire boyunca hızlanmasını sağlamak mümkündür. Sonuç olarak, minyatürleştirilmiş, düşük radyasyon kaybı veya hatta radyasyon içermeyen yüksek enerjili bir senkrotron üretilebilir.
Mei Xiaochun ve Yu Ping tarafından yazılan makalenin Çince versiyonu "Elektromanyetik Alanlarda Yüklü Parçacıkların Göreceli Hareket Kararlılığının Analizi ve Senkrotron Radyasyon Kaybı Olmadan Siklotron Oluşturma Olanağı - Çekirdek etrafında hızlanan elektron radyasyonsuz birleşik mekanizma ve iletkendeki direnç termal radyasyonu Aşağıdaki bağlantıya bakın:
https://www.doc88.com/p-9542937066820.html
https://wenku.baidu.com/view/f9591e687e192279168884868762caaedd33baa5
