Acceleratorul de particule
Unaccelerator de particuleeste o instalaie complex folosit n
domeniul fizicii de nalt energie pentru a
acceleraparticuleelementare. Se accelereaz n general doar
particulele ce poartsarcin electric. Accelerarea are loc sub
aciunea unorcmpuri electriceimagnetice. Acesta este utilizat la
studiulparticulelor elementarei al structuriinucleului atomic.
Exist o mare varietate de acceleratoare de particule, ele putnd fi
clasificate dup n funcie de forma traiectoriei fascicului de
particule accelerate, caracterul cmpurilor acceleratoare, domeniul
de energii imprimate particulelor i n funcie de natura particulelor
accelerate. n acceleratoare este nevoie de asigurarea stabilitii
traiectoriei, adic meninerea permanent a particulelor aflate n
procesul accelerrii pe traiectorii care s nu permit abateri mari de
la traiectoria de echilibru(sau de referin).Scopul accelerrii
particulelor Sintez (formare) de noi elemente cu ajutorul ionilor
grei accelerai. Gsirea celei mai mici particule subatomice,
particula care st la baza Universului. Ciocnirea cu alte particule
staionare; ciocnire care rezult n descompunerea n alte particule,
ele putnd fi urmrite i analizate cu diverse aparate (exemplu:camera
cu cea). Prin aceast ciocnire s-au descoperit cele mai
multeparticule subatomice. Se accelereaz particula la viteze tot
mai mari pentru a se analiza comportamentul ei. Spre
exempluelectronulaccelerat i mrete masa. Obinerea unui flux extrem
de ridicat deradiaii Xntr-o instalaie acceleratoare
denumitsincrotron. Acceleratorul de particule este inventat pentru
a vedea ce s-a ntmplat dup primele secunde de la marea explozie
cosmic Big-Bang.Acceleratorul din laboratorul CERN Cel mai mare
accelerator de particule se afl n laboratorul CERN, ntre Frana i
Elveia, marea parte aflndu-se n Frana. Acest accelerator poate
accelera atomi pn la o vitez de 99,999999% din viteza luminii.
Tunelurile unde sunt bgate particulele se ntlnesc n 4 puncte.n
unele zone ale acestor tunele pot atinge temperatura de 0 (zero)
absolut(-273C) Oamenii de tiin vor ca prin unirea celor 2 particule
s se genereze aa-zisa "particul a lui Dumnezeu" Acceleratorul de
particule din laboratorul CERN este situat la cteva zeci de metri
sub pmnt ntins pe o distan de 25km, i au lucrat la el peste 7000 de
savani i fizicieni. IstoricLa nceputul secolului XX, ciclotronii
erau denumii n mod normal ca sprgtor de atomi. n ciuda faptului c
ciocnirile de particule moderne, de fapt, propulseaz particulele
subatomice atomii nii acum sunt relativ simplu de scindat fr a
utiliza acceleratorul de particule termenul persist n limbajul
cotidian cnd ne referim la acceleratorul de particule n
general.Raze de particule cu energie mare sunt folositoare att
pentru cercetrile fundamentale i aplicate n tiinte, ct i n multe
domenii tehnice i industriale fr legatur cu cercetrile
fundamentale. A fost estimat ca sunt aproximativ 26.000 de
aceeleratoare n ntreaga lume. Dintre acestea, doar ~ 1% reprezinta
mainile de cercetare cu peste 1 GeV, ~44% sunt n domeniul
radioterapiei, ~41% pentru implantarea de ioni, ~9% pentru
procesarea i cercetarea industrial, ~4% pentru cercetri biomedicale
i alte cercetri cu cantiti mici de energie.Pentru anchetele de baz
n dinamica i structura materiei, spaiului i timpului, fizicienii
caut cele mai simple genuri de interaciuni la cele mai nalt
posibile energii. Acestea, n mod normal, implic energii ale
particulelor de muli GeV i interaciuni ale celor mai simple
particule: leptoni (de exemplu: electronii i protonii) i cuarci sau
fotoni i gluoni n cmpul cuantei. Din moment ce cuarcii izolai sunt
indisponibili datorit paletei mici de culori, cele mai simple
experimente disponibile implic interaciunile, n primul rnd, a
leptonilor ntre ei i, n al doilea rnd, a leptonilor cu nucleonii,
care sunt compui din cuarci i gluoni. Pentru a studia ciocnirile
cuarcilor ntre ei, savanii recurg la coliziunile dintre nucleoni,
care la energii mari ar putea fi considerai ca interaciuni ntre dou
corpuri ale cuarcilor i gluonilor din care sunt compui. Astfel,
fizicienii au tendina s foloseasc maini care creeaz raze de
electroni, protoni, i antiprotoni, care interacionnd ntre ei sau cu
cele mai simple nuclee (cum ar fi hidrogenul sau deuteriul) la cele
mai mari energii posibile, genereaz sute de GeV sau mai mult.
