Parçacık hızlandırıcı -Particle accelerator
Parçacık hızlandırıcı , yüklü parçacıkları çok yüksek hızlara ve enerjilere itmek ve bunları iyi tanımlanmış ışınlar içinde tutmak için elektromanyetik alanları kullanan bir makinedir .
Parçacık fiziğinde temel araştırmalar için büyük hızlandırıcılar kullanılır . Şu anda çalışan en büyük hızlandırıcı , CERN tarafından işletilen İsviçre'nin Cenevre yakınlarındaki Büyük Hadron Çarpıştırıcısıdır (LHC) . İki proton demetini 6,5 TeV enerjiye hızlandırabilen ve 13 TeV kütle merkezi enerjileri yaratarak kafa kafaya çarpışmalarına neden olabilen bir çarpıştırıcı hızlandırıcıdır. Diğer güçlü hızlandırıcılar, New York'taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki RHIC ve daha önce Fermilab , Batavia , Illinois'deki Tevatron'dur . Hızlandırıcılar, yoğun madde fiziğinin incelenmesi için senkrotron ışık kaynakları olarak da kullanılır . Daha küçük parçacık hızlandırıcılar, onkolojik amaçlar için parçacık tedavisi , tıbbi teşhis için radyoizotop üretimi , yarı iletkenlerin üretimi için iyon implanterleri ve radyokarbon gibi nadir izotopların ölçümleri için hızlandırıcı kütle spektrometreleri dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır . Şu anda dünya çapında faaliyette olan 30.000'den fazla hızlandırıcı var.
İki temel hızlandırıcı sınıfı vardır: elektrostatik ve elektrodinamik (veya elektromanyetik) hızlandırıcılar. Elektrostatik parçacık hızlandırıcıları, parçacıkları hızlandırmak için statik elektrik alanları kullanır. En yaygın türler, Cockcroft-Walton üreteci ve Van de Graaff üretecidir . Bu sınıfın küçük ölçekli bir örneği, sıradan bir eski televizyon setindeki katot ışın tüpüdür . Bu cihazlarda parçacıklar için ulaşılabilir kinetik enerji , elektriksel bozulma ile sınırlanan hızlanma voltajı tarafından belirlenir . Elektrodinamik veya elektromanyetik hızlandırıcılar ise parçacıkları hızlandırmak için değişen elektromanyetik alanlar ( manyetik indüksiyon veya salınan radyo frekansı alanları) kullanır. Bu tiplerde parçacıklar aynı hızlanma alanından birçok kez geçebildiğinden, çıkış enerjisi hızlanan alanın gücü ile sınırlı değildir. İlk olarak 1920'lerde geliştirilen bu sınıf, çoğu modern büyük ölçekli hızlandırıcının temelidir.
Rolf Widerøe , Gustav Ising , Leó Szilárd , Max Steenbeck ve Ernest Lawrence , ilk operasyonel lineer parçacık hızlandırıcıyı , betatronu ve siklotronu tasarlayıp inşa ettikleri için bu alanın öncüleri olarak kabul edilirler .
Erken hızlandırıcıların parçacık ışınlarının hedefi genellikle bir madde parçasının atomları olduğundan, amaç nükleer yapıyı araştırmak için çekirdekleriyle çarpışmalar yaratmak olduğundan, hızlandırıcılar 20. yüzyılda yaygın olarak atom parçalayıcılar olarak anılırdı. Terim, birçok modern hızlandırıcının bir parçacık ve bir atom çekirdeği yerine iki atom altı parçacık arasında çarpışmalar yaratmasına rağmen varlığını sürdürmektedir.
kullanır
Yüksek enerjili parçacıkların ışınları, bilimlerdeki temel ve uygulamalı araştırmalar için ve ayrıca temel araştırmalarla ilgisi olmayan birçok teknik ve endüstriyel alanda faydalıdır. Dünya çapında yaklaşık 30.000 hızlandırıcı olduğu tahmin edilmektedir. Bunların sadece %1'i 1 GeV'nin üzerinde enerjiye sahip araştırma makineleriyken , yaklaşık %44'ü radyoterapi, %41'i iyon implantasyonu , %9'u endüstriyel işleme ve araştırma ve %4'ü biyomedikal ve diğer düşük enerjili araştırmalar içindir.
Parçacık fiziği
Fizikçiler, maddenin, uzayın ve zamanın dinamikleri ve yapısına ilişkin en temel araştırmalar için mümkün olan en yüksek enerjilerde en basit etkileşim türlerini ararlar. Bunlar tipik olarak birçok GeV'nin parçacık enerjilerini ve en basit parçacık türlerinin etkileşimlerini gerektirir: madde için leptonlar (örneğin elektronlar ve pozitronlar ) ve kuarklar veya alan kuantası için fotonlar ve gluonlar . İzole edilmiş kuarklar, renk hapsi nedeniyle deneysel olarak kullanılamadığından , mevcut en basit deneyler, ilk olarak leptonların birbirleriyle ve ikinci olarak, kuarklardan ve gluonlardan oluşan leptonların nükleonlarla etkileşimlerini içerir. Bilim adamları, kuarkların birbirleriyle çarpışmalarını incelemek için, yüksek enerjide faydalı bir şekilde, kendilerini oluşturan kuarkların ve gluonların esasen 2 cisim etkileşimleri olarak kabul edilebilecek nükleon çarpışmalarına başvururlar. Bu temel parçacık fizikçileri , mümkün olan en yüksek enerjilerde, genellikle yüzlerce GeV veya daha fazla, birbirleriyle veya en basit çekirdeklerle (örneğin, hidrojen veya döteryum ) etkileşime giren elektron, pozitron, proton ve antiproton demetleri yaratan makineleri kullanma eğilimindedir.
Temel parçacık fiziği için kullanılan en büyük ve en yüksek enerjili parçacık hızlandırıcı , 2009'dan beri CERN'de faaliyet gösteren Büyük Hadron Çarpıştırıcısıdır (LHC) .
