Επιταχυντές

Α. ΕπιταχυντέςΠολιτιστικό Πρόγραμμα – Το σωματίδιο του Θεού

Ι. Εισαγωγή

• Οι επιταχυντές είναι μεγάλες διατάξεις οι οποίες επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια, πυρήνες ατόμων, πρωτόνια, ιόντα, κ.λ.π.) χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητικά πεδία.

• Στο πεδίο της ερευνητικής φυσικής κατευθύνουν τα ταχέως κινούμενα σωματίδια πάνω σε άλλα ώστε να μελετηθεί το αποτέλεσμα της σύγκρουσης.


• Με τη βοήθειά τους μελετάμε τους νόμους της φυσικής σε μικροσκοπικό επίπεδο.

• Επιπλέον, η συμπεριφορά αυτών των σωματιδίων σε τόσο μεγάλες ταχύτητες μας δίνει πληροφορίες για τη λειτουργία του σύμπαντος κατά τα πρώτα στάδια δημιουργίας του.


• Οι ταχύτητες των σωματιδίων που εξέρχονται από έναν επιταχυντή πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός (c), η οποία αποτελεί το μέγιστο όριο ταχύτητας για ένα υλικό σωματίδιο.

• Αυτές τις ταχύτητες τις ονομάζουμε συνήθως σχετικιστικές ταχύτητες.


• Για να μετρήσουμε την ισχύ ενός επιταχυντή δεν χρησιμοποιούμε την τελική ταχύτητα που μπορεί να δώσει σε ένα σωματίδιο (π.χ. 0.95 φορές της c).

• Συνήθως χρησιμοποιούμε την ποσότητα ενέργειας (σε eV) που μπορεί να δώσει σε ένα σωματίδιο ώστε να το επιταχύνει.


• Υπάρχουν δύο κυρίως τύποι επιταχυντών:– Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές– Επιταχυντές Ταλαντούμενων πεδίων

• Γραμμικοί επιταχυντές

• Επιταχυντές κυκλικής τροχιάς


• Σήμερα υπάρχουν πάνω από 26000 επιταχυντές σωματιδίων παγκοσμίως.

• Από αυτούς μόνο το 1% είναι επιταχυντές υψηλής ενέργειας που χρησιμοποιούνται για έρευνα στη σωματιδιακή φυσική.


• Οι περισσότεροι (44%) είναι επιταχυντές που χρησιμοποιούνται για ιατρικούς σκοπούς (ραδιοθεραπεία).

• Ένας μεγάλος αριθμός επιταχυντών (41%) χρησιμοποιούνται και στη βιομηχανία για εμφύτευση ιόντων (μια τεχνική που χρησιμοποιείται για μεταλλικό φινίρισμα, κ.λ.π.)

II. Γνώσεις Φυσικής

• Ηλεκτρικές Δυνάμεις – Νόμος Coulomb• Μεταξύ δύο φορτισμένων σωματιδίων ασκείται ελκτική ή

απωστική δύναμη, το μέτρο της οποίας ισούται με

,2r

qQkF =


• Δύναμη από μαγνητικό πεδίο σε κινούμενο φορτίο

• Όταν ένα κινούμενο φορτίο εισέλθει σε μαγνητικό πεδίο, τότε ασκείται πάνω του μαγνητική δύναμη κάθετη στη φορά κίνησής του.

,BvqF

×⋅= ( ),θηµ⋅= qvBF


• Κεντρομόλος Δύναμη

R

vmF

2⋅=

ΙΙI. Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές

ΙΙΙ. Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές

• Πρόκειται για γραμμικές διατάξεις που δημιουργούν ένα σταθερό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο επιταχύνει τα σωματίδια.

• Δεν μπορούν να επιταχύνουν τα σωματίδια σε ιδιαίτερα υψηλές ενέργειες.

• Οι πρώτοι επιταχυντές που κατασκευάστηκαν ήταν ηλεκτροστατικοί.