Fizicienii nucleari sau cosmologii pot folosi razele atomilor
nucleici, far electroni, pentru a investiga structura,
interaciunile i proprietile nucleilor nii i condensul la
temperaturi extreme i densiti aa cum au aprut n primele momente ale
Big Bang-ului. Aceste investigaii implic, adeseori, ciocniri ale
nucleilor grei ale atomilor ca Fe sau Au la energii de cativa GeV
per nucleon. La energii mici, raze de nuclei accelerai sunt
folosii, de asemenea, n medicin, cum ar fi tratamentul
cancerului.Pe lng faptul c sunt de interes fundamental, electronii
de mare energie ar putea fi forati s emit raze foarte deschise i
coerente de fotoni de mare energie raze ultraviolete sau raze X pe
calea radiaiei sincrotonului, ale cror fotoni are numeroase
utilizri n studiul structurii atomului, chimie, biologie,
tehnologie. Exemplele includ ESRF n Europa, care a fost recent
utilizat pentru a extrage imagini detaliate 3D a insectelor prinse
n chihlimbar. Astfel, este o mare cerere pentru acceleratorul de
electron de energii moderate (GeV) i intensitate mare.
Mainile de energie mic
Acceleratoare de energii mici folosesc o singur pereche de
electrozi cu un voltaj DC a ctorva mii de voli ntre ei. ntr-un
generator de raze X, sarcina nsi este cea a electrozilor. Un
accelerator de particule numit implementator de ioni este folosit n
fabricarea circuitelor integrate.Mainile de energie
mareAcceleratorul DC este capabil de a accelera particule la viteze
suficiente pentru a cauza reacii nucleare, cum ar fi generatorul
Cockcroft-Walton sau multiplicatorul de voltaj, care transform
voltajul AC (alternativ) n DC (continuu), sau generatorul Van de
Graaff care folosete electricitatea static.Cele mai mari i
puternice acceleratoare, cum ar fi RHIC, Large Hadron Collider
(LHC) si Tevatron-ul sunt folosite n fizica
particulelor.Acceleratoarele de particule produc, de asemenea, raze
de protoni, care pot produce izotopi medicali sau de cercetare
bogai n protoni, n contradicie cu cele bogate n neutroni fcui n
reactoarele de fisiune. Totui, cercetarea recent a artat cum se fac
99Mo, de obicei, fcui n reactoare, prin izotopi accelerai ai
hidrogenului, chiar dac aceast metod are nc nevoie de un reactor
pentru a produce tritium. Un exemplu al acestui tip de mainrie este
LANSCE, din Los Alamos.
