Почему бы не построить ускоритель частиц на уровне земли? Какова наименьшая возможная глубина для его постройки?

Предположим, вы хотите построить ускоритель частиц в некоммерческом/нежилом районе. Это стоит больше денег, чем глубже вы хотите его построить, поэтому вы хотите построить его как можно ближе к уровню земли.

Почему ускорители частиц не строят на уровне земли? Какова наименьшая глубина, на которой возможно построить ускорители частиц, и какие уравнения, такие как синхротронное излучение или интерференция светимости (или, по крайней мере, явления, а не обязательно уравнения, стоящие за ними), это определяют?

Мое предположение:

Какая-то ситуация (забыл где и когда), при которой шальная частица из ускорителя попала в кого-то, закончилась в них от эффектов нахождения высокоэнергетическим (адроном?). Кроме того, исследователь Фермилаборатории, который преподавал на одном из моих занятий, рассказал нам об одном случае, когда несколько незакрепленных частиц вышли из ускорителя и за доли секунды проделали дыру шириной в дюйм в стальной балке. .

Я сомневаюсь, что инженеры по ускорителям частиц сели на конференции и сказали: «Мы должны строить их под землей, иначе лучи частиц могут пронзать людей», но это единственный известный мне недостаток наземных ускорителей; он может случайно выпустить довольно высокоэнергетические частицы, которые могут поразить предметы.

Солнечное излучение также может иметь заметные эффекты, но я не уверен.

Вы имеете в виду Анатолия Бугорского , русского ученого, которого поразил луч ускорителя частиц?
Я бы сказал, что стоимость земли имеет большое значение. Уходя в подполье, вам не нужно владеть всей землей, которую вы занимаете. Представьте себе стоимость участка земли площадью 100 км ^ 2 для размещения LCH.
@ Брюс Уэйн Да.

Ответы (5)

Основная причина ухода под землю заключается в том, что земля наверху обеспечивает некоторую радиационную защиту. Ускоритель, в котором все работает должным образом, представляет собой (вне пучковой трубы) среду с относительно низким уровнем излучения. Однако, если у вас неисправность рулевого или фокусирующего магнита, так что луч выходит из трубы, вы можете на короткое время генерировать много мгновенного излучения.

Необходимая защита зависит от энергии ускорителя. Например,

Чем ниже энергия вашего ускорителя, тем меньше вам нужно земляного экрана из соображений безопасности.

Другой ответ указывает на то, что эксперименты с ограниченным фоном проводятся под землей, чтобы уменьшить фон космических лучей. Это причина, чтобы поместить ваши детекторы под землю, но не обязательно причина, по которой ваш ускоритель должен быть под землей.

