Akcelerator cząstek

Akcelerator

Akcelerator to urządzenie, które ma na celu przyspieszanie cząstek elementarnych lub jonów do prędkości zbliżonych do prędkości światła w próżni. Cząstki posiadające ładunek elektryczny są przyspieszane w polu elektrycznym. Aby skupić cząstki w wiązkę i nadać im odpowiedni kierunek, wykorzystuje się odpowiednio zaprojektowane pole magnetyczne lub elektryczne, które w niektórych konstrukcjach może zmieniać się w czasie.

Obiekt, który jest bombardowany przez przyspieszone cząstki, określany jest jako tarcza lub target (ang. 'cel’).

Najprostszymi przykładami urządzeń przyspieszających cząstki są działa elektronowe, które znajdują zastosowanie w kineskopach oraz generatorach promieniowania rentgenowskiego.

Zastosowanie

Akceleratory stanowią kluczowe narzędzie w badaniach fizyki jądrowej. Używane są do przyspieszania cząstek elementarnych i zderzania ich ze sobą, co pozwala na przeprowadzanie reakcji jądrowych. Dzięki temu możliwe jest zgłębianie właściwości cząstek oraz mechanizmów tych reakcji.

W dziedzinie medycyny akceleratory są wykorzystywane w radioterapii, gdzie stosuje się je do leczenia schorzeń, takich jak nowotwory, poprzez naświetlanie ich promieniowaniem jonizującym.

Niektóre akceleratory mogą również pełnić rolę komponentów w większych akceleratorach, które osiągają wyższe energie. Takie urządzenia nazywane są akceleratorami wstrzykującymi (inżektorami).

Akceleratory są również używane do generowania obrazu w kineskopach telewizorów, monitorów oraz oscyloskopów.

W przemyśle akceleratory znajdują zastosowanie w różnych technologiach radiacyjnych, takich jak: sterylizacja, szczepienia (grafting), sieciowanie, wulkanizacja, konserwacja żywności oraz modyfikacja półprzewodników.

Podział

Akceleratory można klasyfikować według różnych kryteriów:

• rodzaj przyspieszanych cząstek, np. akceleratory protonów, elektronów, jonów ciężkich
• kształt toru, po którym poruszają się cząstki: liniowe, kołowe (cykliczne)
• metoda przyspieszania, np. napięcie stałe, wysokiej częstotliwości, indukowane, wielostopniowe (kolejne etapy przyspieszają cząstki do coraz wyższych energii)
• maksymalna energia przyspieszenia (keV, MeV, GeV)
• gradient pola przyspieszającego (stałe, zmienne)

Główny podział akceleratorów opiera się na kształcie toru i metodzie przyspieszania:

• liniowe – cząstki przyspieszane są na prostym odcinku:
  • o stałym napięciu przyspieszającym (kaskadowy, van der Graaffa, tandem, Cockcrofta-Waltona)
  • o napięciu przyspieszającym wysokiej częstotliwości (liniowy z falą bieżącą, liniowy z falą stojącą).
• cykliczne (kołowe)
  • synchroniczne (cyklotron, synchrocyklotron, synchrotron protonowy, synchrotron elektronowy, mikrotron)
  • asynchroniczne (betatron, akcelerator plazmowy, akcelerator wiązek przeciwbieżnych)

Działanie

Cząstki są przyspieszane za pomocą pola elektrycznego, a pole magnetyczne służy do nadawania cząstkom odpowiedniego toru lub ich skupienia.

Pole magnetyczne generowane jest za pomocą bloków elektromagnesów, które rozmieszczone są w regularnych odstępach na całej długości akceleratora.

Akceleratory nie są uniwersalnymi urządzeniami; przykładowo, akcelerator przeznaczony do przyspieszania cząstek lekkich nie będzie mógł być użyty do przyspieszania ciężkich jonów. Wynika to z różnic w masach cząstek oraz energii, przy której efekty relatywistyczne stają się znaczące.

Akceleratory mają również potencjał do wytwarzania antymaterii.

Gdzie znaleźć

W Polsce, na dzień 31 grudnia 2016 roku, zarejestrowano 77 akceleratorów.

Największy cyklotron w Polsce mieści się w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów w Warszawie.

Pierwszy i jedyny synchrotron w Polsce to synchrotron SOLARIS, który znajduje się w Krakowie.

Największe cyklotrony w Europie i na świecie zlokalizowane są w CERN w Genewie, gdzie Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) ma obwód wynoszący prawie 27 km.

Zobacz też

Międzynarodowy Zderzacz Liniowy

Przypisy

Linki zewnętrzne

Aleksander Żarnecki, Akceleratory wokół nas, kanał „Zapytaj fizyka” na YouTube, 10 marca 2016 [dostęp 2022-01-21].

Don Lincoln, How does an atom-smashing particle accelerator work?, kanał TED-Ed na YouTube, 18 kwietnia 2013 [dostęp 2024-08-22].