Acceleratoarele electrostatice de particule
Istoric vorbind, primele acceleratoare foloseau tehnologia simpl
a unui singur mare voltaj (potenial) static pentru a accelera
particule ncrcate. n timp ce aceast metod este nc foarte popular n
zilele de astzi, numrul acceleratoarelor electrostatice depind cu
mult orice alt clas, ele sunt ndreptate ctre studiile cu energie
mic pn la limita de 30 MV (cnd acceleratorul este plasat ntr-un
rezervor). Acelai mare voltaj poate fi folosit de dou ori n cascad
dac sarcina particulelor poate fi inversat n timp ce sunt n
terminal; acest lucru este posibil cu accelerarea nucleului atomic
prin adugarea, nti, a unui electron sau prin formarea unui compus
chimic cationic (ncrcat negativ), iar apoi trecnd raza printr-o
folie subire pentru a ndeprta electronii din terminalul de mare
voltaj, crend raza ncarcat pozitiv.Aceast categorie nu trebuie s
fie confundat cu acceleratoarele liniare, acest termen referindu-se
la acceleratoarele care folosesc cmpuri electrice oscilante sau
ghid de unde. Astfel, cele mai multe acceleratoare aranjate ntr-o
linie dreapt nu trebuie numite acceleratoare liniare.
Acceleratoare de cmpuri oscilante de particule
Datorita plafonului de mare voltaj impus de descrcarea electric,
pentru a accelera particule spre energii mari, sunt utilizate
tehnici care implic mai mult dect o singur surs joas, dar oscilant,
de nalt tensiune. Aceti electrozi pot fi aranjai pentru a accelera
particulele ntr-o linie sau un cerc, depinznd dac particulele
aparin unui cmp magnetic n timp ce sunt accelerate, provocnd
traiectoriile lor s se curbeze.
Acceleratoarele liniare de particule
ntr-un accelerator liniar (linac), particulele sunt accelerate
ntr-o linie dreapt cu o int de interes final. Acestea sunt foarte
des folosite. Sunt folosite pentru a da o energie iniial mic
particulelor nainte s fie introduse ntr-un accelerator circular.
Cel mai lung accelerator liniar din lume este SLAC (Stanford Linear
Accelerator), avnd 3 km lumgime.Acceleratoarele liniare de energii
mari folosesc sisteme liniare de plci (sau tuburi cu und progresiv)
la care este aplicat un cmp ncrcat cu energie alternant. n timp ce
particulele se apropie de o plac, ele sunt accelerate ctre aceasta
prin intermediul unei plci cu polaritate opus. Pe cnd trec prin
gaura din plac, polaritatea este inversat astfel nct placa, nu le
accept i le accelereaz ctre urmtoarea plac. n mod normal, un curent
cu fascicule cu mai multe particule este accelerat, astfel nct un
voltaj controlat AC este aplicat fiecrei plci pentru a repeta acest
proces pentru fiecare fascicul.n timp ce particulele se apropie de
viteza luminii, rata de comutare a cmpurilor electrice devine att
de mare, nct opereaz la frecvena microundelor, astfel, cavitile
rezonante RF sunt folosite n dispozitive cu energii mari n loc de
simple plci.Acceleratorii liniari sunt folosii n medicin, n
radioterapie i n chirurgia cu unde radio. Acceleratoarele liniare
folosite n medicin folosesc un klystron i un aranjament complex de
magnei care produc o raz cu o energie de 6-30 de milioane de
electron-voli (MeV). Electronii pot fi folosii direct sau pot fi
ciocni de o int pentru a produce raze X. Sigurana, flexibilitatea i
acurateea razei produs au nlocuit vechea utilizare a terapiei cu
Cobalt-60 ca instrument de tratamen.
Pionierii accelatoarelor:
John Cockcroft a lucrat la acceleratoare liniare.
Figura 1 Accelerator in cascada ( Crockroft-Walton 1932)
Robert J. Van de Graff, iniial, a folosit bobina Tesla la
Universitatea Princeton i apoi a trecut, n 1929, la geratoarele Van
de Graff.