Nükleer fizik ve izotop üretimi
Nükleer fizikçiler ve kozmologlar , çekirdeklerin yapısını, etkileşimlerini ve özelliklerini araştırmak için elektronlardan arındırılmış çıplak atom çekirdeği kirişlerini ve ilk anlarda meydana gelmiş olabileceği gibi aşırı yüksek sıcaklık ve yoğunluklarda yoğunlaştırılmış maddenin ışınlarını kullanabilirler. Büyük Patlama'dan . Bu araştırmalar genellikle ağır çekirdeklerin – demir veya altın gibi atomların – nükleon başına birkaç GeV enerjisinde çarpışmalarını içerir . Bu tür en büyük parçacık hızlandırıcı, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki Göreli Ağır İyon Çarpıştırıcısıdır (RHIC) .
Parçacık hızlandırıcılar, fisyon reaktörlerinde yapılan nötron bakımından zengin olanların aksine, proton bakımından zengin tıbbi veya araştırma izotopları üretebilen proton ışınları da üretebilir ; Bununla birlikte, son çalışmalar , hidrojen izotoplarını hızlandırarak, genellikle reaktörlerde yapılan 99 Mo'nun nasıl yapıldığını göstermiştir , ancak bu yöntem hala trityum üretmek için bir reaktör gerektirir . Bu tip makinelere bir örnek Los Alamos'taki LANSCE'dir .
senkrotron radyasyonu
Bir manyetik alan içinde yayılan elektronlar , senkrotron radyasyonu yoluyla çok parlak ve uyumlu foton ışınları yayar . Atom yapısı, kimya, yoğun madde fiziği, biyoloji ve teknoloji çalışmalarında sayısız kullanıma sahiptir. Dünya çapında çok sayıda senkrotron ışık kaynağı mevcuttur. ABD'deki örnekler , SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'nda SSRL , Argonne Ulusal Laboratuvarı'nda APS , Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda ALS ve Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda NSLS'dir . Avrupa'da, Lund, İsveç'te MAX IV , Berlin, Almanya'da BESSY , Oxfordshire, İngiltere'de Diamond , Grenoble , Fransa'da ESRF vardır , ikincisi kehribar içine hapsolmuş böceklerin ayrıntılı 3 boyutlu görüntülerini çıkarmak için kullanılmıştır.
Serbest elektron lazerleri (FEL'ler), daha yüksek zamansal tutarlılık ile daha kısa darbeler sağlayan , senkrotron radyasyonuna dayalı özel bir ışık kaynakları sınıfıdır . Özel olarak tasarlanmış bir FEL, gözlemlenebilir evrendeki en parlak x-ışınları kaynağıdır . En belirgin örnekler ABD'deki LCLS ve Almanya'daki Avrupa XFEL'dir . Nabız kısaltma ile birlikte attosaniye bilimi için yeni yöntemler açan yumuşak x-ışını lazerlerine daha fazla dikkat çekilmektedir . X-ışınlarının yanı sıra, FEL'ler terahertz ışık yaymak için kullanılır , örneğin Nijmegen, Hollanda'da FELIX, Dresden, Almanya'da TELBE ve Novosibirsk, Rusya'da NovoFEL.
Bu nedenle , ışık kaynaklarını çalıştırmak için orta ( GeV ) enerjiye, yüksek yoğunluğa ve yüksek ışın kalitesine sahip elektron hızlandırıcılara büyük bir talep vardır .
Düşük enerjili makineler ve parçacık tedavisi
Parçacık hızlandırıcıların günlük örnekleri, televizyon setlerinde ve X-ışını jeneratörlerinde bulunan katot ışın tüpleridir. Bu düşük enerjili hızlandırıcılar, aralarında birkaç bin voltluk DC voltajı olan tek bir çift elektrot kullanır. Bir X-ışını jeneratöründe hedefin kendisi elektrotlardan biridir. Entegre devrelerin üretiminde iyon implanter adı verilen düşük enerjili bir parçacık hızlandırıcı kullanılır .
Daha düşük enerjilerde, hızlandırılmış çekirdek ışınları tıpta kanser tedavisi için parçacık tedavisi olarak da kullanılır.
Parçacıkları nükleer reaksiyonlara neden olmak için yeterli hızlara hızlandırabilen DC hızlandırıcı türleri , AC'yi yüksek voltajlı DC'ye dönüştüren Cockcroft-Walton jeneratörleri veya voltaj çoğaltıcıları veya kayışlarla taşınan statik elektriği kullanan Van de Graaff jeneratörleridir .
Tıbbi cihazların radyasyon sterilizasyonu
Elektron ışını işleme , sterilizasyon için yaygın olarak kullanılır. Elektron ışınları , kobalt-60 ( 60 Co) veya sezyum-137 ( 137 Cs) gibi radyoizotoplar tarafından yayılan gama veya X ışınlarından çok daha yüksek doz hızı sağlayan bir açma-kapama teknolojisidir . Daha yüksek doz oranı nedeniyle, daha az maruz kalma süresi gerekir ve polimer bozunması azalır. Elektronlar yük taşıdıkları için elektron ışınları hem gama hem de X ışınlarından daha az nüfuz eder.
Elektrostatik parçacık hızlandırıcıları
Tarihsel olarak, ilk hızlandırıcılar, yüklü parçacıkları hızlandırmak için tek bir statik yüksek voltajın basit teknolojisini kullandılar. Yüklü parçacık, her iki ucunda bir elektrot bulunan, üzerinde statik potansiyel bulunan, boşaltılmış bir tüp içinden hızlandırıldı. Parçacık potansiyel farktan yalnızca bir kez geçtiğinden, çıkış enerjisi makinenin hızlanan voltajıyla sınırlıydı. Elektrostatik hızlandırıcıların diğer tüm tiplerden çok daha fazla sayıda olmasıyla bu yöntem günümüzde hala son derece popüler olsa da, hava yalıtımlı makineler için yaklaşık 1 MV veya hızlandırıcı olduğunda 30 MV'lik pratik voltaj sınırı nedeniyle daha düşük enerji çalışmaları için daha uygundurlar. kükürt heksaflorür gibi yüksek dielektrik dayanımlı bir basınçlı gaz tankında çalıştırılır . Tandem hızlandırıcıda potansiyel, parçacıkların terminalin içindeyken yüklerini tersine çevirerek parçacıkları hızlandırmak için iki kez kullanılır . Bu, atom çekirdeğinin anyonlar (negatif yüklü iyonlar ) kullanılarak hızlandırılması ve daha sonra yüksek voltaj terminali içindeki anyonlardan elektronları soymak için ışını ince bir folyodan geçirerek onları katyonlara (pozitif yüklü iyonlar) dönüştürmekle mümkündür. terminalden ayrılırken tekrar hızlanır.
