Warum nicht einen Teilchenbeschleuniger ebenerdig bauen? Was ist die flachste machbare Tiefe, um eine zu bauen?

Angenommen, Sie wollten einen Teilchenbeschleuniger in einem nicht gewerblichen/nicht bewohnten Gebiet bauen. Es kostet mehr Geld, je tiefer Sie es bauen wollen, deshalb sollten Sie es so nah wie möglich am Boden bauen.

Warum werden Teilchenbeschleuniger nicht ebenerdig gebaut? Was ist die flachste Tiefe, in der Teilchenbeschleuniger gebaut werden können, und welche Gleichungen wie Synchrotronstrahlung oder Leuchtkraftinterferenz (oder zumindest die Phänomene und nicht unbedingt die Gleichungen dahinter) bestimmen dies?

Meine Spekulation:

Eine Situation (vergessen wo und wann), in der ein Streuteilchen von einem Beschleuniger jemanden traf, endete in ihnen durch die Auswirkungen einer hochenergetischen (Hadron?). Außerdem erzählte uns ein Fermilab-Forscher, der einen meiner Kurse unterrichtete, von einer Situation, in der einige lose Partikel ihren Weg aus dem Beschleuniger fanden und in Bruchteilen von Sekundenbruchteilen ein zentimetergroßes Loch durch einen Stahlträger schossen .

Nun, ich bezweifle, dass sich die Teilchenbeschleuniger-Ingenieure auf einer Konferenz zusammengesetzt und gesagt haben: „Wir müssen sie unter der Erde bauen, sonst könnten Teilchenstrahlen Menschen durchbohren“, aber das ist der einzige Nachteil, den ich kenne, der mit einem bodennahen Beschleuniger einhergeht; Es kann versehentlich ziemlich energiereiche Partikel freisetzen, die Dinge treffen können.

Sonneneinstrahlung könnte auch bemerkenswerte Auswirkungen haben, aber ich bin mir nicht sicher.

Denken Sie an Anatoli Bugorski , den russischen Wissenschaftler, der von einem Teilchenbeschleunigerstrahl getroffen wurde?
Ich würde sagen, die Grundstückskosten spielen eine große Rolle. Wenn Sie in den Untergrund gehen, müssen Sie nicht das gesamte Land besitzen, das Sie besetzen. Stellen Sie sich die Kosten für ein 100 km² großes Stück Land vor, um das LCH unterzubringen
@BruceWayne Ja.

Antworten (5)

Der Hauptgrund dafür, in den Untergrund zu gehen, ist, dass die Erde oben einen gewissen Strahlenschutz bietet. Ein Beschleuniger, bei dem alles richtig funktioniert, ist (außerhalb des Strahlrohrs) eine relativ strahlungsarme Umgebung. Wenn Sie jedoch eine Fehlfunktion des Lenk- oder Fokussiermagneten haben, so dass der Strahl aus dem Rohr austritt, können Sie kurzzeitig viel sofortige Strahlung erzeugen.

Die Menge an Abschirmung, die Sie benötigen, hängt von der Energie des Beschleunigers ab. Zum Beispiel,

Je geringer die Energie Ihres Beschleunigers ist, desto weniger benötigen Sie aus Sicherheitsgründen eine Erdabschirmung.

Eine andere Antwort weist darauf hin, dass hintergrundbegrenzte Experimente in den Untergrund gehen, um den Hintergrund kosmischer Strahlung zu reduzieren. Dies ist ein Grund, Ihre Detektoren unterirdisch zu verlegen, aber nicht unbedingt ein Grund, Ihren Beschleuniger unterirdisch zu verlegen.

