Uniwersytet im. Adama Mickiewicza Wydział Fizyki Przemysław Głowacki V rok fizyka i informatyka

Akceleratory Na początku XX wieku naukowcy przeprowadzili liczne eksperymenty z wykorzystaniem naładowanych cząstek. Pierwszym źródłem, z którego pozyskiwali takie cząsteczki były substancje promieniotwórcze. Niestety cząstki uzyskiwane w taki sposób nie mają zbyt dużej prędkości i przez to ich użycie do badań świata atomów jest ograniczone. Naukowcy potrzebowali nowego sposobu pozyskiwania wysokoenergetycznych cząsteczek. Kilka z urządzeń (nazywanych ogólnie akceleratorami), które służą temu celowi: CYKLOTRON BETATRON AKCELERATOR LINIOWY AKCELERATOR KOŁOWY

CYKLOTRON Na początku lat trzydziestych na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley dwaj naukowcy Ernest Orlando Lawrence (1901-1958) i M.S Livingston skonstruowali nowy typ przyrządu służącego do przyspieszania jonów. Składa się ono z dwóch pustych w środku, półkolistych metalowych komór - duantów. Komory te zestawione są tak, iż między nimi znajduje się wąski pusty obszar. Zasilane są one zmiennym napięciem o częstości radiowej. Duanty znajdują się w komorze próżniowej pomiędzy biegunami potężnego elektromagnesu.

CYKLOTRON Jony powstają w źródle umieszczonym w środku pomiędzy duantami. Po opuszczeniu źródła tor jonów zostaje zakrzywiony w silnym polu magnetycznym. Jony podlegają bowiem wpływowi siły magnetycznej. W momencie, gdy jon przelatuje przez obszar między duantami zostaje przyśpieszony dzięki polu elektrycznemu panującemu między nimi, wytworzonemu przez źródło napięcia. Teraz jon ma nieco większą prędkość. Porusza się w drugim duancie po trochę większym promieniu.

CYKLOTRON Źródło zmiennego prądu o częstotliwości radiowej jest tak zsynchronizowane, że za każdym razem gdy jon przelatuje w strefie między duantami jest "popychany" do przodu, zwiększa swoją prędkość i promień toru ruchu. W pewnym momencie jednak "puszka" cyklotronu jest za mała dla krążącego po coraz większych orbitach elektronu. Wtedy specjalna naładowana płytka kieruje wiązkę elektronów na zewnątrz akceleratora.

BETATRON Na początku lat czterdziestych D.W. Kerst z University of Illinois skonstruował nowe urządzenie rozpędzające jony - betatron. Urządzenie to składa się z komory próżniowej w kształcie torusa umieszczonej między nadbiegunnikami bardzo silnego elektromagnesu. W komorze tej znajduje się źródło elektronów. Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez elektromagnes zmienia się w czasie. Zmieniające się pole rozpędza elektrony i jednocześnie utrzymuje je na stałej orbicie kołowej.

Podstawowe zasady Wszystkie wiązki cząstek rozpoczynają swą drogę od źródła cząstek. Najprostszym źródłem jest rozżarzony drut, np. drucik żarowy wewnątrz żarówki. Źródła tego rodzaju używane są w odbiornikach telewizyjnych. Ujemnie naładowane elektrony są doprowadzane do "wrzenia" w druciku, a następnie przyspieszane w próżni w kierunku dodatnio naładowanej elektrody. Pola elektromagnetyczne prowadzą wiązkę do ekranu. W miejscach, gdzie wiązka uderza, ekran robi się jasny, budując w ten sposób obraz. Podobny drucik żarowy używany jest także w liniowych akceleratorach elektronowych. Akceleratory przyspieszają cząstki do dużo większej energii niż odbiorniki telewizyjne, ale zasada pozostaje taka sama. W akceleratorze liniowym cząstki przyspieszane są od jednej elektrody do następnej, w ten sposób zyskując energię.

Podstawowe zasady Prawie każdy z nas ma w domu akcelerator cząstek elementarnych - telewizor. Zasada działania telewizora jest podobna jak zasada działania akceleratora LEP, ale w mniejszej skali. Telewizory i akceleratory mają wiele wspólnego: źródło cząstek elektrody przyspieszające (telewizor ma jedną, akcelerator - wiele) pole elektromagnetyczne do zakrzywiania toru cząstek ..... ... i na koniec detektor cząstek ( w telewizorze jest to ekran)

AKCELERATOR LINIOWY Akcelerator liniowy, nazywany często liniakiem (LINAC - LINear ACcelerator), jest akceleratorem, który przyspiesza cząstki naładowane, np. elektrony, protony lub ciężkie jony, poruszające się wzdłuż lini prostej.

AKCELERATOR LINIOWY Wiązka cząsteczek przebiega przez szereg pustych metalowych cylindrów połączonych na przemian (+,-+,-...) z generatorem prądu zmiennego. W cylindrach nie ma pola elektromagnetycznego. Za to w szczelinach takie pole istnieje. Elektron przechodząc przez kolejne szczeliny jest coraz bardziej przyspieszany. Każdy kolejny cylinder musi być dłuższy, ponieważ cząstka zwiększa swoją prędkość, a zmiany ładunku na cylindrach mają ten sam okres.