Figura 2
Figura 3
Acceleratoarele circulare (sau ciclice)
ntr-un accelerator circular, particulele se mic ntr-un cerc pn
cnd obin suficient energie. Calea particulelor este curbat n form
de cerc folosind electromagneii. Avantajul acceleratorului circular
fa de cel liniar este c topologia circular permite accelerarea
continu, astfel nct particulele pot tranzita la infint. Un alt
avantaj este c acceleratorul circular este mai mic dect cel liniar
n comparaie cu puterea lor (de exemplu, un linac ar trebui s fie
extrem de lung pentru a avea echivalentul puterii unui accelerator
circular). n funcie de puterea i acceleraia particulelor,
acceleratoarele circulare au un dezavantaj: particulele emit
radiaii ale sincrotonilor. Cnd o particul ncrcat este accelerat, ea
emite radiaii electromagnetice i emisii secundare. Aa cum o
particul, care se deplaseaz n cerc, accelereaz tot timpul ctre
centrul cercului, ea emite n continuu radiaii ctre tangenta la
cerc. Aceast radiaie se numete lumina sincroton i depinde n mare
parte, de masa particulei. De aceea, multe acceleratoare de
electroni cu putere mare sunt liniare. Unele acceleratoare, precum
sincrotonul sunt create special pentru a produce acea lumin
sincroton, adica raza X.Deoarece teoria relativitii impune ca
materia s se deplaseze mai ncet dect viteza luminii n vid n
acceleratoare de energii mari, aa i energia crete atunci cnd viteza
particulei se apropie de viteza luminii, dar nu o atinge niciodat.
De aceea, fizicenii nu se gndesc, n general, la viteza, ci mai mult
la energia particulei (sau impulsul acesteia), de obicei msurat n
electron-voli(eV). Un important principiu al acceleratoarelor
circulare, i a razelor de particule, n general, este acela ca
traiectoria particulei s aib o curbur proporional cu sarcina
acesteia i cu cmpul magnetic, dar invers proporional cu
impulsul.
Ciclotronii
Figura 4Primele acceleratoare circulare au fost ciclotronii,
inventai n 1929 de Ernest O. Lawrence la Universitatea din
California, Berkeley. Ciclotronii au o singur pereche de plci
adncite n forma de D pentru a accelera particulele i un singur
magnet mare dipolar pentru a devia deplasarea ntr-o orbit circular.
Este o proprietate caracteristic particulele ncrcate ntr-un cmp
magnetic constant i uniform, B, pe care orbiteaz cu o perioad
constat, la o frecven numit frecven ciclotronic, atat timp ct
viteza lor este mic n comparaie cu viteza luminii (c = 3*108 m/s).
Acest lucru nseamn D-urile accelerate ale unui ciclotron pot fi
condui ctre o frecven radio constant (RF) accelernd puterea sursei,
pe cnd raza face o spiral n continuu. Particulele sunt inserate n
centrul magnetului i sunt extrase la margine cnd ajung la energie
maxim.Ciclotronii ajung la energia limit din cauza efectului
relativist, cnd particulele devin, efectiv, masive, astfel nct
frecvena lor ciclotronic scade cu acceleraia radio frecvenei.
Ciclotronii simpli pot accelera protoni doar pn la o energie de
aproape 15 milioane de electron voli (15 MeV, corespunznd vitezei
de aproximativ 10% din viteza luminii). Dac este accelerat n
continuare, traiectoria devine o spiral pn de o raz i mai mare, dar
nu va mai avea destul vitez pentru a completa ntregul cerc n
conformitate cu radio frecvena. Ciclotronii sunt, cu toate acestea,
nc folositori pentru aplicaiile cu energie mic.
Sincrociclotronii i izocronusul ciclotron
Sunt multe moduri de a modifica clasicul ciclotron pentru a-i
crete energia limit. Acest lucru poate fi facut ntr-o raza continu,
cu o frecven constant, avnd un dispozitiv care modific polii
magneilor pentru a crete cmpul magnetic cu o anumit valoare.
Atunci, particule ncrcate parcurg o distan mai scurt pe fiecare
orbit decat ar face de obicei, i pot s rmn n faz cu cmpul. Astfel
de dispozitive de numescizocronus ciclotron. Avantajul lor este ca
pot genera n continuu raze de o intensitate medie mai mare, ceea ce
este folositor pentru unele aplicaii. Cel mai mare dezavantaj l
reprezint mrimea i costul acelui mare magnet necesar i dificultatea
n obinerea unui cmp att de mare.Sincrociclotronul accelereaz
particulele pe grupuri, ntr-un cmp magnetic B constant, dar reduce
radio-frecvena cmpului pentru a pstra particulele n pas cu spirala
ce se formeaz. Aceasta apropiere nu are o intensitatea a razelor
att de mare datorit formrii grupurilor, din nou din cauza necesitii
acelui magnet de diametru mare i cmp constant fa de orbita mare
cerut de energia mare.
