Filip Baraniewicz 11 XII 99

IV MAa mgr

Akcelerator, urządzenie służące do przyspieszania cząstek naładowanych (np. elektronów, protonów lub jonów). Akceleratory można klasyfikować ze względu na rodzaj przyspieszanych cząstek, metody przyspieszania, kształt toru przyspieszanych cząstek oraz osiągane energie.

W akceleratorach wiązka przyspieszonych cząstek zderza się z tarczą (lub z przeciwbieżną wiązką w akceleratorach wiązek przeciwbieżnych). Analiza zjawisk zachodzących w trakcie zderzenia wykorzystywana jest do badań jądra atomowego lub cząstek elementarnych. Akceleratory wykorzystywane są również do produkcji izotopów promieniotwórczych i w terapii nowotworowej.

Akcelerator Cockcrofta-Waltona

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 van de Graaffa

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 van de Graaffa typu tandem. Uzyskuje się je, zmieniając w trakcie przyspieszania znak ładunku jonów. W Polsce działa kilka akceleratorów van de Graaffa.

Akcelerator liniowy z falą bieżącą

Akcelerator liniowy z falą bieżącą, akcelerator przyspieszający cząstki (najczęściej elektrony) poruszające się już z prędkościami porównywalnymi z prędkością światła, co oznacza konieczność wstępnego przyspieszenia cząstek przed rozpoczęciem przyspieszania w tym rodzaju akceleratorów. W akceleratorze liniowym z falą bieżącą do przyspieszania wykorzystuje się bieżącą falę elektromagnetyczną powstającą w falowodzie o konstrukcji zapobiegającej odbiciu fali. W takim falowodzie wektor pola elektrycznego fali porusza się z prędkością fazową dobraną tak, aby była równa prędkości cząstek, cały czas przyspieszając je w kierunku osi akceleratora. Dobór odpowiedniej prędkości fazowej fali w falowodzie 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 cykliczny

Akcelerator cykliczny, akcelerator, w którym przyspieszane cząstki poruszają się po torach spiralnych lub kołowych i przyspieszane są wielokrotnie (cykliczne).

Cyklotron

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 Fermilab na Uniwersytecie Stanford.

Działanie akceleratora prześledzić możemy na przykładzie akceleratora znajdującego się w laboratorium Fermilab na uniwersytecie Stanford.

Etap 1.

Pierwszym etapem przyspieszania cząstek jest akcelerator Cockrofta - Waltona. Tam elektrony dodawane są do atomów wodoru. W efekcie otrzymywane są jony ujemne składające się z dwu elektronów i jednego protonu, które przyciągane są przez dodatni ładunek elektryczny i przyspieszane do energii ok. 750 keV. Jest to energia większa o około 30 razy od tej, którą posiada strumień elektronów w lampie kineskopowej.

Etap 2.

Po opuszczeniu akceleratora Cockrofta - Waltona ujemne jony wodorowe wchodzą do akceleratora liniowego o długości 150 m, zwanego Liniakiem. Oryginalny Liniak składał się z 9 pojemników zawierających rurki dryfowe, rozmieszczone coraz dalej od siebie. Obecnie pozostało pięć pierwszych pojemników, pozostałe zaś są wymieniane.

Do rurek dryfowych przykładane są naprzemiennie pola elektryczne o przeciwnych zwrotach. Cząsteczki poruszające się w rurkach chowają się w nich, gdy pole działa w kierunku przeciwnym do ich ruchu i ukazują się w szczelinach między rurkami gdy pole elektryczne działa w kierunku przyspieszającym je.

Zanim cząstki przejdą do etapu trzeciego - Boostera - jony przechodzą przez folię węglową, która zatrzymuje elektrony przepuszczając dalej jedynie protony.

Etap 3.

Umieszczony prawie 6 m pod ziemią Booster jest szybkim, cyklicznym synchrotronem o średnicy 150 m . Synchrotron jest kołowym akceleratorem, w którym elektrycznie naładowane cząsteczki są zakrzywiane przez magnesy i poruszają się po torach kołowych, przez co doznają powtarzają kolejnych przyspieszeń podczas każdego okrążenia. Protony okrążają Boostera około 20 tys. Razy przez co ich energia rośnie do ok. 8 GeV. Booster normalnie podaje 12 pulsów lub wiązek protonów do następnego etapu - kręgu głównego.

Etap 4.

Krąg Główny jest następnym synchrotronem protonowym o obwodzie ok. 6,5 km. Tunel o średnicy 3 m , zakopany 6 m pod ziemią, zawiera 1000 konwencjonalnych magnesów z rdzeniem miedzianym, które zakrzywiają tor poruszania się protonów i ukierunkowują je. Aktualnie Krąg Główny przyspiesza protony do energii 150 GeV.

Etap 5.

Ten sam tunel, który zawiera Krąg Główny, zawiera także 1000 nadprzewodzących magnesów, które składają się na kolejny synchrotron protonowy o nazwie Tevatron, jako że jest on w stanie przyspieszać protony do energii prawie 1 TeV. Magnesy nadprzewodzące formują krąg umieszczony bezpośrednio pod magnesami Kręgu Głównego i pracują w zakresie temperatur ciekłego helu. Magnesy nadprzewodzące wytwarzają silniejsze pole magnetyczne niższym kosztem w porównaniu z tradycyjnymi magnesami.

Etap 6.

Ostatnim etapem jest uformowanie wiązek protonów i wysłanie ich do innych części laboratorium Fermilab do dalszych badań.

Produkcja i przechowywanie antyprotonów.

Niektóre eksperymenty w laboratorium Fermilab przeprowadzane są poprzez zderzanie strumienia protonów ze strumieniem antyprotonów. Każdy antyproton posiada tę samą masę co proton lecz przeciwny ładunek elektryczny. Aby uzyskać antyprotony protony są najpierw przyspieszane do energii 120 GeV w Kręgu Głównym po czym przechodzą w obszar tarczy, na której są skupiane. Ich zderzenie z tarczą powoduje powstanie szerokiej gamy cząstek wtórnych, w tym antyprotonów. Są one oddzielane od reszty cząstek i transportowane do Kręgu Redukującego, gdzie następuje redukcja rozmiarów wiązek w procesie zwanym chłodzeniem stochastycznym. Następnie są transportowane do Kręgu Akumulacyjnego na przechowanie. Kiedy zostanie już wyprodukowana dostateczna liczba antyprotonów są one na powrót wstrzeliwane do Kręgu Głównego, przechodzą do Tevatronu gdzie są przyspieszane do energii 1 TeV równocześnie z protonami poruszającymi się w przeciwnym kierunku.

---