AKCELERATOR KOŁOWY Akceleratory kołowe zmuszają cząstki do krążenia po okręgu, za każdym obrotem nadając im coraz większą energię. Silne magnesy sprawiają, że cząstki krążą po okręgu, podczas gdy pole elektryczne dostarcza siły przyspieszającej. Jest wiele typów akceleratorów kołowych, które od wczesnych lat trzydziestych odgrywają decydującą rolę w fizyce cząstek elementarnych. Akcelerator elektronowo-pozytonowy LEP

AKCELERATOR KOŁOWY Akcelerator elektronowo-pozytonowy LEP właśnie zderzaczem. 3368 magnesów zakrzywia dwie wiązki cząstek i utrzymuje je na orbicie. Ujemnie naładowane elektrony zakrzywiane są w jedną stronę, a dodatnio naładowane pozytony w drugą. To pozwala, przy użyciu tych samych magnesów, uzyskać w akceleratorze LEP wiązki elektronów i pozytonów o energii 90 GeV każda, krążące w przeciwnych kierunkach. Akcelerator elektronowo-pozytonowy LEP

AKCELERATOR KOŁOWY W akceleratorze kołowym cząstki krążą w rurze akceleratora wiele razy, cały czas zwiększając swoją energię. Ale im szybciej cząstki krążą, tym łatwiej im "wypaść" z pierścienia przyspieszającego, zupełnie jak samochodom na zakręcie. Największy akcelerator w CERN-ie, LEP, ma obwód 27 kilometrów i starano się zrobić w nim jak najłagodniejsze zagięcia. Wielki Zderzacz Hadronów (LHC - Large Hadron Collider)

AKCELERATOR KOŁOWY Poprzez przyspieszanie cząstek do bardzo dużych energii, a następnie zderzanie ich z tarczą lub ze sobą nawzajem, fizycy są w stanie dowiedzieć się czegoś o siłach działających pomiędzy nimi. Akceleratory w CERN-ie są jednymi z największych i najbardziej złożonych urządzeń na świecie. Należą do najwspanialszych pomników nauki XX wieku, ponieważ zbudowano je w oparciu o najnowsze technologie. Wielki Zderzacz Hadronów (LHC - Large Hadron Collider)

Wielki zderzacz elektronowo-pozytonowy LEP Akcelerator LEP jest największym działającym zderzaczem cząstek elementarnych na świecie. W pierścieniu o obwodzie 27 km, znajdującym się około 100 m pod ziemią, paczki elektronów i pozytonów (antyelektronów) krążą w przeciwnych kierunkach przyspieszone prawie do prędkości światła.

Wielki zderzacz elektronowo-pozytonowy LEP Gdy elektron i pozyton znajdują się dostatecznie blisko siebie, to znikają w procesie anihilacji, pozostawiając po sobie po prostu energię. Prawie natychmiast energia ta zamienia się z powrotem na cząstki elementarne w taki sam sposób, jak działo się to w okresie powstawania Wszechświata.

Wielki zderzacz elektronowo-pozytonowy LEP W czterech symetrycznych punktach pierścienia zderzacza paczki cząstek są ogniskowane do grubości włosa tak, aby zderzenie nastąpiło w środku jednego z czterech eksperymentów. Każda paczka zawiera około stu miliardów (10^11) cząstek, ale średnio tylko jedno na czterdzieści tysięcy zderzeń pomiędzy paczkami prowadzi do pożądanego zderzenia "czołowego" elektronu z pozytonem. Z tego powodu paczki te krążą w akceleratorze godzinami i każda z nich przebywa więcej niż 10000 okrążeń na sekundę.

Eksperymenty w CERN-ie Niektóre z eksperymenów badają, co się stanie, gdy wiązka cząstek wpada na atomy stanowiące ciężką tarczę. Nazywamy je eksperymentami z nieruchomą tarczą. Inne eksperymenty badają zderzenia czołowe dwóch przeciwbieżnych wiązek cząstek. Te nazywamy eksperymentami ze zderzającymi się wiązkami

Podstawowe elementy Element przyspieszający: wnęka rezonansowa Naładowane cząstki otrzymują energię, potrzebną do rozpędzenia ich do prędkości światła, w specjalnych wnękach rezonansowych, wyglądających jak ta na rysunku. 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.

Podstawowe elementy Element zakrzywiający: magnes dipolowy 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.

Podstawowe elementy Elementy ogniskujące: magnesy kwadrupolowe i sekstupolowe Inne rodzaje magnesów, nazywane magnesami kwadrupolowymi i sekstupolowymi, służą do utrzymania cząstek w wiązce. Działają one na podobnej zasadzie jak soczewki skupiające światło.

Podstawowe elementy Tor wyścigowy: komora próżniowa 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.

Zastosowania akceleratorów Chociaż akceleratory zostały wynalezione dla fizyki cząstek elementarnych, to tysięcy z nich używa się w innych gałęziach nauki, a także w przemyśle i medycynie. Większość z nich to małe akceleratory liniowe używane w fabrykach do polimeryzowania plastyków, utylizacji odpadów i sterylizacji żywności oraz w szpitalach do różnego rodzaju zabiegów. W dziedzinie medycyny możemy się również spotkać z cyklotronami (akceleratorami kołowymi) używanymi do produkcji izotopów w celu zaopatrywania szpitali w zmodyfikowane biologicznie związki chemiczne, których położenie w organiźmie możemy wykrywać dzięki cząstkom, które emitują. Niektóre z nich, z uwagi na ich biochemiczny charakter, mogą nawet "wybierać" określone części ciała, które chcemy zbadać lub leczyć.

DZIĘKUJE KONIEC