Beschleuniger werden also unterirdisch gebaut, weil die Möglichkeit, dass Strahlen versagen und am Ende aus dem Rohr „herausschießen“, eine Gefahr für die Integrität des Rests der Struktur und eine Gefahr für die Menschen in ihrer Umgebung darstellt?
@neunhundert Keine Möglichkeit, aber eine praktische Realität. Beispielsweise wurde im Rahmen des jüngsten 12-GeV-Upgrades bei JLab eines der aktualisierten Beschleunigungsmodule während des 6-GeV-Betriebs auf dem Strahl installiert. Die Beschleuniger-Leute hatten alle möglichen Probleme, dieses Prototyp-Modul dazu zu bringen, sich gut zu verhalten; Es fiel häufig aus, der Linac wurde offline geschaltet, und aufgrund der Neutronenaktivierung konnte für ein paar Stunden niemand zu ihm gehen, um ihn zu reparieren. Probleme mit der strukturellen Integrität treten jedoch im Allgemeinen lange nach Strahlungsproblemen auf.
@rob Tut mir leid, wenn dies eine langwierige Anfrage ist, aber ich habe mich hier umgesehen: misportal.jlab.org/ul/Publications/search/… nach einem Bericht darüber und konnte nichts finden - mich interessiert Lesen des Berichts.
Es gibt auch einen großen Unterschied in den Abschirmungsanforderungen zwischen Elektronen, Neutronen und Ionen (mit zugegebenermaßen verschiedenen Möglichkeiten für eine Art von Strahl, andere Arten von Strahlung zu erzeugen).
@nine-hundred Nun, Sie werden meine Benutzerperspektive wahrscheinlich nicht in einem technischen Bericht finden. Diese Notiz berichtet jedoch, dass die Testmodule von Januar bis Mai 2012 liefen und im April dieses Zeitraums eine Stunde Dauerbetrieb bei voller Stromstärke und vollem Gradienten erreichten.
@rob - Ich bin mir nicht sicher. Die Advanced Photon Source (APS) in Argonne hat anscheinend Elektronen in ihrem Ring ( en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Photon_Source ), die auf 7 GeV beschleunigt wurden, aber meiner Erinnerung nach befindet sich der Ring ziemlich genau über dem Boden.
@SamuelWeir Ich bin mit dem APS nicht so vertraut, aber der oberirdische Teil scheint der Elektronenspeicherring zu sein. Synchrotronstrahlung aus dem Speicherring zu extrahieren ist der Sinn dieser Maschine. Ein kurzer Blick legt nahe, dass der Linac, der Booster und der Injektor, wo die Beschleunigung stattfindet, mit Erde bedeckt sind.
@rob - Aber es gibt auch eine starke Beschleunigung von Elektronen in den Speicherringen in Form von Zentripetalbeschleunigung, selbst wenn sich die Elektronen mit konstanter Geschwindigkeit bewegen. Genau das ist der Sinn des Speicherrings: Durch die (Zentripetal-)Beschleunigung der Elektronen im Ring jede Menge harte Röntgenstrahlen für Experimente rund um den Ring abzuwerfen. Meine beste Vermutung über die Situation ist, dass die Strahlung von Beschleunigern früher vielleicht eher ein Sicherheitsproblem war und sie deshalb unterirdisch gebaut wurden, aber dass die Strahlung heute bei modernen Ringen weniger ein Problem darstellt. Allerdings nur eine Vermutung.
@SamuelWeir Ich erinnere mich vage, wie jemand aus Argonne bei einem Vortrag vor zehn oder fünfzehn Jahren erklärte, wie die Röntgenverschlusssysteme des APS funktionierten. Es ist ein nicht triviales Problem, und jede Antwort, die ich hier gebe, wird irgendwo zu stark vereinfacht. Aber ich vermute, dass der Speicherring mehr passive Komponenten und weniger aktive Komponenten hat als die Vorinjektionsstufen, sodass das Risiko eines echten Strahlaustritts verringert wird.
Ein weiterer Grund sind Vibrationen. Sie möchten nicht, dass Ihr Elektronenstrahl jedes Mal vom Kurs abkommt, wenn ein Lastwagen vorbeifährt.
@rob Neutronenaktivierung in der Tat ... Als ich den LHC besichtigte, gingen wir durch eine kräftige Reihe verriegelter Türen in der Nähe der Strahlkippe, die a) jeden davon abgehalten hätte, den Beschleuniger einzuschalten und uns (möglicherweise) zu töten, bis wir wieder raus und b) uns nicht hereinlassen, bis die Strahlungswerte im Inneren unter den Grenzwerten lagen. Nur dass es zu der Zeit geschlossen war und die Türen alle offen standen :)
Es wird angenommen, dass der Strahl des LHC harmlos ist, wenn er Sie trifft. Aber wenn du hinter dem Kerl stehst, der getroffen wurde, ist es wahrscheinlich tödlich.
@RobertFrost Wenn Sie kein Strahlrohr oder Vakuumfenster sind, sind Sie nicht das Erste, auf das der Strahl trifft.
Einverstanden. Ich behaupte nicht, dass der Strahl sicher ist, nur eine interessante Kuriosität, während wir über Sicherheit sprachen.
@RobertFrost, was ist mit deinem Inneren hinter deiner Haut?
@Baldrickk Ich verstehe total, woher du kommst. Ich kann gerade keine Referenz finden, aber ich verstehe, dass der Strahl so fein ist, dass er nach dem Auftreffen auf etwas einige Meter zurücklegen muss, bevor er einen gefährlichen Durchmesser erreicht. Ich spekuliere jetzt, aber vielleicht, weil seine Energie so hoch ist, ist es schwieriger abzulenken als andere Strahlen.
@Baldrickk Die Energieverlustmechanismen sind (1) die Erzeugung von Sekundärstrahlung wie Kernfragmenten, Teilchen-Antiteilchen-Paaren, Brehmstrallung-Photonen usw. und (2) die Erzeugung von Elektron-Ionen-Paaren. Es ist das Zweite, das eure Körperchemie stört, aber das Erste dominiert bei hohen Energien. Die Abscheidung mit der höchsten Energie befindet sich also irgendwo hinter der ersten Strahl-Materie-Wechselwirkung, im Kegel der harten Sekundärteilchen. Ich habe einmal das Signal in einem dünnen Elektronendetektor erhöht, indem ich eine kleine Dicke Blei in den Weg gelegt habe; Anstelle der einen primären sah es mehrere sekundäre.
Worüber @rob spricht, ist nicht nur theoretisch. Ich kenne Leute, die Zugang zu Umgebungen mit hoher Strahlung (nach den Standards des US-Energieministeriums) ohne Abschirmung gemacht haben, weil die Abschirmung, die beim Zugang hineingetragen werden könnte, das Problem verschlimmert hätte und sich die Zeit genommen hätte, eine wirksame Abschirmung einzubauen hätte mehr Dosis bedeutet, als nur schnell und reibungslos die Arbeit zu erledigen. Sie bauten ein Modell und übten stattdessen ein paar Mal.

