Një përshpejtues i grimcave është një pajisje që krijon një rreze grimcash atomike ose nënatomike të ngarkuara elektrike që lëvizin me shpejtësi afër dritës. Puna e tij bazohet në një rritje të energjisë së tyre nga një fushë elektrike dhe një ndryshim në trajektoren - nga një magnetike.
Për çfarë shërbejnë përshpejtuesit e grimcave?
Këto pajisje përdoren gjerësisht në fusha të ndryshme të shkencës dhe industrisë. Sot, ka më shumë se 30 mijë prej tyre në të gjithë botën. Për një fizikan, përshpejtuesit e grimcave shërbejnë si një mjet për kërkime themelore në strukturën e atomeve, natyrën e forcave bërthamore dhe vetitë e bërthamave që nuk ndodhin në natyrë. Këto të fundit përfshijnë transuranium dhe elementë të tjerë të paqëndrueshëm.
Me ndihmën e një tubi shkarkimi u bë i mundur përcaktimi i ngarkesës specifike. Përshpejtuesit e grimcave përdoren gjithashtu në prodhimin e radioizotopeve, në radiografinë industriale, në terapinë me rrezatim, në sterilizimin e materialeve biologjike dhe në radiokarbon.analiza. Instalimet më të mëdha përdoren në studimin e ndërveprimeve themelore.
Jetëgjatësia e grimcave të ngarkuara në qetësi në raport me përshpejtuesin është më e vogël se ajo e grimcave të përshpejtuara në shpejtësi afër shpejtësisë së dritës. Kjo konfirmon relativitetin e intervaleve kohore SRT. Për shembull, në CERN, u arrit një rritje 29-fish në jetëgjatësinë e muoneve me një shpejtësi prej 0,9994c.
Ky artikull diskuton se si funksionon një përshpejtues grimcash, zhvillimin e tij, llojet e ndryshme dhe veçoritë dalluese.
Parimet e nxitimit
Pavarësisht nga përshpejtuesit e grimcave që njihni, ata të gjithë kanë elementë të përbashkët. Së pari, të gjitha duhet të kenë një burim elektronesh në rastin e një kineskopi televiziv, ose elektrone, protone dhe antigrimca të tyre në rastin e instalimeve më të mëdha. Përveç kësaj, të gjitha duhet të kenë fusha elektrike për të përshpejtuar grimcat dhe fushat magnetike për të kontrolluar trajektoren e tyre. Përveç kësaj, vakuumi në përshpejtuesin e grimcave (10-11 mm Hg), pra sasia minimale e ajrit të mbetur, është e nevojshme për të siguruar një jetëgjatësi të gjatë të rrezeve. Dhe, së fundi, të gjitha instalimet duhet të kenë mjetet për të regjistruar, numëruar dhe matur grimcat e përshpejtuara.
Gjenerata
Elektronet dhe protonet, të cilat përdoren më së shpeshti në përshpejtuesit, gjenden në të gjitha materialet, por fillimisht ato duhet të izolohen prej tyre. Zakonisht gjenerohen elektroneashtu si në një kineskop - në një pajisje të quajtur "armë". Është një katodë (elektrodë negative) në vakum, e cila nxehet deri në pikën ku elektronet fillojnë të shkëputen nga atomet. Grimcat e ngarkuara negativisht tërhiqen në anodë (elektrodë pozitive) dhe kalojnë nëpër prizë. Vetë arma është gjithashtu përshpejtuesi më i thjeshtë, pasi elektronet lëvizin nën ndikimin e një fushe elektrike. Tensioni ndërmjet katodës dhe anodës është zakonisht ndërmjet 50-150 kV.