Итак, ускорители строят под землей, потому что вероятность того, что лучи могут выйти из строя и в конечном итоге «выстрелить» из трубы, представляет опасность для целостности остальной части конструкции и опасности для окружающих?
@ девять сотен Не возможность, а практическая реальность. Например, в рамках недавней модернизации на 12 ГэВ в JLab один из модернизированных ускорительных модулей был установлен на пучке во время работы на 6 ГэВ. У разработчиков ускорителей были всевозможные проблемы с тем, чтобы этот модуль-прототип работал хорошо; он часто выходил из строя, отключал линейный ускоритель, и никто не мог подойти к нему, чтобы починить его в течение нескольких часов из-за нейтронной активации. Однако общие проблемы структурной целостности возникают намного позже проблем с радиацией.
@rob Извините, если это утомительный запрос, но я искал здесь: misportal.jlab.org/ul/Publications/search/… какой-то отчет об этом, но ничего не нашел — меня интересует чтение отчета.
Существует также большая разница в требованиях к экранированию между электронами, нейтронами и ионами (правда, с различными возможностями для одного типа луча создавать другие типы излучения).
@ девятьсот Ну, вы, вероятно, не найдете точку зрения моего пользователя в техническом отчете. Однако в этой заметке сообщается, что тестовые модули работали с января по май 2012 года и достигли часа непрерывной работы при полном токе и полном градиенте в апреле того же периода.
@rob - я не уверен в этом. Усовершенствованный источник фотонов (APS) в Аргонне, по-видимому, имеет в своем кольце электроны, ускоренные до 7 ГэВ ( en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Photon_Source ), но, насколько я помню, кольцо находится намного выше уровня земли.
@SamuelWeir Я не так хорошо знаком с APS, но надземная часть, похоже, является кольцом для хранения электронов. Целью этой машины является извлечение синхротронного излучения из накопительного кольца. Беглый взгляд показывает, что линейный ускоритель, бустер и инжектор, где происходит ускорение, засыпаны землей.
@rob - Но в накопительных кольцах также происходит сильное ускорение электронов в форме центростремительного ускорения, даже когда электроны движутся с постоянной скоростью. На самом деле, в этом смысл накопительного кольца: излучать много жесткого рентгеновского излучения из-за (центростремительного) ускорения электронов в кольце для экспериментов вокруг кольца. Мое лучшее предположение о ситуации состоит в том, что в старые времена, возможно, излучение от ускорителей было больше проблемой безопасности, и поэтому они были построены под землей, но теперь радиация не так важна для современных колец. Только предположение, однако.
@SamuelWeir Я смутно помню, как десять или пятнадцать лет назад слышал, как кто-то из Аргонна объяснял, как работают системы рентгеновских затворов APS. Это нетривиальная проблема, и любой ответ, который я здесь сделаю, будет где-то чрезмерно упрощен. Но я подозреваю, что в накопительном кольце больше пассивных компонентов и меньше активных компонентов, чем в ступенях предварительной инжекции, поэтому риск реального рассеивания луча снижается.
Еще одна причина – вибрации. Вы не хотите, чтобы ваш электронный луч отклонялся от курса каждый раз, когда мимо проезжал грузовик.
@rob Нейтронная активация действительно ... Когда я отправился в тур по БАК, мы прошли через массивные запертые двери возле свалки пучка, которые а) не позволили бы кому-либо включить ускоритель и (потенциально) убить нас, пока мы выпустить обратно и б) не впускать нас до тех пор, пока уровень радиации внутри не опустится ниже нормы. За исключением того, что в то время он был закрыт, и все двери были открыты :)
Считается, что луч БАК безвреден, если попадет в вас. Но если ты встанешь позади парня, которого ударили, это, вероятно, смертельно.
@RobertFrost Если вы не лучевая труба или вакуумное окно, вы не первое, на что попадает луч.
Согласованный. Я не утверждаю, что луч безопасен, просто интересное любопытство, пока мы говорим о безопасности.
@RobertFrost, а как насчет твоих внутренностей под кожей?
@Baldrickk Я полностью понимаю, откуда ты. Я не могу найти ссылку прямо сейчас, но я понимаю, что луч настолько хорош, что ему нужно пройти несколько метров после удара о что-то, прежде чем он достигнет опасного диаметра. Я размышляю сейчас, но, возможно, из-за того, что его энергия настолько высока, его труднее отклонить, чем другие лучи.
@Baldrickk Механизмы потери энергии: (1) создание вторичного излучения, такого как ядерные фрагменты, пары частиц-античастиц, тормозные фотоны и т. Д., И (2) создание электронно-ионных пар. Именно второе мешает химическому составу вашего тела, но первое доминирует при высоких энергиях. Таким образом, наибольшее выделение энергии происходит где-то ниже по потоку от первого взаимодействия пучка с веществом, в конусе твердых вторичных частиц. Однажды я увеличил сигнал в тонком детекторе электронов, поместив на его пути кусок свинца небольшой толщины; вместо одного основного он увидел несколько вторичных.
То, о чем говорит @rob, не просто теоретическое. Я знаю людей, которые получали доступ к средам с высоким уровнем радиации (по стандартам Министерства энергетики США) без экранирования , потому что экранирование, которое можно было бы использовать при доступе, усугубило бы проблему и потребовало времени, чтобы установить эффективное экранирование. означало бы больше дозы, чем просто быстрое и плавное выполнение работы. Вместо этого они построили макет и несколько раз потренировались.

Ускорители частиц — сложные звери, состоящие из нескольких частей. Два подмножества трех систем по разным причинам находятся под землей.

  • Механизмы генерации, ускорения, управления и фокусировки луча генерируют ионизирующее излучение ( в основном за счет тормозного излучения и соскабливания луча ). Некоторые части какой-то системы генерируют много радиации. Эти части нуждаются в защите, чтобы защитить людей, и куча грязи — дешевый способ получить эту защиту.

    Затраты на гражданское строительство обычно самые низкие, если вы роете неглубокий туннель, а затем засыпаете полученную таким образом грязь обратно поверх, и это обычная схема для ускорителей, строящихся в районах с относительно низкой плотностью населения.

    Текущий пример: CEBAF в лаборатории Джефферсона в Ньюпорт-Ньюс, Вирджиния, США.