Elektrostatik hızlandırıcının iki ana türü, yüksek voltaj üretmek için bir diyot-kapasitör voltaj çarpanı kullanan Cockcroft-Walton hızlandırıcısı ve yükü yüksek voltajlı elektrota taşımak için hareketli bir kumaş kayış kullanan Van de Graaff hızlandırıcısıdır . Elektrostatik hızlandırıcılar parçacıkları düz bir çizgi boyunca hızlandırsa da, doğrusal hızlandırıcı terimi daha çok statik elektrik alanlarından ziyade salınımlı hızlandırıcılar için kullanılır.
Elektrodinamik (elektromanyetik) parçacık hızlandırıcılar
Elektrik deşarjının getirdiği yüksek voltaj tavanı nedeniyle parçacıkları daha yüksek enerjilere hızlandırmak için statik alanlardan ziyade dinamik alanları içeren teknikler kullanılır. Elektrodinamik ivme, iki mekanizmadan herhangi birinden kaynaklanabilir: rezonanssız manyetik indüksiyon veya salınan RF alanları tarafından uyarılan rezonans devreleri veya boşluklar . Elektrodinamik hızlandırıcılar, parçacıkların düz bir çizgide hızlandığı doğrusal veya parçacıkları kabaca dairesel bir yörüngede bükmek için manyetik alanlar kullanan dairesel olabilir.
Manyetik indüksiyon hızlandırıcılar
Manyetik indüksiyon hızlandırıcıları, partiküller bir transformatördeki ikincil sargılarmış gibi, artan bir manyetik alandan indüksiyon yoluyla partikülleri hızlandırır. Artan manyetik alan, parçacıkları hızlandırmak için yapılandırılabilen bir dolaşan elektrik alanı yaratır. İndüksiyon hızlandırıcıları doğrusal veya dairesel olabilir.
Lineer indüksiyon hızlandırıcılar
Lineer indüksiyon hızlandırıcıları, ferrit yüklü, rezonanssız indüksiyon boşluklarını kullanır. Her bir boşluk, bir dış silindirik boru ile birbirine bağlanan iki büyük pul şeklindeki disk olarak düşünülebilir. Diskler arasında bir ferrit toroid bulunur. İki disk arasına uygulanan bir voltaj darbesi, gücü yüklü parçacık ışınına endüktif olarak bağlayan artan bir manyetik alana neden olur.
Lineer indüksiyon hızlandırıcı, 1960'larda Christofilos tarafından icat edildi. Lineer indüksiyon hızlandırıcıları, tek bir kısa darbede çok yüksek ışın akımlarını (>1000 A) hızlandırabilir. Flaş radyografi için X-ışınları üretmek için kullanılmışlardır (örneğin LANL'de DARHT ) ve manyetik hapsetme füzyonu için parçacık enjektörleri ve serbest elektron lazerleri için sürücüler olarak kabul edilmiştir .
betatronlar
Betatron , 1940 yılında Donald Kerst tarafından elektronları hızlandırmak için icat edilen dairesel bir manyetik indüksiyon hızlandırıcıdır . Konsept, nihayetinde Norveçli-Alman bilim adamı Rolf Widerøe'den geliyor . Bu makineler, senkrotronlar gibi, döngüsel olarak artan bir B alanına sahip halka şeklinde bir halka mıknatıs (aşağıya bakınız) kullanır, ancak parçacıkları, bir transformatördeki ikincil sargılarmış gibi artan manyetik alandan endüksiyonla hızlandırır. yörünge boyunca değişen manyetik akı.
Uygun hızlanan elektrik alanını sağlarken sabit yörünge yarıçapına ulaşmak, yörüngeyi birbirine bağlayan manyetik akının yörünge üzerindeki manyetik alandan bir şekilde bağımsız olmasını ve parçacıkları sabit bir yarıçap eğrisine bükmesini gerektirir. Bu makineler pratikte, nispeten küçük bir yarıçaplı yörüngede neredeyse ışık hızında hareket eden elektronların maruz kaldığı büyük ışınım kayıpları ile sınırlandırılmıştır.
Doğrusal hızlandırıcılar
Doğrusal bir parçacık hızlandırıcıda (linac), parçacıklar bir ucunda ilgili bir hedef olan düz bir çizgide hızlandırılır. Genellikle dairesel hızlandırıcılara enjekte edilmeden önce parçacıklara düşük enerjili bir vuruş sağlamak için kullanılırlar. Dünyadaki en uzun linac , 3 km (1,9 mil) uzunluğundaki Stanford Lineer Hızlandırıcı , SLAC'dir. SLAC başlangıçta bir elektron - pozitron çarpıştırıcısıydı, ancak şimdi bir X-ışını Serbest elektron lazeridir .
Doğrusal yüksek enerjili hızlandırıcılar, alternatif bir yüksek enerji alanının uygulandığı doğrusal bir plaka dizisi (veya sürüklenme tüpleri) kullanır. Parçacıklar bir plakaya yaklaştıkça, plakaya uygulanan zıt polarite yükü ile ona doğru hızlanırlar. Plakadaki bir delikten geçerken, polarite değiştirilir, böylece plaka şimdi onları iter ve şimdi onun tarafından bir sonraki plakaya doğru hızlandırılır. Normalde bir parçacık "demetleri" akışı hızlandırılır, bu nedenle bu işlemi her demet için sürekli olarak tekrarlamak için her plakaya dikkatlice kontrol edilen bir AC voltajı uygulanır.
Parçacıklar ışık hızına yaklaştıkça, elektrik alanlarının anahtarlama hızı o kadar yüksek olur ki, radyo frekanslarında çalışırlar ve bu nedenle , basit plakalar yerine daha yüksek enerjili makinelerde mikrodalga boşlukları kullanılır.