Përveç elektroneve, të gjitha materialet përmbajnë protone, por vetëm bërthamat e atomeve të hidrogjenit përbëhen nga protone të vetëm. Prandaj, burimi i grimcave për përshpejtuesit e protoneve është hidrogjeni i gaztë. Në këtë rast, gazi jonizohet dhe protonet dalin përmes vrimës. Në përshpejtuesit e mëdhenj, protonet shpesh prodhohen si jone negativ të hidrogjenit. Ato janë atome me një elektron shtesë, të cilët janë produkt i jonizimit të një gazi diatomik. Është më e lehtë të punosh me jonet e hidrogjenit të ngarkuar negativisht në fazat fillestare. Më pas ato kalohen përmes një petë të hollë që i privon nga elektronet përpara fazës përfundimtare të nxitimit.
Nxitimi
Si funksionojnë përshpejtuesit e grimcave? Karakteristika kryesore e secilit prej tyre është fusha elektrike. Shembulli më i thjeshtë është një fushë statike uniforme midis potencialeve elektrike pozitive dhe negative, e ngjashme me atë që ekziston midis terminaleve të një baterie elektrike. Në të tillafushë, një elektron që mbart një ngarkesë negative i nënshtrohet një force që e drejton atë drejt një potenciali pozitiv. Ajo e përshpejton atë dhe nëse nuk ka asgjë për ta parandaluar këtë, shpejtësia dhe energjia e tij rriten. Elektronet që lëvizin drejt një potenciali pozitiv në një tel apo edhe në ajër përplasen me atomet dhe humbasin energji, por nëse janë në vakum, ato përshpejtohen ndërsa i afrohen anodës.
Tensioni ndërmjet pozicionit fillestar dhe përfundimtar të një elektroni përcakton energjinë e fituar prej tij. Kur lëvizni nëpër një diferencë potenciale prej 1 V, është e barabartë me 1 elektron volt (eV). Kjo është e barabartë me 1,6 × 10-19 xhaul. Energjia e një mushkonja fluturuese është një trilion herë më e madhe. Në një kineskop, elektronet përshpejtohen nga një tension mbi 10 kV. Shumë përshpejtues arrijnë energji shumë më të larta, të matura në mega-, giga- dhe teraelektronvolt.
Variantet
Disa nga llojet më të hershme të përshpejtuesve të grimcave, të tilla si shumëzuesi i tensionit dhe gjeneratori Van de Graaff, përdorën fusha elektrike konstante të krijuara nga potenciale deri në një milion volt. Nuk është e lehtë të punosh me tensione kaq të larta. Një alternativë më praktike është veprimi i përsëritur i fushave të dobëta elektrike të krijuara nga potenciale të ulëta. Ky parim përdoret në dy lloje të përshpejtuesve modernë - linearë dhe ciklikë (kryesisht në ciklotrone dhe sinkrotrone). Përshpejtuesit linearë të grimcave, me pak fjalë, i kalojnë ato një herë nëpër një sekuencëfushat përshpejtuese, ndërsa në atë ciklike lëvizin vazhdimisht përgjatë një rruge rrethore përmes fushave elektrike relativisht të vogla. Në të dyja rastet, energjia përfundimtare e grimcave varet nga efekti i kombinuar i fushave, kështu që shumë "goditje" të vogla mblidhen për të dhënë efektin e kombinuar të një të madhe.
Struktura e përsëritur e një përshpejtuesi linear për të krijuar fusha elektrike përfshin natyrshëm përdorimin e tensionit AC në vend të tensionit DC. Grimcat e ngarkuara pozitivisht përshpejtohen drejt potencialit negativ dhe marrin një shtysë të re nëse kalojnë pranë atij pozitiv. Në praktikë, voltazhi duhet të ndryshojë shumë shpejt. Për shembull, me një energji prej 1 MeV, një proton udhëton me shpejtësi shumë të larta prej 0,46 shpejtësia e dritës, duke udhëtuar 1,4 m në 0,01 ms. Kjo do të thotë që në një model të përsëritur disa metra të gjatë, fushat elektrike duhet të ndryshojnë drejtim në një frekuencë prej të paktën 100 MHz. Përshpejtuesit linearë dhe ciklikë të grimcave të ngarkuara, si rregull, i përshpejtojnë ato duke përdorur fusha elektrike alternative me një frekuencë prej 100 deri në 3000 MHz, d.m.th., duke filluar nga valët e radios te mikrovalët.
