Acceleratorul de particuleSavu Maria Teodora

Definitie

• Un accelerator de particule este o instalație complexă folosită în domeniul fizicii de înaltă energie pentru a accelera particule elementare. Se accelerează în general doar particulele ce poartă sarcină electrică. Accelerarea are loc sub acțiunea unor câmpuri electrice și magnetice. Este utilizat la studiul particulelor elementare și al structurii nucleului atomic

Clasificare

Acceleratoarele se pot clasifica după:• forma traiectoriei descrise de particule: rectilinie

(acceleratoare liniare) sau curbilinie (ciclotronul);

• după caracterul câmpului electric accelerator: directe, de inducție, rezonante și cu undă progresivă;

• după domeniul de energii imprimate particulelor: relativiste, nerelativiste;

• după natura particulelor accelerate: electroni, protoni.

Scopul accelerării particulelor

• Sinteză (formare) de noi elemente cu ajutorul ionilor grei accelerați.

• Găsirea celei mai mici particule subatomice, particula care stă la baza Universului.

• Ciocnirea cu alte particule staționare; ciocnire care rezultă în descompunerea în alte particule, ele putând fi urmărite și analizate cu diverse aparate (exemplu: camera cu ceață). Prin această ciocnire s-au descoperit cele mai multe particule subatomice.

• Se accelerează particula la viteze tot mai mari pentru a se analiza comportamentul ei. Spre exemplu electronul accelerat își mărește masa.

• Obținerea unui flux extrem de ridicat de radiații X într-o instalație acceleratoare denumită sincrotron.

• Acceleratorul de particule este inventat pentru a vedea ce s-a întâmplat după primele secunde de la marea explozie cosmică Big-Bang.

Stabilitatea funcționării

Stabilitatea traiectorieiÎn acceleratoare trebuie asigurată stabilitatea traiectoriei, adică menținerea particulelor pe traiectorii care să nu prezinte abateri mari (limitate de construcția instalației) de la o traiectorie de echilibru (sau de referință). Aceasta se realizează fie automat, devierea de la această traiectorie având tendința de a se micșora, fie prin dispozitive speciale de focalizare, plasate de-a lungul traiectoriei particulelor (în cazul acceleratoarelor liniare rezonante sau cu undă progresivă); la acceleratoarele directe, stabilitatea traiectoriei se face prin focalizare electrostatică, iar la cele ciclice - prin focalizare electromagnetică (slabă sau intensă).

Stabilitatea funcționării

Stabilitatea de fazăPentru menținerea procesului de accelerare este necesară și stabilitatea de fază, adică satisfacerea unei condiții de sincronism. La acceleratoarele rezonante, aceasta este îndeplinită prin realizarea unei egalități între perioada tensiunii acceleratoare și intervalul de timp dintre două treceri succesive ale particulelor prin spațiul de accelerare, iar la acceleratoarele cu undă progresivă - prin realizarea unei egalități între viteza particulei (sincrone) și viteza de fază a undei.

Conform principiului autofazării, particulele trebuie să satisfacă, în medie, condiția de sincronism; sub o anumită limită, abaterile de fază nu le elimină din procesul de accelerare. Astfel, la acceleratoarele cu focalizare slabă, creșterea energiei conduce la creșterea perioadei de rotație a particulei.

Acceleratorul din laboratorul CERN

• Cel mai mare accelerator de particule se află în laboratorul CERN, între Franța și Elveția, marea parte aflându-se în Franța.

• Acest accelerator poate accelera atomi până la o viteză de 99,999999% din viteza luminii.

• Tunelurile unde sunt băgate particulele se întâlnesc în 4 puncte. În unele zone ale acestor tunele pot atinge temperatura de zero absolut (-273 °C)

• Oamenii de știință vor ca prin unirea celor 2 particule să se genereze așa-zisa "particula Dumnezeu"

• Acceleratorul de particule din laboratorul CERN este situat la câteva zeci de metri sub pământ întins pe o distanță de 25km, și au lucrat la el peste 7000 de savanți și fizicieni.