Lineer hızlandırıcılar tıpta radyoterapi ve radyocerrahi için de yaygın olarak kullanılmaktadır . Tıbbi sınıf linaclar, bir klistron ve 6-30 MeV enerjili bir ışın üreten karmaşık bir bükülen mıknatıs düzenlemesi kullanarak elektronları hızlandırır . Elektronlar doğrudan kullanılabilir veya bir hedefle çarpışarak bir X-ışınları demeti üretilebilir . Üretilen radyasyon ışınının güvenilirliği, esnekliği ve doğruluğu, bir tedavi aracı olarak kobalt-60 tedavisinin eski kullanımının yerini büyük ölçüde almıştır.
Dairesel veya döngüsel RF hızlandırıcıları
Dairesel hızlandırıcıda parçacıklar, yeterli enerjiye ulaşana kadar bir daire içinde hareket eder. Parçacık izi tipik olarak elektromıknatıslar kullanılarak bir daire şeklinde bükülür . Dairesel hızlandırıcıların lineer hızlandırıcılara ( linacs ) göre avantajı, parçacık süresiz olarak geçiş yapabileceğinden halka topolojisinin sürekli hızlanmaya izin vermesidir. Diğer bir avantaj, dairesel bir hızlandırıcının, karşılaştırılabilir güce sahip doğrusal bir hızlandırıcıdan daha küçük olmasıdır (yani, bir dairesel hızlandırıcının eşdeğer gücüne sahip olması için bir linacın çok uzun olması gerekir).
Enerjiye ve hızlanan parçacığa bağlı olarak, dairesel hızlandırıcılar, parçacıkların senkrotron radyasyonu yayması gibi bir dezavantaja sahiptir . Herhangi bir yüklü parçacık hızlandırıldığında, elektromanyetik radyasyon ve ikincil emisyonlar yayar . Bir daire içinde hareket eden bir parçacık daima dairenin merkezine doğru ivmelendiğinden, sürekli olarak dairenin tanjantına doğru ışıma yapar. Bu radyasyona senkrotron ışığı denir ve büyük ölçüde hızlanan parçacığın kütlesine bağlıdır. Bu nedenle birçok yüksek enerjili elektron hızlandırıcısı lineerdir. Ancak bazı hızlandırıcılar ( senkrotronlar ) özellikle senkrotron ışığı ( X-ışınları ) üretmek için üretilmiştir.
Özel görelilik teorisi, maddenin boşlukta her zaman ışık hızından daha yavaş hareket etmesini gerektirdiğinden, yüksek enerjili hızlandırıcılarda, enerji arttıkça parçacık hızı ışık hızına bir sınır olarak yaklaşır, ancak asla ulaşamaz. Bu nedenle, parçacık fizikçileri genellikle hız açısından değil, daha çok elektron volt (eV) olarak ölçülen bir parçacığın enerjisi veya momentumu açısından düşünürler. Dairesel hızlandırıcılar ve genel olarak parçacık ışınları için önemli bir ilke, parçacık yörüngesinin eğriliğinin parçacık yükü ve manyetik alanla orantılı, ancak (tipik olarak göreli ) momentumla ters orantılı olmasıdır .
siklotronlar
İlk operasyonel dairesel hızlandırıcılar, 1929'da Berkeley'deki California Üniversitesi'nde Ernest Lawrence tarafından icat edilen siklotronlardı . Siklotronlar, parçacıkları hızlandırmak için tek bir çift içi boş "D" şekilli plakaya ve yollarını dairesel bir yörüngeye bükmek için tek bir büyük dipol mıknatısa sahiptir. Düzgün ve sabit bir B manyetik alanındaki yüklü parçacıkların karakteristik bir özelliği, hızları ışık hızına göre küçük olduğu sürece , siklotron frekansı adı verilen bir frekansta sabit bir periyotla yörüngede dönmeleridir c . Bu, bir siklotronun hızlanan D'lerinin, ışın sürekli olarak dışa doğru spiraller çizerken, bir radyo frekansı (RF) hızlandırıcı güç kaynağı tarafından sabit bir frekansta sürülebileceği anlamına gelir. Parçacıklar mıknatısın merkezine enjekte edilir ve maksimum enerjilerinde dış kenardan çıkarılır.
Siklotronlar, parçacıkların etkin bir şekilde daha büyük hale geldiği göreli etkiler nedeniyle bir enerji sınırına ulaşır , böylece siklotron frekansları hızlanan RF ile senkronize olmaktan çıkar. Bu nedenle, basit siklotronlar protonları yalnızca yaklaşık 15 milyon elektron voltluk bir enerjiye kadar hızlandırabilir (15 MeV, kabaca c'nin %10'luk bir hıza karşılık gelir ), çünkü protonlar tahrik eden elektrik alanı ile faz dışına çıkar. Eğer daha fazla hızlandırılırsa, ışın daha büyük bir yarıçapa doğru spiral oluşturmaya devam edecek, ancak parçacıklar, hızlanan RF ile adım adım daha büyük daireyi tamamlamak için artık yeterli hız kazanamayacaktı. Göreceli etkilere uyum sağlamak için manyetik alanın eş zamanlı siklotronlarda olduğu gibi daha yüksek yarıçaplara yükseltilmesi gerekir . Eşzamanlı bir siklotronun bir örneği, ışık hızının kabaca %80'ine karşılık gelen 590 MeV enerjide proton sağlayan İsviçre'deki PSI Halkalı siklotrondur . Böyle bir siklotronun avantajı, şu anda 2,2 mA olan, elde edilebilir maksimum çıkarılan proton akımıdır. Enerji ve akım, şu anda mevcut olan herhangi bir hızlandırıcının en yükseği olan 1.3 MW ışın gücüne karşılık gelir.
Senkrosiklotronlar ve eşzamanlı siklotronlar
Klasik bir siklotron, enerji limitini artırmak için değiştirilebilir. Tarihsel olarak ilk yaklaşım, parçacıkları demetler halinde hızlandıran senkrosiklotrondu . Sabit bir manyetik alan kullanır , ancak hızlanan alanın frekansını azaltır, böylece parçacıklar dışa doğru sarmal olarak adım adım tutmak için kütleye bağlı siklotron rezonans frekanslarına uyar. Bu yaklaşım, demetleme nedeniyle düşük ortalama ışın yoğunluğundan ve yine yüksek enerji tarafından talep edilen daha büyük yörünge üzerinde büyük yarıçaplı ve sabit alanlı büyük bir mıknatıs ihtiyacından muzdariptir.