ΙΙΙ. Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές

• Η λειτουργία τους είναι σχετικά απλή.

+ -

IV. Γραμμικοί Επιταχυντές


• Τα σωματίδια κινούνται λόγο ηλεκτρικών δυνάμεων που τους ασκούνται από κατάλληλα φορτισμένες πλάκες.


• Για να αλλάζει το φορτίο κάθε πλάκας περιοδικά, εφαρμόζουμε εναλλασσόμενο πεδίο κατάλληλης συχνότητας (AC).

• Όσο αυξάνεται η ταχύτητα του σωματιδίου τόσο αυξάνεται και η συχνότητα εναλλαγής του φορτίου.


• Η συγκεκριμένη διάταξη δε μπορεί να επιταχύνει σωματίδια σε «σχετικιστικές ταχύτητες».

• Για να επιτύχουμε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες χρησιμοποιούμε «κοιλότητες μικροκυμάτων» (microwave cavities), οι οποίες λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο.


• Οι γραμμικοί επιταχυντές (LINAC) χρησιμοποιούνται:– Στην ιατρική για ραδιοθεραπείες.– Ως διατάξεις που επιταχύνουν σωματίδια έως

μια αρχική ταχύτητα και στη συνέχεια τα οδηγούν σε επιταχυντές υψηλότερης ενέργειας.


• Μειονεκτήματα:– Ιδιαίτερα μεγάλο μέγεθος. (Ο πιο μεγάλος γραμμικός

επιταχυντής σήμερα έχει μήκος 3 Km)

– Δημιουργούν μια ακτίνα από ριπές σωματιδίων (και όχι μια ακτίνα συνεχόμενης ροής).

– Συνήθως δεν μπορούν να επιταχύνουν τα σωματίδια σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες.

– Χρησιμοποιούνται κυρίως για επιτάχυνση ηλεκτρονίων


• Ο μεγαλύτερος γραμμικός επιταχυντής (Stanford Linear Accelerator)

V. Επιταχυντές Κυκλικής Τροχιάς

• Τα σωματίδια κινούνται σε κυκλικές τροχιές.

• Χρησιμοποιούνται ηλεκτρικά πεδία για να επιταχύνουν τα σωματίδια και μαγνητικά πεδία για να «κάμπτουν» τις τροχιές των σωματιδίων.


• Πλεονεκτήματα σε σχέση με τους γραμμικούς επιταχυντές.– Δημιουργία συνεχόμενης ροής σωματιδίων.– Μικρότερος όγκος (και κόστος) για συγκρίσιμη

ισχύ επιτάχυνσης.

• Μειονεκτήματα– Εξαιτίας της ακτινοβολίας Συγχρότρου δεν

μπορούν να επιταχύνουν ηλεκτρόνια.


• Κατηγορίες επιταχυντών κυκλικής τροχιάς– Κύκλοτρο– Συγχροκύκλοτρο– Ισόχρονο Κύκλοτρο– Βήτατρο– Σύγχροτρο

V.1 Κύκλοτρο

• Αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια σε σχήμα D, τοποθετημένα μέσα σε μαγνητικό πεδίο σταθερής έντασης.


• Τα σωματίδια εισέρχονται στο κέντρο της διάταξης και εξέρχονται στο άκρο της (όπου μηδενίζεται το μαγνητικό πεδίο).


• Το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των δύο πλακών D επιταχύνει τα σωματίδια σε κάθε πέρασμα


• Το σταθερό μαγνητικό πεδίο καμπυλώνει την τροχιά των σωματιδίων.


• Σε κάθε κύκλο η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς αυξάνεται.

• Έτσι η τελική τροχιά είναι ελικοειδής

R

vmF

2⋅=


• Προβλήματα:– Δημιουργία μεγάλου μαγνητικού πεδίου

σταθερής έντασης.– Το κύκλοτρο (όπως όλοι οι επιταχυντές

κυκλικού φορτίου παράγει ισχυρή ακτινοβολία όταν επιταχύνονται σωματίδια μικρής μάζας (π.χ. ηλεκτρόνια).

