Akceleratory (Å roda, 16 marzec 2005) - Dodał wtorek

Transkrypt

1 Akceleratory (Å roda, 16 marzec 2005) - Dodał wtorek Definicja: Urządzenie do przyspieszania cząstek naładowanych, tj. zwiększania ich energii. Akceleratory można sklasyfikować ze względu na: kształt toru przyspieszanych cząstek i krotność jego przebywania przez cząstki w polu przyspieszającym (a. liniowe i cykliczne), rodzaj przyspieszanych cząstek, metodę przyspieszania oraz maksymalnie osiąganą energię. Energia kinetyczna cząstki naładowanej w akceleratorze rośnie wskutek jej oddziaływania z polem elektrycznym. Cząstki są dostarczane do komory przyspieszającej ze źródeł jonów lub z mniejszych akceleratorów (w których występuje przyspieszenie wstępne) i po osiągnięciu energii końcowej są kierowane na tarczę. Do najważniejszych parametrów akceletratorów należą: rodzaj i maksymalna osiągalna energia, zakres i dokładność regulacji energii cząstek, wartość prądu wiązki, monoenergetyczność cząstek oraz przekrój poprzeczny i rozbieżność wiązki. Akceleratory elektronów nie nadają się do przyspieszenia cząstek ciężkich (protonów, deuteronów, cząstek alfa oraz jonów cięższych atomów). Wynika to z faktu, że elektrony już przy energiach rzędu 1 MeV uzyskują prędkość bliską prędkości światła, przy której zaczyna odgrywać rolę relatywistyczny przyrost masy; dla cząstek ciężkich zaczyna on odgrywać rolę dopiero przy energiach rzędu 1 GeV. Ma to zasadniczy wpływ na wybór metody przyspieszania. Energia kinetyczna przyspieszanych nuklenów rzędu 10 MeV wystarcza do wywołania większości reakcji jądrowych. Od energii rzędu 300 MeV są produkowane antynukleony i hiperony. W celu uzyskania wiązek o dużych energiach stosuje się układy wieloakceleratorowe. A. są stosowane zarówno w nauce, jak i w wielu dziedzinach techniki oraz w medycynie. Do zastosowań naukowych (badanie mechanizmów reakcji jądrowych, stanów wzbudzonych jąder, tworzenie nowych izotopów, pierwiastków superciężkich i cząstek elementarnych) używa się akceleratorów wysokoenergetycznych, dających wiązki monoenergetyczne o małym przekroju i z możliwością regulacji energii cząstek. W medycynie korzysta się z wiązki akceleratorowej (najczęściej otrzymywanych w betatronach, a. liniowych wielkiej częstotliwości i liniowym van der Graafa) do napromieniowaniań terapeutycznych tkanki nowotworowej. W tym celu stosuje się przyspieszone elektrony i promieniowanie hamowania, które powstaje w zderzeniu wiązki elektronów z tarczą lub ze skolimowaną wiązką neutronów, otrzymaną podczas naświetlania tarczy wiązką ciężkich jonów z cyklotronu. W wielu dziedzinach wymagających czystych bilogicznie substancji stosuje się a. elektronowe do sterylizacji, gdyż otrzymane z nich promienie niszczy bakterie beztlenowe, co jest nieosiągalne innymi metodami. Również akceleratorowa produkcja izotopów promieniotwórczych o krótkich czasach życia i dużej aktywności właściwej jest wydajniejsza od produkcji tych izotopów w reaktorze. W przemyśle akceleratory liniowe wysokich częstotliwosci są stosowane do zmian parametrów technoliogicznych materiałów (obróbka radiacyjna), implantacji jonów (głownie w przemyśle elektronicznym), wykrywania wad materiałów (radiografia) oraz do określania składu chemicznego próbek biologicznych i geologicznych metodą analizy aktywacyjnej. Ważniejsze typy akceleratorów: Akcelerator liniowy akcelerator, w którym przyspieszane cząstki poruszają się po torach prostych. Do akceleratorów liniowych należą: akcelerator Cockcrofta-Waltona (kaskadowy), akcelerator van de Graaffa, akcelerator liniowy z falą bieżącą, akcelerator liniowy z falą stojącą. Akcelerator liniowy z falą bieżącą akcelerator przyspieszający cząstki (najczęściej elektrony) poruszające się z prędkościami zbliżonymi do