Mașinile de energie mică

Acceleratoare de energii mici folosesc o singură pereche de electrozi ce generează o tensiune de câteva mii de volți. Într-un generator de raze X, sarcina însăși este cea a electrozilor. Un accelerator de particule numit implementator de ioni este folosit în fabricarea circuitelor integrate.

Mașinile de energie mare

Acceleratorul DC este capabil de a accelera particule la viteze suficiente pentru a cauza reacții nucleare, cum ar fi generatorul Cockcroft-Walton sau multiplicatorul de voltaj, care transformă curentul alternativ în curent continuu, sau generatorul Van de Graaff care folosește electricitatea statică.

Cele mai mari și puternice acceleratoare, cum ar fi RHIC, Large Hadron Collider (LHC) și tevatronul sunt folosite în fizica particulelor.

Acceleratoarele de particule produc, de asemenea, raze de protoni, care pot produce izotopi medicali sau de cercetare bogați în protoni, în contradicție cu cele bogate în neutroni făcuți în reactoarele de fisiune. Totuși, cercetarea recentă a arătat cum se fac 99Mo, de obicei, făcuți în reactoare, prin izotopi accelerați ai hidrogenului, chiar dacă această metodă are încă nevoie de un reactor pentru a produce tritium. Un exemplu al acestui tip de mașinărie este LANSCE din Los Alamos.

Acceleratoarele electrostatice de particuleIstoric vorbind, primele acceleratoare foloseau tehnologia simplă a unui singur mare voltaj (potențial) static pentru a accelera particule încărcate. În timp ce această metodă este încă foarte populară în zilele de astăzi, numărul acceleratoarelor electrostatice depășind cu mult orice altă clasă, ele sunt îndreptate către studiile cu energie mică până la limita de 30 MV (când acceleratorul este plasat într-un rezervor).

Această categorie nu trebuie să fie confundată cu acceleratoarele liniare, acest termen referindu-se la acceleratoarele care folosesc câmpuri electrice oscilante sau ghid de unde. Astfel, cele mai multe acceleratoare aranjate într-o linie dreaptă nu trebuie numite „acceleratoare liniare”.

Acceleratoare de câmpuri oscilante de particule

Datorita plafonului de mare voltaj impusă de descărcarea electrică, pentru a accelera particule spre energii mari, sunt utilizate tehnici care implică mai mult decât o singură sursă joasă, dar oscilantă, de înaltă tensiune. Acești electrozi pot fi aranjați pentru a accelera particulele într-o linie sau un cerc, depinzând dacă particulele aparțin unui câmp magnetic în timp ce sunt accelerate, provocând traiectoriile lor să se curbeze.

Acceleratoarele liniare de particule• Într-un accelerator liniar (linac), particulele sunt accelerate într-o

linie dreaptă cu o țintă de interes finală. Acestea sunt foarte des folosite. Sunt folosite pentru a da o energie inițială mică particulelor înainte să fie introduse într-un accelerator circular. Cel mai lung accelerator liniar din lume este SLAC (Stanford Linear Accelerator), având 3 km lumgime.

• Acceleratoarele liniare de energii mari folosesc sisteme liniare de plăci (sau tuburi cu undă progresivă) la care este aplicat un câmp încărcat cu energie alternant. În timp ce particulele se apropie de o placă, ele sunt accelerate către aceasta prin intermediul unei plăci cu polaritate opusă. Pe când trec prin gaura din placă, polaritatea este inversată astfel încât placa, nu le acceptă și le accelerează către următoarea placă. În mod normal, un curent cu fascicule cu mai multe particule este accelerat, astfel încât un voltaj controlat AC este aplicat fiecărei plăci pentru a repeta acest proces pentru fiecare fascicul.