Një valë elektromagnetike është një kombinim i fushave elektrike dhe magnetike të alternuara që lëkunden pingul me njëra-tjetrën. Pika kryesore e përshpejtuesit është të rregullojë valën në mënyrë që kur të arrijë grimca, fusha elektrike të drejtohet në përputhje me vektorin e nxitimit. Kjo mund të bëhet me një valë në këmbë - një kombinim i valëve që udhëtojnë në drejtime të kundërta në një lak të mbyllur.hapësirë, si valët e zërit në një tub organi. Një alternativë për elektronet që lëvizin shumë shpejt që i afrohen shpejtësisë së dritës është një valë udhëtuese.
Autofazimi
Një efekt i rëndësishëm gjatë përshpejtimit në një fushë elektrike alternative është "autofazimi". Në një cikël lëkundjeje, fusha alternative shkon nga zero në një vlerë maksimale përsëri në zero, bie në minimum dhe ngrihet në zero. Pra kalon vlerën e nevojshme për të shpejtuar dy herë. Nëse grimca përshpejtuese arrin shumë shpejt, atëherë ajo nuk do të ndikohet nga një fushë me forcë të mjaftueshme dhe shtytja do të jetë e dobët. Kur të arrijë në seksionin tjetër, ajo do të jetë vonë dhe do të përjetojë një ndikim më të fortë. Si rezultat, do të ndodhë autofazimi, grimcat do të jenë në fazë me fushën në çdo rajon përshpejtues. Një efekt tjetër do të ishte grumbullimi i tyre me kalimin e kohës në grupe dhe jo në një rrjedhë të vazhdueshme.
Drejtimi i rrezes
Fushat magnetike luajnë gjithashtu një rol të rëndësishëm në mënyrën se si funksionon një përshpejtues i grimcave të ngarkuara, pasi ato mund të ndryshojnë drejtimin e lëvizjes së tyre. Kjo do të thotë se ato mund të përdoren për të "përkulur" trarët përgjatë një rruge rrethore, në mënyrë që të kalojnë nëpër të njëjtin seksion përshpejtues disa herë. Në rastin më të thjeshtë, një grimcë e ngarkuar që lëviz në kënde të drejta në drejtimin e një fushe magnetike uniforme i nënshtrohet një forcepingul si me vektorin e zhvendosjes së tij ashtu edhe me fushën. Kjo bën që rrezja të lëvizë përgjatë një trajektoreje rrethore pingul me fushën derisa të largohet nga zona e saj e veprimit ose një forcë tjetër të fillojë të veprojë mbi të. Ky efekt përdoret në përshpejtuesit ciklikë të tillë si ciklotroni dhe sinkrotroni. Në një ciklotron, një fushë konstante krijohet nga një magnet i madh. Grimcat, ndërsa energjia e tyre rritet, spirale nga jashtë, duke u përshpejtuar me çdo rrotullim. Në një sinkrotron, tufat lëvizin rreth një unaze me një rreze konstante dhe fusha e krijuar nga elektromagnetët rreth unazës rritet ndërsa grimcat përshpejtohen. Magnetët "përkulës" janë dipole me polet e veriut dhe të jugut të përkulur në formë patkoi në mënyrë që trau të kalojë ndërmjet tyre.
Funksioni i dytë i rëndësishëm i elektromagnetëve është të përqendrojnë rrezet në mënyrë që ato të jenë sa më të ngushta dhe intensive. Forma më e thjeshtë e një magneti fokusues është me katër pole (dy në veri dhe dy në jug) përballë njëri-tjetrit. Ata i shtyjnë grimcat drejt qendrës në një drejtim, por i lejojnë ato të përhapen në drejtim pingul. Magnetet katërpolëshe fokusojnë rrezen horizontalisht, duke e lejuar atë të dalë jashtë fokusit vertikalisht. Për ta bërë këtë, ato duhet të përdoren në çifte. Magnet më komplekse me më shumë pole (6 dhe 8) përdoren gjithashtu për fokusim më të saktë.