Göreceli parçacıkları hızlandırma sorununa ikinci yaklaşım, eşzamanlı siklotrondur . Böyle bir yapıda, ivmelenen alanın frekansı (ve siklotron rezonans frekansı), manyetik alanı yarıçapla artıracak şekilde mıknatıs kutupları şekillendirilerek tüm enerjiler için sabit tutulur. Böylece tüm parçacıklar eş zamanlı zaman aralıklarında hızlanır. Daha yüksek enerjili parçacıklar, her yörüngede klasik bir siklotronda olduğundan daha kısa bir mesafe katederler, böylece hızlanan alanla aynı fazda kalırlar. Eşzamanlı siklotronun avantajı, bazı uygulamalar için yararlı olan, daha yüksek ortalama yoğunlukta sürekli ışınlar sunabilmesidir. Ana dezavantajlar, ihtiyaç duyulan büyük mıknatısın boyutu ve maliyeti ve yapının dış kenarında gereken yüksek manyetik alan değerlerine ulaşılmasındaki zorluktur.
Eşzamanlı siklotron geliştirildiğinden beri senkrosiklotronlar inşa edilmedi.
senkrotronlar
Relativistik kütlenin parçacıkların geri kalan kütlesine (protonlar, milyarlarca elektron volt veya GeV için) yaklaşan veya aşan daha yüksek enerjilere ulaşmak için bir senkrotron kullanmak gerekir . Bu, parçacıkların sabit yarıçaplı bir halkada hızlandırıldığı bir hızlandırıcıdır. Siklotronlara göre ani bir avantaj, manyetik alanın yalnızca halkanınkinden çok daha dar olan parçacık yörüngelerinin gerçek bölgesinde bulunmasının gerekmesidir. (ABD'de inşa edilen en büyük siklotronun 184 inç çapında (4,7 m) bir mıknatıs kutbu vardı, oysa LEP ve LHC gibi senkrotronların çapı yaklaşık 10 km'dir. LHC'nin iki ışınının açıklığı, bir santimetre mertebesindedir.) LHC, 16 RF boşluğu, ışın yönlendirme için 1232 süper iletken dipol mıknatıs ve ışın odaklama için 24 dört kutuplu içerir. Bu boyutta bile, LHC, parçacıkları sürüklenmeden yönlendirme yeteneği ile sınırlıdır. Bu limitin 14TeV'de gerçekleştiği teorik olarak verilmiştir.
Bununla birlikte, hızlanma sırasında parçacık momentumu arttığından, yörüngenin sabit eğriliğini korumak için B manyetik alanını orantılı olarak artırmak gerekir. Sonuç olarak, senkrotronlar, siklotronların yapabildiği gibi parçacıkları sürekli olarak hızlandıramazlar, ancak döngüsel olarak çalışmalı, demetler halinde bir hedefe veya ışındaki bir dış ışına tipik olarak birkaç saniyede bir "dökülen" gönderilen parçacıkları beslerler.
Yüksek enerjili senkrotronlar, çalışmalarının çoğunu zaten ışık hızına yakın c hızında hareket eden parçacıklar üzerinde yaptıklarından , ivmeyi sağlamak için kullanılan RF boşluklu rezonatörlerin frekansı gibi, halkanın bir yörüngesini tamamlama süresi de hemen hemen sabittir. .
Modern senkrotronlarda, ışın açıklığı küçüktür ve manyetik alan, bir siklotronda olduğu gibi parçacık yörüngesinin tüm alanını kapsamaz, bu nedenle birkaç gerekli işlev ayrılabilir. Büyük bir mıknatıs yerine, vakum bağlantı borularını çevreleyen (veya çevreleyen) yüzlerce bükülen mıknatıstan oluşan bir hat vardır. Senkrotronların tasarımı, 1950'lerin başında güçlü odaklama konseptinin keşfiyle devrim yarattı. Işının odaklanması, özel dört kutuplu mıknatıslar tarafından bağımsız olarak ele alınırken, hızlanmanın kendisi, kısa doğrusal hızlandırıcılara oldukça benzer şekilde ayrı RF bölümlerinde gerçekleştirilir. Ayrıca, döngüsel makinelerin dairesel olması gerekliliği yoktur, bunun yerine kiriş borusunun mıknatıslar arasında kirişlerin çarpışabileceği, soğuyabileceği vb. düz bölümleri olabilir. Bu, "ışın fiziği" veya "kiriş" adı verilen tamamen ayrı bir konuya dönüşmüştür. optik".
Tevatron, LEP ve LHC gibi daha karmaşık modern senkrotronlar , parçacık demetlerini, deney veya daha fazla hızlanma için uzun süreler boyunca yörüngeye devam edebilecekleri sabit bir manyetik alana sahip mıknatısların depolama halkalarına iletebilir. Tevatron ve LHC gibi en yüksek enerjili makineler aslında hızlandırıcı kompleksleridir; ilk hüzme oluşturma için lineer hızlandırıcılar, ara enerjiye ulaşmak için bir veya daha fazla düşük enerjili senkrotron, kirişlerin olabileceği depolama halkaları dahil olmak üzere seri halinde özel elemanlardan oluşan bir kaskad ile hızlandırıcı komplekslerdir. birikmiş veya "soğutulmuş" (gerekli mıknatıs açıklığını azaltmak ve daha sıkı odaklanmaya izin vermek; bkz. ışın soğutması ) ve son hızlanma ve deney için son bir büyük halka.
elektron senkrotronları
Dairesel elektron hızlandırıcıları, SLAC'ın lineer parçacık hızlandırıcısının yapıldığı zamanlarda parçacık fiziğinin gözünden düştü , çünkü bunların senkrotron kayıpları ekonomik olarak engelleyici olarak kabul edildi ve ışın yoğunlukları darbesiz lineer makinelere göre daha düşüktü. 1970'lerin sonlarında düşük maliyetle inşa edilen Cornell Electron Synchrotron, temel parçacık fiziği için inşa edilmiş bir dizi yüksek enerjili dairesel elektron hızlandırıcısının ilkiydi, sonuncusu 1989'dan 2000'e kadar kullanılan CERN'de inşa edilen LEP idi.