Acceleratoarele FFAG
Acceleratoarele FFAG, n care un cmp radial foarte puternic,
combinat cu focalizare cu gradient alternant, permite razei sa fie
nchis ntr-un inel strmt, fiind o extensie a ciclotronului
izocronus, idee care este, mai trziu, n dezvoltare. Ei folosesc
seciuni cu accelerare RF ntre magnei, i asa sunt izocronii pentru
particulele relativiste ca electronii (care ajung la viteza luminii
la doar civa MeV), dar doar pentru o variaie limitat de energie i
particule mai grele la energii sub-relativiste. La fel ca la
izocronus ciclotronul, ei reuesc s obina o raz continu, dar fr
nevoia unui magnet uria dipolar ce se poate ndoi acoperind ntreaga
raza a orbitei.
Figura 5 ( Accelearator FFAG at Kyoto University
research)Cercetarea i dezvoltareade acceleratoare se bazeaza pe
principiulFFAGiaplicaiile acestuia. Acceleratorulbazatpe
principiulFFAGare ocaracteristica unicade autiliza
cmpurinon-liniare electrice imagneticeefficient. Acesta este destul
dediferit deacceleratoarele obinuite. Diversetehnologii de
acceleratoare sunt bazate peprincipiul FFAG, cum ar fi
rcireafascicului deionizare.=Figura 6Betatronul
Un alt tip de accelerator circular, inventat n 1940 pentru
accelerarea electronilor, este betratonul (figura 7). Ca i
sincrotonul, acesta folosete un magnet n forma de gogoa (cu gaur n
mijloc) cu un cmp ciclic magnetic B, dar accelereaz particulele
prin inducie de la cmpul magnetic n cretere. Ajungnd la o orbit
radial constant n timp ce asigur cmpul electric necesar, are nevoie
ca fluxul magnetic conectat la orbit sa fie ntr-un fel independent
de cmpul magn0etic de pe orbit, deviind particulele ntr-o curb
constant. Aceste dospozitive au fost, n practic, limitate de marile
pierderi radiale suferite de electronii care se micau aproape de
viteza lumii pe o orbita relativ mic.
Figura 7IstoriaPrimul ciclotron al lui Lawrence a avut aproape
100 mm (4 inch) diametru. Mai trziu, el a construit o mainrie cu
aproape 60 de inch i a proiectat una de 174 inch diametru, pentru
care nu a avut timp, deoareceal II-lea Rzboi Mondiali-a oferit ansa
muncii n domeniul separarrii izotopului de uraniu. Dup rzboi, el a
continuat munca n cercetare i medicina pentru muli ani.Primul mare
sincroton de protoni a fost Ccosmotron de la Laboratorul National
Brookhaven, care a accelerat protonii pn la aproape 3 GeV.
Bevatronul, de la Berkeley, terminat n 1954, a fost special
conceput pentru a accelera protonii la o energie suficient de mare
pentru a crea antiprotoni, verificnd simetria particul-antiparticul
a naturii, pn atunci doar bnuit. AGS (Alternating Gradient
Synchroton) din Brookhaven a fost primul mare sincroton cu gradient
alternant, magnei cu focalizare puternic, ce au redus considerabil
deschiztura razei, corespunznd mrimii i costului magnetului. Proton
Synchroton-ul, construit la CERN, a fost primul mare accelerator de
particule european, semannd n mare pare cu AGS.Acceleratorul liniar
Stanford, SLAC, a devenit funcionabil n 1966, accelernd electronii
pn la 30 GeV pe o raz de 3km, fiind amplasat ntr-un tunel i
alimentat de sute de klystroni. Este cel mai mare accelerator
liniar existent i a fost upgradat. Este, de asemenea, o surs de
sincroton foton de raze X si UV. Tevatronul Fermilab are un inel cu
un fascicul de ghidare lung de 6 km, primind ulteorir cteva
mbuntiri. Cel mai mare accelerator circular construit vreodat este
sincrotronul LEP de la CERN, cu o circumferin de 26.6 km. A ajuns
la o energie de 209 GeV nainte sa fie demontat n anul 2000 pentru
ca tunelul subteran sa poata fi folosit pentru LHC (Large Hadron
Collider). LHC este, momentan, cel mai mare accelerator, avnd cea
mai mare energie, ajungnd pn la 7 TeV per raza, dar momentan are
doar jumtate din aceast energie. Abandonatl SSC (Superconducting
Super Collider) din Texas ar fi avut o circumferin de 87 km.
