Akceleratory Tomasz Maroszek Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Górnictwo i Geologia, rok I mgr. , grupa 3 Kraków, 16.05.2016 r. www.agh.edu.pl

Plan prezentacji Czym jest akcelerator Podział akceleratorów Zasada działania Akceleratory liniowe Akceleratory kołowe Zastosowanie Literatura

Czym jest akcelerator? Akcelerator jest to urządzenie służące do przyspieszania cząstek naładowanych (np. elektronów, protonów lub jonów) Przyspieszenie do prędkości bliskich prędkości światła Nadanie większych energii kinetycznych www.agh.edu.pl

Podział akceleratorów Główny podział akceleratorów: akceleratory liniowe – cząstka porusza się w procesie przyspieszania po linii prostej akceleratory kołowe – tor cząstki jest zakrzywiany w odpowiednim polu magnetycznym

Podział akceleratorów Akceleratory można klasyfikować ze względu na inne cechy: rodzaj przyspieszanych cząstek metodę przyspieszania maksymalną energię przyspieszenia gradient pola przyspieszającego

Zasada działania Źródło Akcelerator Wiązka Źródło cząstek naładowanych (elektrony, protony, jony) Elementy przyspieszające (pole elektryczne przekazujące cząstką energię) Elementy transportujące (pole magnetyczne, skupiające wiązkę i zapewniające właściwą trajektorię) Systemy towarzyszące (układ chłodzenia, system podtrzymywania próżni itp.)

Zasada działania Przyspieszenie cząstek czyli akceleracja odbywa się poprzez wykorzystanie pola elektrycznego (przyspieszamy tylko cząstki niosące ładunek – elektrony, protony itp.). Do skupienia wiązki oraz nadania jej pożądanego kierunku używa się odpowiednio ukształtowanego pola magnetycznego i/lub elektrycznego (stałego lub zmiennego w czasie).

Zasada działania Ruch ładunków powoduje różnica potencjałów – cząstki nabierają energii. Miarą energii cząstki jest elektronowolt (eV) Różnica potencjałów 1V powoduje przyspieszenie energii do 1eV 1eV to bardzo mało dla porównania: światło widzialne to 1,5-3,5 eV telewizor to 20 keV

Akceleratory liniowe Akcelerator liniowy - rodzaj akceleratora, w którym przyspieszane cząstki poruszają się po torach w przybliżeniu prostoliniowych. Do przyspieszania może być używane pole elektryczne: o stałym kierunku i wartości o zmiennej wartości o wysokiej częstości

Akceleratory liniowe Centrum Liniowego Akceleratora Stanforda akcelerator liniowy LINAC o długości ponad 3 km. uzyskiwana jest energia zderzenia do 50 GeV

Akceleratory kołowe (cykliczne) Akcelerator kołowy -przyspieszane cząstki poruszają się po torach zbliżonych do kołowych i spiralnych Z każdym obrotem cząstki osiągają coraz większą energię Tory cząstek zakrzywiane są przez pole magnetyczne od magnesów trwałych natomiast pole elektryczne nadaje im przyspieszenie. Są stosowane do badań

Akceleratory kołowe (cykliczne) Podstawowe elementy Element przyspieszający: wnęka rezonansowa Element zakrzywiający: magnes dipolowy Elementy ogniskujące: magnesy kwadrupolowe i sekstupolowe Tor: komora próżniowa

Akceleratory kołowe (cykliczne) Naładowane cząstki otrzymują energię, potrzebną do rozpędzenia ich do prędkości światła, w specjalnych wnękach rezonansowych. Wnęki rezonansowe magazynują energię elektryczną, a następnie oddają ją w małych ilościach cząstkom za każdym razem, gdy przelatują one przez wnękę. Działają one jak małe liniowe akceleratory.