Son yirmi yılda, ultraviyole ışık ve X ışınları yayan senkrotron ışık kaynaklarının bir parçası olarak çok sayıda elektron senkrotronu inşa edilmiştir ; aşağıya bakınız.
Depolama halkaları
Bazı uygulamalar için, daha fazla hızlanma olmadan bir süre (modern yüksek vakum teknolojisiyle, saatlerce kadar) yüksek enerjili parçacık demetlerini depolamak yararlıdır. Bu, özellikle , etkili çarpışma enerjisinde büyük bir kazanç ile, zıt yönlerde hareket eden iki ışının birbiriyle çarpışmak üzere yapıldığı çarpışan ışın hızlandırıcıları için geçerlidir . İki ışının kesişme noktasından her geçişte nispeten az çarpışma meydana geldiğinden, önce ışınları istenen enerjiye hızlandırmak ve daha sonra bunları önemli bir RF içermeyen, esasen mıknatısların senkrotron halkaları olan depolama halkalarında depolamak gelenekseldir. hızlanma için güç.
Sinkrotron radyasyon kaynakları
Bazı dairesel hızlandırıcılar , örneğin İngiltere'deki Rutherford Appleton Laboratuvarı'nda inşa edilen Elmas Işık Kaynağı veya Argonne Ulusal Laboratuvarı'ndaki Gelişmiş Foton Kaynağı gibi, senkrotron radyasyonu olarak da adlandırılan X-ışınları olarak kasıtlı olarak radyasyon ( senkrotron ışığı olarak adlandırılır) üretmek için inşa edilmiştir. Illinois , ABD'de . Yüksek enerjili X-ışınları, örneğin proteinlerin X-ışını spektroskopisi veya X-ışını absorpsiyon ince yapısı (XAFS) için yararlıdır.
Sinkrotron radyasyonu, daha hafif parçacıklar tarafından daha güçlü bir şekilde yayılır, bu nedenle bu hızlandırıcılar her zaman elektron hızlandırıcılardır. Synchrotron radyasyonu, SLAC'ın SPEAR'ında araştırıldığı ve geliştirildiği gibi daha iyi görüntüleme sağlar .
Sabit Alan Alternatif Gradyan Hızlandırıcılar
Sabit Alanlı Alternatif Gradyan Hızlandırıcılar (FFA) lar , zamanla sabitlenmiş, ancak güçlü odaklama elde etmek için radyal bir varyasyona sahip bir manyetik alan , ışının yüksek bir tekrarlama oranıyla ancak çok daha küçük bir radyal yayılımla hızlandırılmasına izin verir. siklotron durumunda olduğundan daha fazla. Eşzamanlı siklotronlar gibi eş zamanlı FFA'lar, yörüngelerin tüm yarıçapını kaplayan büyük bir dipol bükme mıknatısına ihtiyaç duymadan sürekli ışın işlemi gerçekleştirir. FFA'lardaki bazı yeni gelişmeler burada ele alınmaktadır.
Tarih
Ernest Lawrence'ın ilk siklotronu sadece 4 inç (100 mm) çapındaydı. Daha sonra, 1939'da, 60 inç çapında kutup yüzü olan bir makine yaptı ve 1942'de 184 inç çapında bir makine planladı, ancak bu makine, uranyum izotop ayrımı ile bağlantılı II. Dünya Savaşı ile ilgili işler için devralındı ; savaştan sonra uzun yıllar araştırma ve tıp için hizmet vermeye devam etti.
İlk büyük proton senkrotronu , Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki Cosmotron'du ve protonları yaklaşık 3 GeV'ye hızlandırdı (1953–1968). 1954'te tamamlanan Berkeley'deki Bevatron , protonları antiprotonlar oluşturmak için yeterli enerjiye hızlandırmak ve doğanın parçacık-antiparçacık simetrisini doğrulamak için özel olarak tasarlandı , daha sonra sadece teorileştirildi. Brookhaven'daki (1960–) Alternating Gradient Synchrotron (AGS), alternatif gradyan, " güçlü odaklama " mıknatısları olan ve ışının gerekli açıklığını ve buna bağlı olarak bükülen mıknatısların boyutunu ve maliyetini büyük ölçüde azaltan ilk büyük senkrotrondu . CERN'de (1959–) inşa edilen Proton Synchrotron , Avrupa'nın ilk büyük parçacık hızlandırıcısıydı ve genellikle AGS'ye benziyordu.
Stanford Lineer Hızlandırıcı , SLAC, 1966'da faaliyete geçti ve elektronları 3 km uzunluğunda bir dalga kılavuzunda 30 GeV'ye hızlandırdı, bir tünele gömüldü ve yüzlerce büyük klistron tarafından desteklendi . Halen var olan en büyük lineer hızlandırıcıdır ve depolama halkalarının ve bir elektron-pozitron çarpıştırıcı tesisinin eklenmesiyle yükseltilmiştir. Aynı zamanda bir X-ışını ve UV senkrotron foton kaynağıdır.
Fermilab Tevatron , 4 mil (6,4 km) ışın yoluna sahip bir halkaya sahiptir. Birkaç yükseltme aldı ve 30 Eylül 2011'deki bütçe kesintileri nedeniyle kapatılana kadar bir proton-antiproton çarpıştırıcısı olarak işlev gördü. Şimdiye kadar yapılmış en büyük dairesel hızlandırıcı , CERN'deki 26.6 kilometrelik bir çevre ile LEP senkrotronuydu . bir elektron/ pozitron çarpıştırıcısı. 2000 yılında sökülmeden önce tünelin Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) için kullanılabilmesi için 209 GeV enerji elde etti. LHC bir proton çarpıştırıcısıdır ve şu anda dünyanın en büyük ve en yüksek enerjili hızlandırıcısıdır ve ışın başına 6,5 TeV enerji (toplamda 13 TeV) elde eder.