Construcia sa a nceput n anul 1991, dar a fost abandonat n 1993.
Acceleratoare circulare foarte mari sunt construite n tunele
subterane, avnd civa metri diametru pentru a minimaliza costurile
unei asemenea structuri la suprafa, i pentru a asigura un scut
mpotriva radiatiilor secundare ce pot aprea, care penetreaza cu
energii foarte mari.
Bibliografie:1. www.tvr.ro, i romnii caut... "particula lui
Dumnezeu"2. http://ro.wikipedia.org3.
http://www.adevarul.ro/life/viata/cern-particula_lui_dumnezeu-accelerator_particule_0_234576921.html4.
http://ro.wikipedia.org/wiki/Categorie:Acceleratoare_de_particule5.
http://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=acceleratorul%20de%20particule%20bibliografie&source=web&cd=4&ved=0CDgQFjAD&url=http%3A%2F%2Fxii-mv-md.wikispaces.com%2Ffile%2Fview%2FAcceleratorul%2Bde%2Bparticule..pptx&ei=QmuUT9K5K8Gj-gaw-eGuBA&usg=AFQjCNEBiW2sbIahqodIGIDvq1mkgVLgag6.
http://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=acceleratorul%20de%20particule%20pdf&source=web&cd=4&ved=0CDgQFjAD&url=http%3A%2F%2Fwww.phys.ubbcluj.ro%2F~grigore.damian%2Fcursuri%2Fpe%2Fcurs11.pdf&ei=5muUT_S7MIys-gaM-PidBA&usg=AFQjCNEUashiI7JsQB0rMDML9koMsuw4zg7.
http://www.google.ro/imgres?q=betatronul&um=1&hl=ro&sa=N&biw=1366&bih=662&tbm=isch&tbnid=pONOBkifcA_TdM:&imgrefurl=http://scheme-electrice.com/acceleratoare-ciclice/&docid=fMstwc2qroEzIM&imgurl=http://farm6.static.flickr.com/5303/5644429638_61f57afbb9.jpg&w=361&h=500&ei=EHWUT8HOLYPysgbeiomrBA&zoom=1&iact=rc&dur=630&sig=113534834773603647897&page=2&tbnh=147&tbnw=106&start=21&ndsp=28&ved=1t:429,r:7,s:21,i:128&tx=21&ty=1408.
http://www.rri.kyoto-u.ac.jp/en/RD/NSE/nse01_rrs.html9.
http://www.google.ro/imgres?q=accelerator+ffag&um=1&hl=ro&prmdo=1&biw=1366&bih=662&tbm=isch&tbnid=Pg16I7eLlwBlpM:&imgrefurl=http://www.hep.ucl.ac.uk/lfv/comet/prism/&docid=sWDGONX5yTBqkM&imgurl=http://www.hep.ucl.ac.uk/lfv/comet/prism/prism.png&w=1054&h=720&ei=4HGUT8WPEY_tsgaW9vmeBA&zoom=1&iact=hc&vpx=1053&vpy=157&dur=5526&hovh=185&hovw=272&tx=199&ty=112&sig=113534834773603647897&page=1&tbnh=121&tbnw=177&start=0&ndsp=18&ved=1t:429,r:5,s:0,i:7110.
http://www.phys.ubbcluj.ro/~grigore.damian/cursuri/pe/curs11.pdf
2