Me rritjen e energjisë së grimcave, forca e fushës magnetike që i drejton ato rritet. Kjo e mban rrezen në të njëjtën rrugë. Mpiksja futet në unazë dhe përshpejtohetenergjinë e nevojshme përpara se të tërhiqet dhe të përdoret në eksperimente. Tërheqja arrihet nga elektromagnetët që ndizen për të shtyrë grimcat jashtë unazës sinkrotronike.
Përplasje
Përshpejtuesit e grimcave të përdorura në mjekësi dhe industri prodhojnë kryesisht një rreze për një qëllim specifik, si terapia me rrezatim ose implantimi i joneve. Kjo do të thotë që grimcat përdoren një herë. Për shumë vite, e njëjta gjë ishte e vërtetë për përshpejtuesit e përdorur në kërkimin bazë. Por në vitet 1970, u zhvilluan unaza në të cilat dy rrezet qarkullojnë në drejtime të kundërta dhe përplasen përgjatë gjithë qarkut. Avantazhi kryesor i instalimeve të tilla është se në një përplasje kokë më kokë, energjia e grimcave shkon drejtpërdrejt në energjinë e ndërveprimit midis tyre. Kjo është në kontrast me atë që ndodh kur rrezja përplaset me materialin në qetësi: në këtë rast, pjesa më e madhe e energjisë shpenzohet për vënien në lëvizje të materialit të synuar, në përputhje me parimin e ruajtjes së momentit.
Disa makina me rreze përplasëse janë ndërtuar me dy unaza që kryqëzohen në dy ose më shumë vende, në të cilat grimcat e të njëjtit lloj qarkullojnë në drejtime të kundërta. Përplasësit me grimca dhe antigrimca janë më të zakonshëm. Një antigrimcë ka ngarkesë të kundërt të grimcës së saj të lidhur. Për shembull, një pozitron është i ngarkuar pozitivisht, ndërsa një elektron është i ngarkuar negativisht. Kjo do të thotë se fusha që përshpejton elektronin e ngadalëson pozitronin,duke lëvizur në të njëjtin drejtim. Por nëse kjo e fundit lëviz në drejtim të kundërt, do të përshpejtohet. Në mënyrë të ngjashme, një elektron që lëviz nëpër një fushë magnetike do të përkulet në të majtë dhe një pozitron do të përkulet në të djathtë. Por nëse pozitroni lëviz drejt tij, atëherë rruga e tij ende do të devijojë në të djathtë, por përgjatë të njëjtës kurbë si elektroni. Së bashku, kjo do të thotë se këto grimca mund të lëvizin përgjatë unazës sinkrotronike për shkak të të njëjtëve magnet dhe të përshpejtohen nga të njëjtat fusha elektrike në drejtime të kundërta. Shumë nga përplasësit më të fuqishëm në trarët përplasës janë krijuar sipas këtij parimi, pasi kërkohet vetëm një unazë përshpejtuesi.
Rrezja në sinkrotron nuk lëviz vazhdimisht, por kombinohet në "grumpa". Ato mund të jenë disa centimetra të gjata dhe një të dhjetën e milimetrit në diametër dhe përmbajnë rreth 1012 grimca. Kjo është një densitet i vogël, pasi një substancë e kësaj madhësie përmban rreth 1023 atome. Prandaj, kur rrezet kryqëzohen me rrezet që vijnë, ka vetëm një shans të vogël që grimcat të ndërveprojnë me njëra-tjetrën. Në praktikë, tufat vazhdojnë të lëvizin përgjatë unazës dhe takohen përsëri. Vakuumi i thellë në përshpejtuesin e grimcave (10-11 mmHg) është i nevojshëm në mënyrë që grimcat të qarkullojnë për shumë orë pa u përplasur me molekulat e ajrit. Prandaj, unazat quhen gjithashtu akumuluese, pasi tufat ruhen në to për disa orë.