Acceleratoarele circulare

Într-un accelerator circular, particulele se mișcă într-un cerc până când obțin suficientă energie. Calea particulelor este curbată în formă de cerc folosind electromagneții. Avantajul acceleratorului circular față de cel liniar este că topologia circulară permite accelerarea continuă, astfel încât particulele pot tranzita la infint. Un alt avantaj este că acceleratorul circular este mai mic decât cel liniar în comparație cu puterea lor (de exemplu, un linac ar trebui să fie extrem de lung pentru a avea echivalentul puterii unui accelerator circular).

Ciclotronii

Primele acceleratoare circulare au fost ciclotronii, inventați în 1929 de Ernest Lawrence la Universitatea Berkeley din California. Ciclotronii au o singură pereche de plăci adâncite în forma de „D” pentru a accelera particulele și un singur magnet mare dipolar pentru a devia deplasarea într-o orbită circulară. Este o proprietate caracteristică particulele încărcate într-un câmp magnetic constant și uniform, B, pe care orbitează cu o perioadă constată, la o frecvență numită „frecvență ciclotronică”, atât timp cât viteza lor este mică în comparație cu viteza luminii (c = 3108 m/s). Acest lucru înseamnă D-urile accelerate ale unui ciclotron pot fi conduși către o frecvență radio constantă (RF) accelerând puterea sursei, pe când raza face o spirală în continuu. Particulele sunt inserate în centrul magnetului și sunt extrase la margine când ajung la energie maximă.

Istoria• Primul ciclotron al lui Lawrence a avut aproape 100 mm (4 inch)

diametru. Mai târziu, el a construit o mașinărie cu aproape 60 de inch și a proiectat una de 174 inch diametru, pentru care nu a avut timp, deoarece al Doilea Război Mondial i-a oferit șansa muncii în domeniul separarării izotopului de uraniu. După război, el a continuat munca în cercetare și medicina pentru mulți ani.

• Primul mare sincroton de protoni a fost cosmotronul de la Laboratorul National Brookhaven, care a accelerat protonii până la aproape 3 GeV. Bevatronul, de la Berkeley, terminat în 1954, a fost special conceput pentru a accelera protonii la o energie suficient de mare pentru a crea antiprotoni, verificând simetria particulă-antiparticulă a naturii, până atunci doar bănuită. AGS (Alternating Gradient Synchrotron) din Brookhaven a fost primul mare sincrotron cu gradient alternant, magneți cu focalizare puternică, ce au redus considerabil deschizătura razei, corespunzând mărimii și costului magnetului. Proton Synchroton-ul, construit la CERN, a fost primul mare accelerator de particule european, semanând în mare pare cu AGS.

Istoria

• Acceleratorul liniar Stanford (SLAC) a devenit funcționabil în 1966, accelerând electronii până la 30 GeV pe o rază de 3km, fiind amplasat într-un tunel și alimentat de sute de klystroni. Este cel mai mare accelerator liniar existent și a fost upgradat. Este, de asemenea, o sursă de sincroton foton de raze X și ultraviolete.

• Tevatronul Fermilab are un inel cu un fascicul de ghidare lung de 6 km, primind ulteorior câteva îmbunătățiri. Cel mai mare accelerator circular construit vreodată este sincrotronul LEP de la CERN, cu o circumferință de 26.6 km. A ajuns la o energie de 209 GeV înainte sa fie demontat în anul 2000 pentru ca tunelul subteran sa poata fi folosit pentru LHC (Large Hadron Collider). LHC este, momentan, cel mai mare accelerator, având cea mai mare energie, ajungând până la 7 TeV per raza, dar momentan are doar jumătate din această energie. Abandonatl SSC (Superconducting Super Collider) din Texas ar fi avut o circumferință de 87 km. Construcția sa a început în anul 1991, dar a fost abandonată în 1993. Acceleratoare circulare foarte mari sunt construite în tunele subterane, având câțiva metri diametru pentru a minimaliza costurile unei asemenea structuri la suprafață, și pentru a asigura un scut împotriva radiatiilor secundare ce pot apărea, care penetreaza cu energii foarte mari.