Akceleratory cz±steczek

AKCELERATORY CZ¡STECZEK

Na pocz±tku naszego wieku naukowcy przeprowadzali liczne eksperymenty z wykorzystaniem na³adowanych cz±stek. Pierwszym ¼ród³em, z którego pozyskiwali takie cz±steczki by³y substancje promieniotwórcze. Wysy³aj± one na przyk³ad cz±steczki alfa o energiach do 6 MeV, które wykorzystywane by³y w pierwszych sztucznych reakcjach j±drowych. Jednak ¼ród³a tego typu by³y bardzo drogie, nie da³y siê ³atwo kontrolowaæ, a poza tym wytwarzane cz±steczki posiada³y za ma³± energie, do przeprowadzenia wielu do¶wiadczeñ. Naukowcy potrzebowali nowego sposobu pozyskiwania wysokoenergetycznych cz±steczek. Kilka z urz±dzeñ (nazywanych ogólnie akceleratorami), które s³u¿y³y temu celowi zosta³o opisanych poni¿ej:

Generator Cockcrofta-Waltona

W roku 1932 dwaj naukowcy John Douglas Cockcroft (1897-1967) i Ernest Thomas Walton (ur. 1903) zbudowali urz±dzenie, dziêki któremu mogli przy¶pieszaæ na³adowane cz±stki. Urz±dzenie sk³ada³o siê z pojemnika z gazowym wodorem. Wodór ostrzeliwany by³ elektronami, które powodowa³y jego jonizacjê. Powstawa³y wolne protony, które nastêpnie by³y przy¶pieszane ró¿nic± potencja³ów (0,15 MV). Rozpêdzone protony pada³y na cienk± foliê litu i powodowa³y emisjê cz±steczek alfa zgodnie ze wzorem reakcji:

(1)

Ka¿da z tych cz±steczek alfa uzyskiwa³a energiê 8,6 MeV.

Generator Van de Graffa

W sk³ad tego generatora wchodzi ¼ród³o wysokiego napiêcia i pas biegn±cy pomiêdzy dwoma walcami. Pochodz±cy ze ¼ród³a ³adunek elektryczny by³ umieszczany na pasie dziêki specjalnemu zestawowi ostrzy. Inne ostrza znajduj±ce siê w kopule odbiera³y ³adunek i przekazywa³y go na zewn±trz kopu³y, zwiêkszaj±c tym jej potencja³. Jony, które wytwarzane by³y wewn±trz kopu³y, przy¶pieszane by³y dziêki ró¿nicy potencja³ów istniej±cej pomiêdzy kopu³±, a ziemi±. Jony te bieg³y w ¶rodku rury pró¿niowej.

Cyklotron

- Program komputerowy - symuacja doœwiadczenia

Na pocz±tku lat trzydziestych na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley dwaj naukowcy Ernest Orlando Lawrence (1901-1958) i M.S Livingston skonstruowali nowy typ przyrz±du s³u¿±cego do przy¶pieszania jonów. Sk³ada siê ono z dwóch pustych w ¶rodku, pó³kolistych metalowych komór - duantów. Komory te zestawione s± tak, i¿ miêdzy nimi znajduje siê w±ski pusty obszar. Zasilane s± zmiennym napiêciem o czêsto¶ci radiowej. Duanty znajduj± siê w komorze pró¿niowej pomiêdzy biegunami potê¿nego elektromagnesu. Jony powstaj± w ¼ródle umieszczonym w ¶rodku pomiêdzy duantami. Po opuszczeniu ¼ród³a tor jonów zostaje zakrzywiony w silnym polu magnetycznym. Podlegaj± one bowiem wp³ywowi si³y magnetycznej w tym przypadku (wektor indukcji skierowany prostopadle do wektora prêdko¶ci) danej wzorem:

(2)

Zgodnie z prawem Newtona dla ruchu po okrêgu jest:

(3)

Z tych dwu wzorów mo¿emy wyliczyæ promieñ toru po jakim wylatuj±cy ze ¼ród³a jon zacznie siê poruszaæ:

(4)