Regjistrohu
Përshpejtuesit e grimcave në pjesën më të madhe mund të regjistrojnë se çfarë ndodh kurkur grimcat godasin një objektiv ose një rreze tjetër që lëviz në drejtim të kundërt. Në një kineskop televiziv, elektronet nga një armë godasin një fosfor në sipërfaqen e brendshme të ekranit dhe lëshojnë dritë, e cila kështu rikrijon imazhin e transmetuar. Në përshpejtuesit, detektorë të tillë të specializuar reagojnë ndaj grimcave të shpërndara, por ato zakonisht janë krijuar për të gjeneruar sinjale elektrike që mund të shndërrohen në të dhëna kompjuterike dhe të analizohen duke përdorur programe kompjuterike. Vetëm elementët e ngarkuar krijojnë sinjale elektrike duke kaluar nëpër një material, për shembull nga atome ngacmuese ose jonizuese, dhe mund të zbulohen drejtpërdrejt. Grimcat neutrale si neutronet ose fotonet mund të zbulohen në mënyrë indirekte nëpërmjet sjelljes së grimcave të ngarkuara që ato vënë në lëvizje.
Ka shumë detektorë të specializuar. Disa prej tyre, si numëruesi Geiger, thjesht numërojnë grimcat, ndërsa të tjerët përdoren, për shembull, për të regjistruar gjurmët, për të matur shpejtësinë ose për të matur sasinë e energjisë. Detektorët modernë variojnë në madhësi dhe teknologji nga pajisjet e vogla të lidhura me ngarkesë deri te dhomat e mëdha të mbushura me tela të mbushura me gaz që zbulojnë gjurmët jonizuese të krijuara nga grimcat e ngarkuara.
Histori
Përshpejtuesit e grimcave u zhvilluan kryesisht për të studiuar vetitë e bërthamave atomike dhe grimcave elementare. Nga zbulimi i reaksionit midis bërthamës së azotit dhe grimcave alfa nga fizikani britanik Ernest Rutherford në vitin 1919, të gjitha kërkimet në fizikën bërthamore deri në1932 u kalua me bërthamat e heliumit të çliruara nga kalbja e elementeve radioaktive natyrore. Grimcat natyrore alfa kanë një energji kinetike prej 8 MeV, por Rutherford besonte se për të vëzhguar prishjen e bërthamave të rënda, ato duhet të përshpejtohen artificialisht në vlera edhe më të mëdha. Në atë kohë dukej e vështirë. Megjithatë, një llogaritje e bërë në vitin 1928 nga Georgy Gamow (në Universitetin e Göttingen, Gjermani) tregoi se jonet me energji shumë më të ulëta mund të përdoren dhe kjo stimuloi përpjekjet për të ndërtuar një strukturë që siguronte një rreze të mjaftueshme për kërkime bërthamore.
Ngjarjet e tjera të kësaj periudhe demonstruan parimet me të cilat janë ndërtuar përshpejtuesit e grimcave deri më sot. Eksperimentet e para të suksesshme me jone të përshpejtuar artificialisht u kryen nga Cockcroft dhe W alton në vitin 1932 në Universitetin e Kembrixhit. Duke përdorur një shumëzues tensioni, ata përshpejtuan protonet në 710 keV dhe treguan se këta të fundit reagojnë me bërthamën e litiumit për të formuar dy grimca alfa. Deri në vitin 1931, në Universitetin Princeton në Nju Xhersi, Robert van de Graaff kishte ndërtuar gjeneratorin e parë elektrostatik të brezit me potencial të lartë. Shumëzuesit e tensionit Cockcroft-W alton dhe gjeneratorët Van de Graaff përdoren ende si burime energjie për përshpejtuesit.