Teilchenbeschleunigeranlagen sind komplizierte Bestien und bestehen aus mehreren Teilen. Zwei Teilmengen von drei Systemen haben unterschiedliche Gründe, sich im Untergrund zu befinden.

  • Die Strahlerzeugungs-, Beschleunigungs-, Steuerungs- und Fokussierungsmechanismen erzeugen ionisierende Strahlung ( meistens durch Bremsstrahlung und Strahlkratzen ). Einige Teile eines Systems erzeugen viel Strahlung. Diese Teile müssen abgeschirmt werden, um Menschen zu schützen, und ein Haufen Schmutz ist eine billige Möglichkeit, diese Abschirmung zu erhalten.

    Die Tiefbaukosten sind normalerweise am niedrigsten, wenn Sie einen flachen Tunnel graben und dann die so gewonnene Erde wieder darüber stapeln, und dies ist ein übliches Muster für den Bau von Beschleunigern in Gebieten mit relativ geringer Bevölkerungsdichte.

    Aktuell laufendes Beispiel: CEBAF im Jefferson Lab in Newport News, Virginia, USA.

  • Das Detektorsystem, das verwendet wird, um Wissenschaft mit den Strahlen zu betreiben, erkennt alle Arten von Strahlung, und große Detektoren erhalten viele Signale von kosmischer Strahlung. Diese Detektorsysteme können davon profitieren, unterirdisch platziert zu werden, wo die Deckschicht den Hintergrund der kosmischen Strahlung reduziert, obwohl dies hauptsächlich in der Neutrinophysik von Interesse ist, wo selbst bei intensiven Strahlen die Rate am Detektor ziemlich niedrig ist.

    Leider bestehen die kosmischen Strahlen größtenteils aus Myonen (da die Atmosphäre ausreichend abgeschirmt ist, um den Beitrag weniger durchdringender Komponenten zu reduzieren) und haben ein Spektrum, das bis zu sehr hohen Energien reicht, so dass es einer Menge Überlastung bedarf, um den Hintergrund signifikant zu reduzieren.

    Aktuell laufendes Beispiel: LHC am CERN in Genf, Schweiz.

Als eine Frage der universellen Richtlinieneinrichtungen mit Strahl, der intensiv genug ist, um die Vakuumkomponenten des Beschleunigers zu durchschneiden, wenn er stark falsch gesteuert wird (was passiert ist - kurz, weil die Maschine nicht funktioniert, wenn das Vakuum beeinträchtigt ist - in mehr als einem Labor) Lassen Sie die Maschine nicht laufen, wenn sich Personen im Gehäuse aufhalten . Das liegt nicht wirklich an der Sorge, dass Menschen tatsächlich von dem Strahl getroffen werden , sondern daran, dass die von den laufenden Geräten erzeugte Strahlung eine ernsthafte Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellt .

