FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych Wykład 7 – Akceleratory

Akceleratory

Akceleratory urządzenia wytwarzające strumienie naładowanych cząstek o (odpowiednio) dużej energii izotopy radioaktywne źródła naturalne promieniowanie kosmiczne reaktory jądrowe źródła sztuczne akceleratory

Akceleratory przyspieszane cząstki: e, p, d, , jon parametry energia: E, E/A natężenie wiązki źródło cząstek akcelerator system transportu target detektor trigger dst daq zapis danych wyzwalacz zbieranie danych

Akceleratory elektrostatyczne V = 10 MV  E k= 10 MeV Jak osiągnąć wysoką różnicę potencjałów?

Akceleratory elektrostatyczne V0 4V0 generator kaskadowy, Cockroft, Walton (1932) 4V0 3V0 2V0 V0+V0sint maksymalnie V = 3 MV wyładowania… … akceleracja wstępna V0 V0sint

Cockcroft, Walton 1932 – pierwsze rozbicie jądra: 1H + 7Li  2 (300 kV)

Akceleratory elektrostatyczne + generator Van de Graaffa (1935) maksymalne V  kilka MV upływ ładunku można zmniejszyć przez wypełnienie azotem lub argonem pod ciśnieniem kilkunastu atmosfer

Van de Graaff

Tandem - Tandemy wielostopniowe - maksymalne V  20 MV źródło jonów + - elektroda dodatnia kanał dodający ładunek kanał zdzierający ładunek źródło jonów Tandemy wielostopniowe - maksymalne V  20 MV

Akcelerator liniowy Los Alamos, protony 800 MeV wydrążone elektrody(E = 0) przyspieszenie generator Częstość zmian pola elektrycznego dobrana tak, aby cząstki trafiały w szczeliny w fazie przyspieszającej. Los Alamos, protony 800 MeV SLAC (Uniwersytet Stanforda) 3 km, elektrony do 30 GeV

Akcelerator liniowy

Cyklotron nie zależy od r ! częstotliwość cyklotronowa B nie zależy od r ! częstotliwość cyklotronowa maksymalna energia kinetyczna:

Cyklotron

kompleks

Podstawowe parametry: Cyklotron Cyklotron Uniwersytetu Warszawskiego przyspiesza jony węgla do 10 MeV/nukleon Podstawowe parametry: Typ: Izochroniczny, AVF Średnica: 2 m Struktura magnetyczna: Cztery sektory Napięcie przyspieszania 70 kV Metoda wyprowadzenia wiązki -zdzieranie ładunku Zakres wartości stosunku masa/ładunek jonów: 2-10

Synchrotron dipol magnetyczny - injektor wyprowadzenie wiązki dipol magnetyczny - pole magn. rośnie wraz z pędem cząstki. wnęki przyspieszajace

Synchrotron Aby promień był stały, musi wzrastać B i  energia pocz. Częstość kołowa obiegu: Pole elektryczne we wnękach przyspieszających zmienia się z częstością  taką, że: Aby promień był stały, musi wzrastać B i 

Kolajder ...by mieć protony o energii w środku masy 40 MeV: 800 MeV

tak działa kolajder...

BNL

Relativistic Heavy Ion Collider

w RHIC’u 197Au 197Au A · 100 GeV ~ 40 TeV ! animacja

Akcelerator w tunelu 4 m pod ziemią przyspiesza przeciwbieżne wiązki jąder atomowych do prędkości 99,95 prędkości światła. Wiązka odchylana jest w polu magnetycznym wytwarzanym przez nadprzewodzące magnesy umieszczone w ciekłym helu o temperaturze 4,5 K.

RHIC Energia zderzenia Ecms = 200 GeV Tysiące zderzeń na sekundę Podczas zderzenia wytwarza się temperatura 10 000 razy wyższa niż na Słońcu W eksperymentach bierze udział ponad 1000 fizyków z całego świata Grupa naukowców i studentów z Wydziału Fizyki P.W. uczestniczy w eksperymencie STAR

Cztery eksperymenty na zderzaczu RHIC Rejestracja cząstek Cztery eksperymenty na zderzaczu RHIC

RHIC kriogenika ciekły hel ~ 40 TeV ! próżnia 5 · 10-10 tor tunel 3.8 km dipole 288 · 9.7 m, 3.45 T 1 g złota / 20 lat ~ 40 TeV ! 20 tys. miasto zużycie energii

Large Hadron Collider, 2007? CERN Genewa (Szwajcaria/ Francja) obwód ok. 27 km

LHC

tevatron

Reakcje jądrowe

„Historyczne” reakcje jądrowe 42He + 147N  178O + p (Q = -1.19 MeV) 1919 E.Rutherford powietrze błyski na ekranie scyncylacyjnym ZnS transmutacja – zamiana jednego jądra na inne p + 73Li  42He + 42He (Q > 0) 1932 protony z generatora Cocrofta-Waltona Bariera kulombowska – potrzebna niezerowa energia pocisku

„Historyczne” reakcje jądrowe 1932 Chadwick: odkrycie neutronu 42He + 94Be  126C + n Be (,n) C 42He + 95B  117N + n B (,n) N Źródło neutronów Ra-Be: 

Reakcje jądrowe deuter d +d  31H + p (Q = 4.03 MeV) d +d  32He + n (Q = 3.27 MeV) tryt n + 63Li  31H + 42He 31H + 21H  n + 42He (Q = 17.58 MeV) wysokoenergetyczne neutrony (ok. 14 MeV)

Reakcje jądrowe fotoreakcja  +d  n + p (Q = -2.22 MeV) sztuczna promieniotwórczość – F. i I. Joliot-Curie 42He + 2713Al  3015P + n (Q = -2.69 MeV)  3015P  3014Si + e+ + e  + 105B  137N + n d + 126C  137N + n 137N  136C + e+ + e p + 126C  137N + 

Sztuczna promieniotwórczość F. i I. Joliot-Curie 42He + 2713Al  3015P + n (Q = -2.69 MeV) 3015P  3014Si + e+ + e   + 105B  137N + n d + 126C  137N + n p + 126C  137N +  137N  136C + e+ + e

Wychwyt neutronu Enrico Fermi n + 2713Al  2411Na +   2411Na  2412Mg + e + e reakcja aktywacji srebra: n + 10747Ag  10847Ag +   10847Ag  10848Cd + e + e