Teksas'ta durdurulan Süper İletken Süper Çarpıştırıcı (SSC) 87 km'lik bir çevreye sahip olacaktı. İnşaata 1991 yılında başlanmış, ancak 1993 yılında terk edilmiştir. Çok büyük dairesel hızlandırıcılar, yüzeyde böyle bir yapının inşa edilmesinin aksamasını ve maliyetini en aza indirmek ve meydana gelen yoğun ikincil radyasyonlara karşı koruma sağlamak için her zaman birkaç metre genişliğinde tünellere inşa edilir, yüksek enerjilerde son derece nüfuz edici olan.
Spallation Neutron Source gibi mevcut hızlandırıcılar , süper iletken kriyomodülleri içerir . Göreceli Ağır İyon Çarpıştırıcısı ve Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ayrıca parçacıkları hızlandırmak için süper iletken mıknatıslar ve RF boşluk rezonatörlerinden yararlanır.
Hedefler
Bir parçacık hızlandırıcının çıktısı, genellikle, sapan bir elektromıknatıs aracılığıyla, belirli bir zamanda bir tane olmak üzere birden fazla deney hattına yönlendirilebilir . Bu, bir şeyleri hareket ettirmeye veya tüm hızlandırıcı ışını kapatmaya gerek kalmadan birden fazla deney yapmayı mümkün kılar. Senkrotron radyasyon kaynakları dışında, bir hızlandırıcının amacı, madde ile etkileşim için yüksek enerjili parçacıklar üretmektir.
Bu genellikle bir televizyon tüpü durumunda ekranın arkasındaki fosfor kaplama gibi sabit bir hedeftir ; nötron kaynağı olarak tasarlanmış bir hızlandırıcıda bir parça uranyum ; veya bir X-ışını jeneratörü için bir tungsten hedefi. Bir linacta hedef, hızlandırıcının ucuna basitçe takılır. Bir siklotrondaki parçacık izi, dairesel makinenin merkezinden dışarı doğru bir spiraldir, bu nedenle hızlandırılmış parçacıklar, doğrusal bir hızlandırıcıda olduğu gibi sabit bir noktadan ortaya çıkar.
Senkrotronlar için durum daha karmaşıktır. Parçacıklar istenen enerjiye hızlandırılır. Ardından, parçacıkları dairesel senkrotron tüpünden hedefe doğru değiştirmek için hızlı hareket eden bir dipol mıknatıs kullanılır.
Parçacık fiziği araştırmaları için yaygın olarak kullanılan bir varyasyon , depolama halkası çarpıştırıcısı olarak da adlandırılan bir çarpıştırıcıdır . İki dairesel senkrotron, genellikle birbirinin üzerine ve aynı mıknatısları kullanarak (daha sonra her iki ışın tüpünü barındırmak için daha karmaşık bir tasarıma sahip olan) çok yakın bir yerde inşa edilmiştir. Parçacık demetleri, iki hızlandırıcı etrafında zıt yönlerde hareket eder ve aralarındaki kesişme noktalarında çarpışır. Bu, enerjiyi büyük ölçüde artırabilir; Sabit hedefli bir deneyde, yeni parçacıklar üretmek için mevcut olan enerji, ışın enerjisinin karekökü ile orantılıyken, çarpıştırıcıda mevcut enerji doğrusaldır.
dedektörler
Daha yüksek enerjiler
Şu anda en yüksek enerjili hızlandırıcıların tümü dairesel çarpıştırıcılardır, ancak hem hadron hızlandırıcıları hem de elektron hızlandırıcıları sınırlar içindedir. Daha yüksek enerjili hadron ve iyon döngüsel hızlandırıcılar, artan ışın sertliği nedeniyle daha büyük fiziksel boyutta hızlandırıcı tünelleri gerektirecektir .
Döngüsel elektron hızlandırıcılar için, senkrotron radyasyon kayıpları tarafından pratik bükülme yarıçapına bir sınır konur ve gelecek nesil muhtemelen mevcut uzunluğun 10 katı doğrusal hızlandırıcılar olacaktır. Böyle bir yeni nesil elektron hızlandırıcının bir örneği, önerilen 40 km uzunluğundaki Uluslararası Doğrusal Çarpıştırıcıdır .
Elektron ışını "art yakıcılar" ve bağımsız lazer pulsörleri biçimindeki plazma uyanıklık alanı ivmesinin, yirmi ila otuz yıl içinde RF hızlandırıcılara göre verimlilikte çarpıcı artışlar sağlayabileceğine inanılmaktadır . Plazma uyandırma alanı hızlandırıcılarında, ışın boşluğu (vakum yerine) bir plazma ile doldurulur. Kısa bir elektron darbesi veya lazer ışığı, hızlandırılan parçacıkları oluşturur veya hemen ondan önce gelir. Darbe plazmayı bozar ve plazmadaki yüklü parçacıkların hızlandırılmakta olan parçacık demetine entegre olmasına ve arkasına doğru hareket etmesine neden olur. Bu süreç, enerjiyi parçacık demetine aktararak onu daha da hızlandırır ve darbe tutarlı olduğu sürece devam eder.
200 GeV/m kadar dik enerji gradyanları, lazer pulsörler kullanılarak milimetre ölçeğindeki mesafelerde elde edilmiştir ve 1 GeV/m'ye yaklaşan gradyanlar, elektron ışını sistemleriyle çok santimetrelik ölçekte, yaklaşık bir sınırın aksine üretilmektedir. Yalnızca radyo frekansı ivmesi için 0,1 GeV/m. SLAC gibi mevcut elektron hızlandırıcıları , ışın yoğunluğu pahasına parçacık ışınlarının enerjisini büyük ölçüde artırmak için elektron ışını art yakıcılarını kullanabilir. Elektron sistemleri genel olarak sıkı bir şekilde ayarlanmış, güvenilir ışınlar sağlayabilir; lazer sistemleri daha fazla güç ve kompaktlık sunabilir. Bu nedenle, teknik sorunlar çözülebilirse, plazma uyanıklık hızlandırıcıları hem en büyük hızlandırıcıların maksimum enerjisini artırmak hem de üniversite laboratuvarlarına ve tıp merkezlerine yüksek enerji getirmek için kullanılabilir.