2 prędkości światła, co oznacza konieczność wstępnego przyspieszenia cząstek przed rozpoczęciem przyspieszania w tym akceleratorze. W akceleratorze liniowym z falą bieżącą do przyspieszania wykorzystuje się bieżącą falę elektromagnetyczną, powstającą w falowodzie o konstrukcji zapobiegającej odbiciu fali. W falowodzie pole elektrycznego fali porusza się z prędkością fazową dobraną tak, aby była równa prędkości cząstek, cały czas przyspieszając je w kierunku osi akceleratora. Właściwą prędkość fazową uzyskuje się konstruując odpowiednie przegrody. W Stanford (USA) działa akcelerator liniowy z falą bieżącą (o długości 3 km) przyspieszający elektrony do energii 20 GeV (ostatnio przekonstruowany na nietypowy akcelerator wiązek przeciwbieżnych). Akcelerator liniowy z falą stojącą Akcelerator liniowy z falą stojącą, akcelerator przyspieszający protony lub ciężkie jony za pomocą rezonatorów fal elektromagnetycznych wysokiej częstości. Jonowód, w którym przyspieszane są cząstki podzielony jest na segmenty tak, by w przerwach między segmentami działał przyspieszająco na cząstki, wektor pola elektrycznego fali stojącej. Tam, gdzie wektor ten działałby hamująco, jonowód ekranuje cząstki od wpływu pola elektrycznego. Podobnie jak w akceleratorach liniowych z falą bieżącą konieczne jest tu wstępne przyspieszenie cząstek. W tym celu stosuje się akceleratory elektrostatyczne lub akceleratory kaskadowe. Akcelerator Cockcrofta-Waltona (kaskadowy) akcelerator liniowy, przyspieszający protony wysokim napięciem (ok. 1MV) uzyskiwanym za pomocą generatora kaskadowego. Jest to najstarszy rodzaj akceleratorów (pierwszy w 1929). W akceleratorze Cockcrofta-Waltona uzyskuje się wysokie natężenia strumienia przyspieszanych cząstek. Obecnie akcelerator Cockcrofta-Waltona wykorzystuje się jako generatory neutronów, przyspieszając deuterony oraz jako pierwsze stopnie przyspieszania cząstek w dużych akceleratorach. Akcelerator cykliczny akcelerator, w którym przyspieszane cząstki poruszają się po torach spiralnych lub kołowych i przyspieszane są wielokrotnie (cykliczne). Do akceleratorów cyklicznych należą: betatron, cyklotron, mikrotron, synchrotron (elektronowy lub protonowy) oraz akcelerator wiązek przeciwbieżnych. Do zakrzywiania torów cząstek wykorzystuje się pole magnetyczne, w najnowszych konstrukcjach wytwarzane przez magnesy nadprzewodzące. Akcelerator van de Graaffa (elektrostatyczny) akcelerator liniowy, w którym cząstki (elektrony, protony) lub jony przyspieszane są elektrostatycznym polem otrzymywanym za pomocą generatora van de Graaffa. Ze względu na konstrukcje generatora wyróżnia się akceleratory van de Graaffa powietrzne i ciśnieniowe. Maksymalne energie osiągane w akceleratorach tego typu są rzędu 10 MeV (mega elektronowoltów). Dalsze zwiększenie osiąganych energii w przypadku przyspieszania jonów możliwe jest w akceleratorach

3 van de Graaffa typu tandem. Uzyskuje się je, zmieniając w trakcie przyspieszania znak ładunku jonów. W Polsce działa kilka akceleratorów van de Graaffa. Akcelerator wiązek przeciwbieżnych (collider) akcelerator, w którym możliwe jest zderzanie przeciwbieżnie przyspieszanych wiązek cząstek. Z zasad zachowania energii i pędu wynika, że w zderzeniu dwóch ciał dostępna jest tylko energia równa energii kinetycznej w ich układzie środka masy. Przy zderzaniu wiązek przeciwbieżnych suma energii wiązek jest więc dostępną energią kinetyczną. W porównaniu z akceleratorem, w którym wiązka o takiej samej energii zderza się z tarczą spoczywającą, oznacza to czasem kilkusetkrotny wzrost dostępnej energii przy jednoczesnym zmniejszeniu liczby zachodzących reakcji ze względu na mniejszą gęstość wiązki niż tarczy spoczywającej. Największym akceleratorem wiązek przeciwbieżnych zaprojektowanym obecnie jest Superconducting Super Collider (SSC), który ma zostać zbudowany w pobliżu Dallas (Teksas, USA). Za pomocą SSC planuje się osiągnięcie energii 2x20 TeV. Obecnie największe akceleratory wiązek przeciwbieżnych znajdują się w Batawii (USA), Genewie i Hamburgu. Cyklotron akcelerator cykliczny, w którym stosunkowo ciężkie cząstki (protony, jądra, jony) przyspieszane są polem elektrostatycznym o napięciu rzędu 100 kv i wysokiej częstości, istniejącym pomiędzy dwoma duantami, czyli płaskimi wydrążonymi półwalcami. Cząstki poruszają się po torach spiralnych dzięki istnieniu stałego silnego pola magnetycznego prostopadłego do płaszczyzny przyspieszania. Zasada działania oparta jest na obserwacji, że przy pominięciu efektów relatywistycznych (tj. wzrostu masy przyspieszanych cząstek) częstotliwość obiegu cząstek naładowanych po torze kołowym Wk (częstość cyklotronowa) nie zależy od ich energii, co pozwala łatwo zsynchronizować częstość obiegu cząstek z częstością zmian pola elektrycznego We, tak, że: Wk = We = (e/m)/(h/c), gdzie e - ładunek przyspieszanej cząstki, m - jej masa, H - wartość bezwzględna wektora natężenia pola magnetycznego, c-prędkość światła. Cyklotron był najwcześniejszym akceleratorem cyklicznym, pierwszy został skonstruowany przez E. Lawrence'a i M. Livingstone'a w Kalifornii w Ograniczeniem energii osiąganych za pomocą cyklotronu są efekty relatywistyczne wpływające na opóźnianie się cząstek o dużych energiach względem zmian pola, co doprowadza do utraty efektywności przyspieszania. Częściowo można temu zaradzić, zwiększając pole magnetyczne wraz z promieniem, co prowadzi do konstrukcji nazywanej cyklotronem izochronicznym.