– Αυτή η ακτινοβολία οδηγεί σε μεγάλες απώλειες ενέργειας.


• Προβλήματα:– Το κύκλοτρο δεν μπορεί να επιταχύνει

σωματίδια μεγάλης μάζας (π.χ. πρωτόνια) σε σχετικιστικές ταχύτητες.

– Σε τέτοιες ταχύτητες η μάζα των σωματιδίων αυξάνεται.

– Επομένως, χρειάζεται να μεταβληθεί η ένταση του μαγνητικού πεδίου ή η συχνότητα αλλαγής του ηλεκτρικού πεδίου για να συνεχιστεί η επιτάχυνση.


• Παράδειγμα– Ένα απλό κύκλοτρο μπορεί να επιταχύνει ένα

πρωτόνιο σε ενέργεια 15 MeV (περίπου το 10% της ταχύτητας του φωτός).

V.2 Συγχροκύκλοτρο

• Επινοήθηκε ώστε να λύσει το πρόβλημα αύξησης της μάζας των σωματιδίων.

• Διατηρεί σταθερό το μαγνητικό πεδίο.

• Μειώνει σταδιακά τη συχνότητα αλλαγής του ηλεκτρικού πεδίου.

V.2 Συγχροκύκλοτρο

• Προβλήματα:– Απαιτείται μεγάλος μαγνήτης σταθερής

έντασης.– Δεν δημιουργείται συνεχής ροή σωματιδίων,

αλλά ριπές.

V.3 Ισόχρονο Κύκλοτρο

• Επινοήθηκε ώστε να λύσει το πρόβλημα αύξησης της μάζας των σωματιδίων (όπως το συγχροκύκλοτρο).

• Διατηρεί σταθερή τη συχνότητα εναλλαγής του ηλεκτρικού πεδίου.

• Το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται σταθερά όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο της διάταξης.


• Πλεονεκτήματα:– Δημιουργεί συνεχή ροή σωματιδίων και όχι

ριπές όπως το συχροκύκλοτρο.– Μπορεί να επιταχύνει σωματίδια ακόμη και σε

σχετικιστικές ταχύτητες.


• Προβλήματα:– Δυσκολία κατασκευής του απαιτούμενου

μαγνητικού πεδίου, το οποίο • Θα πρέπει να μεταβάλλεται ανάλογα με την

απόσταση από το κέντρο της διάταξης και• Να είναι ιδιαίτερα ισχυρό στα άκρα της διάταξης.


• Παράδειγμα:– Το ισόχρονο κύκλοτρο PSI μπορεί να δώσει

δέσμη πρωτονίων ενέργειας 590 MeV (περίπου το 80% της ταχύτητας του φωτός).

V.4 Σύγχροτρο

• Για να επιτύχουμε ακόμη μεγαλύτερη επιτάχυνση (μερικών GeV) μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα σύνγχροτρο.

• Το σύγχροτρο επιταχύνει τα σωματίδια μέσα σε ένα δακτύλιο σταθερής ακτίνας.

• Το μαγνητικό πεδίο μέσα σε αυτό το δακτύλιο αυξάνεται σταδιακά (με το χρόνο) για να επιταχυνθούν τα σωματίδια.


• Πλεονεκτήματα:– Το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου είναι πολύ

μικρότερο.– Η τροχιά των σωματιδίων δεν είναι ανάγκη να

είναι τελείως κυκλική (μπορεί να γίνεται και σε πολυγωνική γραμμή).


• Μειονεκτήματα:– Το σύγχροτρο δεν μπορεί να δώσει συνεχή

ροή σωματιδίων. Αντίθετα παράγει σύντομες ριπές.


• Large Hadron Colider (CERN)– 27 km περίμετρος, 7 GeV ενέργεια,

99.9999991% της c.

Επιταχυντές

Education

Transcript of Επιταχυντές