Akceleratory kołowe (cykliczne) Magnesy dipolowe używane są w akceleratorach cząstek elementarnych do zakrzywiania wiązki, tak by krążyła po okręgu. Za każdym razem, gdy cząstki dostają porcję energii, pole magnetyczne musi zostać zwiększone, aby zapobiec wypadnięciu cząstek z rury akceleratora

Akceleratory kołowe (cykliczne) Inne rodzaje magnesów, nazywane magnesami kwadrupolowymi i sekstupolowymi, służą do utrzymania cząstek w wiązce. Działają one na podobnej zasadzie jak soczewki skupiające światło

Akceleratory kołowe (cykliczne) W akceleratorach cząstki elementarne podróżują wewnątrz specjalnej rury, z której wypompowane zostało powietrze. Dzięki temu mamy pewność, że cząstki z wiązki nie ulegną zderzeniu z innymi cząstkami. Pompy próżniowe znajdujące się wzdłuż rury akceleratora pozwalają na uzyskanie próżni lepszej niż w przestrzeni kosmicznej.

Akceleratory kołowe (cykliczne) Największy kołowy akcelerator cząstek elementarnych to LHC ( Wielki Zderzacz Hadronów) Obwód 27 km Przyspiesza protony do v=0.999 999 99 * c Odpowiada to energii kinetycznej: Ek=7 TeV

Zastosowanie Spośród akceleratorów cząstek naładowanych działających na świecie ponad 90% stanowią akceleratory na energie małe — od 0,1 do ok. 50 MeV. Akceleratory cząstek naładowanych na bardzo wielkie energie stanowią potężne narzędzia badawcze stosowane w fizyce wielkich energii, fizyce ciężkich jonów, chemii radiacyjnej itp. Akceleratory cząstek naładowanych na mniejsze energie, oprócz zastosowań badawczych, znajdują coraz liczniejsze zastosowania użytkowe w medycynie, technice i przemyśle

Domowy akcelerator Przykład liniowego akceleratora: telewizor kineskopowy

Akceleratory przemysłowe: Akcelerator do radiografii Zastosowanie Akceleratory przemysłowe: Akcelerator do radiografii prześwietlanie stali do grubości 1m energie od 6 do 10 MeV wykrywanie wad kontrola konstrukcji np. mostów szybkie prześwietlanie   w pełni bezpieczne

Akcelerator do radiografii Prześwietlanie ładunków na granicach

Akcelerator do napromieniania żywności: Zastosowanie Akcelerator do napromieniania żywności: energia przyspieszonych elektronów 10 MeV,  sterylizacja żywności, sterylizacja materiałów medycznych, praca wiązką fotonów lub elektronów, umożliwia uzyskanie 10 cm warstwy sterylizowanego obiektu.

Zastosowanie Akceleratory w medycynie: Radioterapia jest stosowana w prawie połowie przypadków nowotworów. Głównym narzędziem są akceleratory elektronowe o energii 8 do 30 MeV. Energia uzyskiwana z klasycznych lamp rentgenowskich jest zbyt mała. Elektrony hamowane w tarczy produkują promieniowanie γ

Zastosowanie Naświetlanie wiązką elektronów wykorzystywane także w: Produkcja termokurczliwych foli Ekologiczne drukowanie (bez rozpuszczalników) Produkcja opon (zwiększa przyczepność) Sterylizacja radiologiczna (sprzęt medyczny) Konserwacja żywności Inne zastosowania: Cięcie i spawanie wiązką elektronów Uzdatnianie wody pitnej Oczyszczanie ścieków

Podsumowanie Badania naukowe Wykorzystanie w medycynie Wykorzystanie w przemyśle Ochrona środowiska Wysoki koszt urządzeń Wysoki koszt budowy ośrodków badań

Dziękuję za uwagę

Literatura www.fuw.edu.pl www.zapytajfizyka.fuw.edu.pl www.ujk.edu.pl www.duszkiewicz.tk.krakow.pl www.hitecpoland.eu