Akcelerator cząstek

Z Wikipedii

Akcelerator to urządzenie służące do przyspieszania cząstek elementarnych lub jonów do prędkości bliskich prędkości światła. Cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym są przyspieszane w polu elektrycznym. Do skupienia cząstek w wiązkę oraz do nadania im odpowiedniego kierunku używa się odpowiednio ukształtowanego, w niektórych konstrukcjach także zmieniającego się w czasie, pola magnetycznego lub elektrycznego.

2MeV liniowy akcelerator van der Graffa, konstrukcja z lat 1960

Najprostszymi urządzeniami do przyspieszania cząstek są działa elektronowe, które stosuje się w kineskopach telewizorów i monitorów, oscyloskopach oraz generatorach promieniowana rentgenowskiego.

[edytuj] Zastosowanie

1MeV akcelerator Cockcrofta - Waltona z 1937 r. stojący w National Science Museum w Londonie.

W zastosowaniach badawczych, akceleratory służą do rozpędzania cząstek elementarnych i zderzania ich ze sobą w celu przeprowadzania reakcji jądrowych. Umożliwia to poznawanie własności cząstek i przebiegu owych reakcji. Są one podstawowym narzędziem fizyki jądrowej.

W medycynie, akceleratory stosuje się w radioterapii, czyli do leczenia schorzeń (nowotworów) poprzez naświetlanie ich promieniowaniem jonizującym.

Jedne akceleratory mogą być także częściami innych akceleratorów, o większych energiach maksymalnych. Mają one wstępnie rozpędzać cząstki. Są to, tak zwane akceleratory wstrzykujące (indżektory).

[edytuj] Podział

Akceleratory można klasyfikować ze względu na różne cechy:

• rodzaj przyspieszanych cząstek, np. akceleratory protonów, elektronów, jonów ciężkich
• kształt toru przyspieszanych cząstek: liniowe, kołowe (cykliczne)
• metodę przyspieszania, np. napięcie stałe, wysokiej częstotliwości, indukowane, wielostopniowe
• maksymalną energię przyspieszenia (keV, MeV, GeV)
• gradient pola przyspieszającego (stałe, zmienne)

Widok z lotu ptaka na kołowy akcelerator w Fermilab.

Główny podział akceleratorów uwzględnia kształt toru i metodę przyspieszania:

• liniowe - cząstki przyspieszane są na odcinku prostym:
  • o stałym napięciu przyspieszającym (kaskadowy, van der Graaffa, tandem Cockcrofta-Waltona)
  • o napięciu przyspieszającym wysokiej częstotliwości (liniowy z falą bieżącą, liniowy z falą stojącą).
• Cykliczne (kołowe)
  • synchroniczne (cyklotron, synchrocyklotron, synchrotron protonowy, synchrotron elektronowy, mikrotron)
  • asynchroniczne (betatron, akcelerator plazmowy, akcelerator wiązek przeciwbieżnych)

[edytuj] Działanie

Magnes synchrocyklotronu znajdującego się w ośrodku terapii protonami, w Orsay.

Cząstki przyspieszane są polem elektrycznym, pole magnetyczne stosuje się do nadania przyspieszanym cząstkom odpowiedniego toru lub skupienia ich.

Pole elektryczne jest tworzone przez specjalne układy generatorów bardzo wysokiego napięcia i przekazywane na układy elektrod. Pole magnetyczne jest tworzone przy pomocy bloków elektromagnesów, które są rozmieszczone co jakiś czas na całej linii/obwodzie akceleratora.

Akceleratory nie są urządzeniami uniwersalnymi, np. akcelerator przyspieszający cząstki lekkie nie będzie mógł zostać użyty do przyspieszania ciężkich jonów. Wynika to z różnicy mas cząstek i progu energii przy której znaczną rolę zaczynają odgrywać efekty relatywistyczne.

[edytuj] Gdzie znaleźć

Akcelerator kaskadowy.

• Największy w Polsce cyklotron znajduje się w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów w Warszawie.
• Największe w Europie i na świecie cyklotrony znajdują się na terenie CERN w Genewie - Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) ma obwód prawie 27 km