4 W Polsce pierwszy cyklotron uruchomiony został w latach powojennych na Uniwersytecie Jagiellońskim, następnie został przeniesiony do Instytutu Fizyki Jądrowej (IFJ, również w Krakowie), gdzie był modernizowany i pracował do początku lat 90., osiągając energię protonów równą 3 MeV. Od lat 60. w IFJ pracuje większy cyklotron, pozwalający osiągać dwukrotnie wyższe energie protonów i przyspieszać cząstki alfa do energii 29 MeV. Aktualnie kończona jest w IFJ budowa cyklotronu izochronicznego. Obecnie największym w Polsce cyklotronem jest cyklotron znajdujący się w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów w Warszawie. Średnica nabiegunnika głównego magnesu wynosi 2 m. Jest to cyklotron przyspieszający ciężkie jony do maksymalnej energii 10 MeV na jednostkę masy atomowej przyspieszanego jonu. Zobacz animację! (cyklotron.rar - rozmiar: 652KB, czas trwania: 54s, typ: asf, w razie problemów ściągnij kodeka). Betatron akcelerator indukcyjny, rodzaj akceleratora cyklicznego, służącego do przyspieszania elektronów. Przyspieszanie następuje pod wpływem wirowego pola elektrycznego, indukowanego przez zmienny strumień pola magnetycznego. W beatronie elektrony przyspieszane są na stabilnej orbicie, cykl przyspieszania wynosi 1/4 okresu sinusoidalnie zmiennego napięcia zasilania. Pod koniec przyspieszania dodatkowy impuls pola kieruje elektrony na tarczę, gdzie w wyniku promieniowania hamowania wytwarzane są wysokoenergetyczne fotony (kwanty promieniowania gamma). Maksymalne energie elektronów otrzymywane w beatronie sięgają 200 MeV. Wykorzystywane są w fizyce jądrowej oraz w medycynie nuklearnej (do terapii nowotworowej). Mikrotron rodzaj akceleratora cyklicznego służącego do przyspieszania elektronów do energii kilkunastu MeV. Zbudowany jest z cylindrycznej komory próżniowej, umieszczonej w stałym polu magnetycznym, wewnątrz której znajduje się wnęka rezonansowa zasilana prądem wysokiej częstości. Napięcie dobiera się tak, by opóźnienie elektronów, spowodowane relatywistycznym wzrostem ich masy, wynosiło tyle, ile okres drgań. Dzieje się tak, gdy energia uzyskiwana przez elektrony w jednym obiegu wynosi całkowitą wielokrotność masy elektronu (0,511 MeV). Tory elektronów w mikrotronach mają postać okręgów wzajemnie stycznych do siebie (w jednym punkcie, wewnątrz wnęki rezonansowej). Synchrotron cykliczny akcelerator cząstek naładowanych. Uzyskiwane energie elektronów - do 23 GeV, protonów - do 1 TeV. Synchrotron elektronowy rodzaj akceleratora cyklicznego służącego do impulsowego, cyklicznego przyspieszania elektronów. Elektrony poruszają się po stałej orbicie w rosnącym w trakcie cyklu przyspieszania polu magnetycznym, przy stałej rezonansowej częstości przyspieszającego pola elektrycznego.

5 Energie elektronów osiągane w synchrotronie elektronowym ograniczane są przez straty wywołane promieniowaniem synchrotronowym. Przeciwdziała się im zwiększając rozmiary synchrotronu - dla osiągnięcia energii rzędu 100 GeV średnica synchrotronu elektronowego musi wynosić ok. 10 km (np. akcelerator LEP). Synchrotron protonowy rodzaj akceleratora cyklicznego (zmodyfikowany synchrocyklotron) pracujący impulsowo - możliwa jest w nim dalsza kompensacja efektów relatywistycznych. W synchrotronie protonowym protony poruszają się po stałej orbicie w narastającym polu magnetycznym, przyspieszające pole elektryczne ma odpowiednio modyfikowaną, zmienną częstotliwość. Synchrotrony protonowe z nadprzewodzącymi magnesami (magnes) pozwalają osiągać energie protonów rzędu TeV.