W momencie, gdy jon przelatuje przez obszar miêdzy duantami zostaje przy¶pieszony dziêki polu elektrycznemu panuj±cemu miêdzy nimi, wytworzonemu przez ¼ród³o o czêstotliwo¶ci radiowej. Teraz jon ma nieco wiêksz± prêdko¶æ. Porusza siê w drugim duancie po trochê wiêkszym promieniu. ¬ród³o zmiennego pr±du o czêstotliwo¶ci radiowej jest tak zsynchronizowane, ¿e za ka¿dym razem gdy jon przelatuje w strefie miêdzy duantami jest "popychany" do przodu, zwiêksza swoj± prêdko¶æ i promieñ toru ruchu. Koñcowa prêdko¶æ jonu uzale¿niona jest wiêc od ³adunku jonu, jego masy, natê¿enia pola magnetycznego (B) oraz od promienia duantów. Ostateczna energia kinetyczna cz±steczki dana jest wzorem:

Ek = 1/2*m*v^2MAX = 1*(q^2*B2*r^2MAX)/(m)

(5)

Betatron

Na pocz±tku lat czterdziestych D.W. Kerst z University of Illinois skonstruowa³ nowe urz±dzenie rozpêdzaj±ce jony - betatron. Sk³ada³ on siê z komory pró¿niowej w kszta³cie torusa umieszczonej miêdzy nadbiegunnikami bardzo silnego elektromagnesu. W komorze tej znajdowa³o siê ¼ród³o elektronów. Cewki zasilane pr±dem zmiennym indukuj± zmienne pole elektromagnetyczne pomiêdzy biegunami elektromagnesu. Pole rozpêdza elektrony i jednocze¶nie utrzymuje je na orbicie ko³owej. Dziêki temu znikaj± ograniczenie, które mia³ cyklotron. Nie zwiêksza siê bowiem promieñ toru po którym kr±¿y elektron.

Akceleratory liniowe

Uproszczona wersja akceleratora liniowego Luisa Alvareza

Akceleratory liniowe s± jednymi z najprostszych przy¶pieszaczy cz±stek. Na³adowane cz±stki (protony, elektrony) rozpêdzane s± najpierw w innych przy¶pieszaczach (np. w generatorze Van de Graaffa), a nastêpnie wstrzykiwane do d³ugiej pró¿niowej rury. Wi±zka cz±steczek przebiega przez szereg pustych metalowych cylindrów po³±czonych na przemian z generatorem czêsto¶ci radiowych. Tak wiêc cz±steczki s± przy¶pieszane przez pole elektryczne fali elektromagnetycznej poruszaj±cej siê wraz z ni± wzd³u¿ akceleratora. Ka¿dy kolejny cylinder musi byæ d³u¿szy, poniewa¿ cz±stka zwiêksza swoj± prêdko¶æ.

Synchrotron

Jest to rodzaj ko³owego akceleratora cz±steczek na³adowanych. Cz±stki kr±¿± po sta³ych orbitach, na których utrzymuje je zwiêkszane wraz ze wzrostem prêdko¶ci cz±steczek pole magnetyczne. Cz±stki s± przy¶pieszane za ka¿dym razem gdy przelatuj± przez fragment synchrotronu zwanego szczelin± rezonatora. Szczelina ta jest zasilana przez generator wielkiej czêstotliwo¶ci.

Poni¿ej znajduje siê zestawienie kilku pierwszych akceleratorów budowanych od lat 30-stych, do 70-tych:

AKCELERATOR	CZ¡STKA	ENERGIA	ROK
Cyklotron Lawrence'a-Livingstona University of California, Berkeley	proton	1,2 MeV	1932
Betatron Kersta General Electric Company	elektron	20 MeV	1942
Akcelerator liniowy Stanford University	elektron	35 MeV	1950
Synchrotron protonowy Brookhaven National Laboratory	proton	2,2 GeV	1952
Synchrotron protonowy CERN, Szwajcaria	proton	28 GeV	1959
SLAC - akcelerator liniowy Stanford University	elektron	20 GeV	1966
Synchrotron protonowy Sierpuchow, ZSRR	proton	76 GeV	1967
Synchrotron protonowy National Accelerator Laboratory Weston, Illinois	proton	500 GeV	1971