Parimi i një përshpejtuesi rezonant linear u demonstrua nga Rolf Wideröe në vitin 1928. Në Universitetin e Teknologjisë Rhine-Westphalian në Aachen, Gjermani, ai përdori një tension të lartë alternues për të përshpejtuar jonet e natriumit dhe kaliumit në energji dy herëtejkaluar ato të raportuara prej tyre. Në vitin 1931 në Shtetet e Bashkuara, Ernest Lawrence dhe ndihmësi i tij David Sloan nga Universiteti i Kalifornisë, Berkeley përdorën fusha me frekuencë të lartë për të përshpejtuar jonet e merkurit në energji që tejkalojnë 1.2 MeV. Kjo punë plotësoi përshpejtuesin e grimcave të rënda Wideröe, por rrezet jonike nuk ishin të dobishme në kërkimin bërthamor.
Përshpejtuesi me rezonancë magnetike, ose ciklotroni, u konceptua nga Lawrence si një modifikim i instalimit Wideröe. Studenti i Lawrence Livingston demonstroi parimin e ciklotronit në 1931 duke prodhuar jone 80 keV. Në 1932 Lawrence dhe Livingston njoftuan përshpejtimin e protoneve në mbi 1 MeV. Më vonë në vitet 1930, energjia e ciklotroneve arriti rreth 25 MeV dhe ajo e gjeneratorëve Van de Graaff arriti rreth 4 MeV. Në vitin 1940, Donald Kerst, duke zbatuar rezultatet e llogaritjeve të kujdesshme të orbitës në projektimin e magneteve, ndërtoi betatronin e parë, një përshpejtues elektronesh me induksion magnetik, në Universitetin e Illinois.
Fizika moderne: përshpejtuesit e grimcave
Pas Luftës së Dytë Botërore, shkenca e përshpejtimit të grimcave drejt energjive të larta bëri përparim të shpejtë. Filloi nga Edwin Macmillan në Berkeley dhe Vladimir Veksler në Moskë. Në 1945, të dy ata përshkruan në mënyrë të pavarur parimin e stabilitetit të fazës. Ky koncept ofron një mjet për të mbajtur orbitat e qëndrueshme të grimcave në një përshpejtues ciklik, i cili hoqi kufizimin në energjinë e protoneve dhe bëri të mundur krijimin e përshpejtuesve të rezonancës magnetike (sinkrotroneve) për elektronet. Autofazimi, zbatimi i parimit të stabilitetit fazor, është konfirmuar pas ndërtimitnjë sinkrociklotron i vogël në Universitetin e Kalifornisë dhe një sinkrotron në Angli. Menjëherë pas kësaj, u krijua përshpejtuesi i parë rezonant linear i protonit. Ky parim është përdorur në të gjitha sinkrotronet e mëdha protonike të ndërtuara që atëherë.
Në vitin 1947, William Hansen, në Universitetin Stanford në Kaliforni, ndërtoi përshpejtuesin e parë linear të elektroneve të valëve udhëtuese duke përdorur teknologjinë e mikrovalës që u zhvillua për radarët gjatë Luftës së Dytë Botërore.
Përparimi në kërkime u bë i mundur duke rritur energjinë e protoneve, gjë që çoi në ndërtimin e përshpejtuesve gjithnjë e më të mëdhenj. Ky trend është ndalur nga kostoja e lartë e prodhimit të magneteve të unazës së madhe. Më i madhi peshon rreth 40,000 tonë. Mënyrat për të rritur energjinë pa rritur madhësinë e makinave u demonstruan në vitin 1952 nga Livingston, Courant dhe Snyder në teknikën e fokusimit të alternuar (ndonjëherë i quajtur fokusim i fortë). Sinkrotronet e bazuara në këtë parim përdorin magnet 100 herë më të vegjël se më parë. Një fokusim i tillë përdoret në të gjitha sinkrotronet moderne.
Në vitin 1956, Kerst kuptoi se nëse dy grupe grimcash mbaheshin në orbita të kryqëzuara, ato mund të vëzhgoheshin duke u përplasur. Zbatimi i kësaj ideje kërkonte akumulimin e trarëve të përshpejtuar në cikle të quajtura ruajtje. Kjo teknologji bëri të mundur arritjen e energjisë maksimale të ndërveprimit të grimcave.