0.25 GeV/m'den daha yüksek gradyanlar, kompakt yüksek enerjili hızlandırıcılar oluşturmak için başka bir uygun yaklaşım sunabilen bir dielektrik lazer hızlandırıcı tarafından elde edilmiştir. Femtosaniye süreli lazer darbeleri kullanılarak, dielektrik lazer hızlandırıcıları için 0.69 Gev/m elektron hızlandırma gradyanı kaydedildi. Daha fazla optimizasyondan sonra 1 ila 6 GeV/m mertebesinde daha yüksek gradyanlar bekleniyor.
Kara delik üretimi ve kamu güvenliği endişeleri
Gelecekte, süper sicim teorisinin belirli tahminleri doğruysa, en yüksek enerji hızlandırıcılarında bir kara delik üretimi olasılığı ortaya çıkabilir . Bu ve diğer olasılıklar, 2008 yılında faaliyete geçen LHC ile bağlantılı olarak geniş çapta rapor edilen kamu güvenliği endişelerine yol açmıştır . Çeşitli olası tehlikeli senaryolar, tarafından üretilen en son risk değerlendirmesinde "akıl almaz tehlike" olarak değerlendirilmiştir. LHC Güvenlik Değerlendirme Grubu. Kara delikler üretilirse, bu tür küçük kara deliklerin Bekenstein-Hawking radyasyonu yoluyla son derece hızlı bir şekilde buharlaşması gerektiği teorik olarak tahmin edilir , ancak bu henüz deneysel olarak doğrulanmamıştır. Çarpıştırıcılar kara delikler üretebiliyorsa, kozmik ışınlar (ve özellikle ultra yüksek enerjili kozmik ışınlar , UHECR'ler) onları çok uzun zamandır üretiyor olmalı, ancak henüz kimseye zarar vermediler. Enerji ve momentumu korumak için, bir UHECR ile yerel madde arasındaki bir çarpışmada yaratılan herhangi bir karadeliğin, Dünya'ya göre göreli hızda hareket ederek üretileceği ve yığılma ve büyüme hızları nedeniyle uzaya kaçmaları gerektiği iddia edildi. çok yavaş olmalı, çarpıştırıcılarda (eşit kütleli bileşenlere sahip) üretilen kara delikler, saniyede 11,2 km olan Dünya'dan kaçış hızından daha düşük bir hıza sahip olma şansına sahip olacak ve yakalama ve ardından büyümeye yatkın olacaktır. Yine de bu tür senaryolarda bile UHECR'lerin beyaz cüceler ve nötron yıldızları ile çarpışması onların hızla yok olmasına yol açacaktır, ancak bu cisimlerin yaygın astronomik nesneler olduğu gözlemlenmektedir. Bu nedenle, eğer kararlı mikro kara delikler üretilecekse, güneş sisteminin doğal ömrü içinde herhangi bir gözle görülür makroskopik etkiye neden olmak için çok yavaş büyümeleri gerekir.
hızlandırıcı operatörü
Süperiletkenlik, kriyojenik ve yüksek güçlü radyofrekans amplifikatörleri gibi ileri teknolojilerin kullanımı ve iyonlaştırıcı radyasyonun varlığı, hızlandırıcı tesislerinin güvenli çalışması için zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Bir hızlandırıcı operatörü , bir parçacık hızlandırıcının çalışmasını kontrol eder, en boy oranı , akım yoğunluğu ve hedef üzerindeki konum gibi çalışma parametrelerini ayarlar . Vakum , mıknatıslar , manyetik ve radyo frekansı güç kaynakları ve kontrolleri ve soğutma sistemleri gibi destek sistemlerinin hazır olmasını sağlamak için hızlandırıcı bakım personeli ile iletişim kurar ve yardımcı olurlar . Ek olarak, hızlandırıcı operatörü, hızlandırıcıyla ilgili olayların bir kaydını tutar.
Ayrıca bakınız
- hızlandırıcı fiziği
- Atom parçalayıcı (anlam ayrım)
- Kompakt Lineer Çarpıştırıcı
- Dielektrik duvar hızlandırıcı
- Geleceğin Dairesel Çarpıştırıcısı
- Uluslararası Lineer Çarpıştırıcı
- KALİ
- Doğrusal parçacık hızlandırıcı
- Parçacık fiziğinde hızlandırıcıların listesi
- momentum sıkıştırma
- nükleer dönüşüm
- Rolf Widerøe
- Süperiletken Süper Çarpıştırıcı
Referanslar
Dış bağlantılar
- Parçacık hızlandırıcılar ne için kullanılır?
- Stanley Humphries (1999) Yüklü Parçacık İvmesinin İlkeleri
- Dünya çapında Parçacık Hızlandırıcılar
- Wolfgang KH Panofsky: Parçacık Hızlandırıcıların ve Çarpıştırıcıların Evrimi , ( PDF ), Stanford, 1997
- PJ Bryant, Hızlandırıcıların Kısa Tarihi ve İncelemesi (PDF), CERN , 1994.
- Heilbron, JL ; Robert W. Seidel (1989).Lawrence ve Laboratuvarı: Lawrence Berkeley Laboratuvarı Tarihi. Berkeley: Kaliforniya Üniversitesi Yayınları . ISBN'si 978-0-520-06426-3.
- David Kestenbaum, Devasa Parçacık Hızlandırıcı NPR'nin Sabah Sürümü makalesini 9 Nisan 2007'de canlandırıyor
- Ragnar Hellborg, ed. (2005). Elektrostatik Hızlandırıcılar: Temeller ve Uygulamalar . Springer. ISBN'si 978-3-540-23983-3.
- Alsos Digital Library for Nuclear Issues'dan parçacık hızlandırıcılar için açıklamalı kaynakça 2010-10-07'de Wayback Machine'de arşivlendi
- Accelerators-for-Society.org , hızlandırıcıların Araştırma ve Geliştirme, enerji ve çevre, sağlık ve tıp, endüstri, malzeme karakterizasyonu için uygulamaları hakkında daha fazla bilgi edinmek için.