Laut der offiziellen CERN-Website liegt dies an der Abschirmung :

Warum ist der LHC unterirdisch?

Der LHC nutzt den Tunnel, der gebaut wurde, um den früheren großen Beschleuniger des CERN, den LEP, zu beherbergen, der im Jahr 2000 abgebaut wurde. Das Graben eines unterirdischen Tunnels erwies sich als die beste Option für eine 27 km lange Maschine, da dies billiger ist als der Erwerb von Bauland an der Oberfläche und die Auswirkungen auf die Landschaft werden minimiert. Außerdem bietet die Erdkruste eine gute Abschirmung gegen Strahlung.

Auch, weil der Bau solch großer ringförmiger Geräte unter der Erde oft billiger ist als der Bau an der Oberfläche, da Sie nicht viel Land erwerben müssen.

Die von Ihnen verlinkte Quelle erwähnt keine kosmischen Strahlen. Sie sind für Collider-Experimente nicht wirklich von Belang (es ist sehr einfach, Dinge herauszufiltern, die nicht vom Kollisionspunkt stammen), und sie werden sogar zur Kalibrierung verwendet.
Die verlinkte Quelle sagt, dass nur die Erdkruste eine gute Abschirmung gegen Strahlung bietet , also könnte es eine Abschirmung bedeuten, um vor Strahlung zu schützen, die austritt, oder Strahlung, die eindringt, oder beides.

Was noch nicht erwähnt wurde, ist die strukturelle Stabilität. Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN befindet sich etwa 100 Meter unter der Erde.

In den anderen Antworten wurde argumentiert, warum Sie ein paar Meter unter der Erde sein wollen (Strahlungsschutz), aber obwohl der LHC die höchsten Energien aller von Menschen gebauten Beschleuniger erreichen kann, ist diese Tiefe bisher etwas übertrieben. Auch wenn man bedenkt, dass es einfacher ist, unter den Häusern von Menschen zu bauen, als drei kleine Städte zu evakuieren, wird Ihre endgültige Bautiefe von anderen Faktoren bestimmt.

Der Grund, warum es so weit unter der Erde liegt, ist, dass in dieser Tiefe eine harte Granitschicht ist, während darüber nur relativ weicher grüner Sandstein ist. Da der Collider 27 km lang ist, ist es sehr wichtig, dass alle Teile so gut wie möglich ausgerichtet sind (da Sie an den Kollisionspunkten Mikrometergenauigkeit benötigen). Auf dieser Granitschicht ruhend, hängt die Ausrichtung dann nur noch von der Mondphase ab (die den Boden nach oben verschiebt, aber noch mehr vom nahe gelegenen Genfersee) sowie von den jüngsten Niederschlägen (wieder wegen der Wassermenge im See Genf).

Weitere Informationen (z. B. warum nicht alle Teile in der gleichen Tiefe sind und warum der Beschleuniger weder eben noch eben ist) finden Sie in dieser Broschüre: CERN-Broschüre-2017-002-Eng (Seite 20).

Daher ist es manchmal immer noch kostengünstig, tiefer zu graben, als es für den Strahlenschutz unbedingt erforderlich ist (andernfalls würde der Collider nicht einmal funktionieren).

Ein Thema, das von den anderen Antworten weitgehend beschönigt wird, ist einfache Ökonomie.

Kreisförmige Teilchenbeschleuniger sind ununterbrochene Ringe mit Durchmessern, die oft in Meilen gemessen werden. Dies ist eine sehr große Menge an Immobilien, auf die Sie den Zugang beschränken müssen, wenn Sie oberirdisch bauen. Es gibt nicht nur das oberirdische Land, das Sie für die Unterbringung des Beschleunigers benötigen, es gibt auch den Platz, den Sie jetzt abgeschnitten haben (vorausgesetzt, Sie heben den Beschleuniger nicht an, um den Verkehr darunter passieren zu lassen).

Linacs hingegen benötigen zwar viel Platz, schneiden aber nicht so viel Land ab und sind oft oberirdisch zu finden ( SLAC oder SAL sind Beispiele) .

Warum nicht einen Teilchenbeschleuniger ebenerdig bauen? Was ist die flachste machbare Tiefe, um eine zu bauen?
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