  • Детекторная система, используемая для научных исследований, с помощью лучей обнаруживает все виды излучения, а большие детекторы получают множество сигналов от космических лучей. Эти системы детекторов могут быть полезны, если их разместить под землей, где вскрышные породы уменьшают фон космических лучей, хотя это в основном представляет интерес для физики нейтрино, где даже при интенсивных пучках скорость на детекторе довольно низкая.

    К сожалению, космические лучи состоят в основном из мюонов (поскольку атмосфера обеспечивает достаточное экранирование, чтобы уменьшить вклад менее проникающих компонентов) и имеют спектр, который достигает очень высоких энергий, поэтому для значительного уменьшения фона требуется много перегрузки.

    Текущий пример: LHC в ЦЕРН в Женеве, Швейцария.

Что касается универсальной политики, объекты с достаточно интенсивным лучом, чтобы прорезать вакуумные компоненты ускорителя в случае сильного неправильного управления (что произошло - кратко, потому что машина не работает при нарушении вакуума - более чем в одной лаборатории) не запускайте машину с людьми в корпусе . На самом деле это не из-за опасений, что люди действительно попадут под луч , а потому, что излучение, создаваемое работающим аппаратом, представляет серьезную угрозу для здоровья человека .

Это из-за экранирования, согласно официальному сайту CERN :

Почему БАК находится под землей?

БАК использует туннель, который был построен для размещения предыдущего большого ускорителя ЦЕРН, LEP, который был демонтирован в 2000 году. Рытье подземного туннеля оказалось лучшим вариантом для 27-километровой машины, поскольку это дешевле, чем приобретение земли для строительства. на поверхности, а воздействие на ландшафт сведено к минимуму. Кроме того, земная кора обеспечивает хорошую защиту от радиации.

Также потому, что строительство таких больших кольцеобразных устройств под землей на самом деле часто дешевле, чем строительство на поверхности, поскольку вам не нужно приобретать огромное количество земли.

Источник, на который вы ссылаетесь, не упоминает космические лучи. На самом деле они не представляют интереса для экспериментов с коллайдерами (очень легко отфильтровать то, что не происходит из точки столкновения), и их даже используют для калибровки.
Связанный источник говорит, что только земная кора обеспечивает хорошую защиту от радиации , поэтому это может означать защиту от выхода радиации, проникновения радиации или того и другого.

Одна вещь, которую еще не упомянули, это структурная стабильность. Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН находится на глубине около 100 метров под землей.

В других ответах аргументировалось, почему вы хотите быть на несколько метров под землей (радиационная защита), но даже при том, что LHC может достигать самых высоких энергий любого ускорителя, построенного человечеством, пока что эта глубина немного избыточна. Даже с учетом упомянутого факта, что проще построить под домами людей, чем эвакуировать три городка, окончательная глубина застройки будет определяться другими факторами.

Причина, по которой он находится так далеко под землей, заключается в том, что на этой глубине находится твердый слой гранита, тогда как над ним находится только относительно мягкий зеленый песчаник. Коллайдер имеет длину 27 км, поэтому очень важно, чтобы все части были выровнены как можно больше (поскольку вам нужна микрометровая точность в точках столкновения). Опираясь на этот гранитный слой, выравнивание потом зависит только от фазы луны (сдвигающей землю вверх, но тем более близлежащего Женевского озера), а также от недавних осадков (опять же из-за количества воды в озере Женева).

Для получения дополнительной информации (например, почему не все части находятся на одинаковой глубине и почему ускоритель не является ни ровным, ни плоским) обратитесь к этой брошюре: CERN-Brochure-2017-002-Eng (стр. 20).

Так что иногда копать глубже, чем это строго необходимо для защиты от радиации, все же экономически выгодно (иначе коллайдер даже не заработал бы).

Вопрос, который в значительной степени игнорируется другими ответами, — это простая экономика.

Круглые ускорители частиц представляют собой неразрывные кольца, диаметр которых часто измеряется милями. Это очень большое количество недвижимости, к которой вам нужно ограничить доступ, если вы строите над землей. Мало того, что есть надземная земля, которая вам нужна для размещения ускорителя, есть пространство, которое вы теперь отрезали (при условии, что вы не поднимаете ускоритель, чтобы позволить трафику проходить ниже).

С другой стороны, линейные ускорители, хотя и требуют много места, не отрезают так много земли и часто находятся над землей ( например, SLAC или SAL ) .

Почему бы не построить ускоритель частиц на уровне земли? Какова наименьшая возможная глубина для его постройки?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v