A | B | C | D | E | F | G | H | CH | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9
A részecskegyorsítók töltött részecskéket: leptonokat (elektron, pozitron), hadronokat (proton, antiproton), atommagokat, ionokat, molekulákat gyorsítanak fel elektromos feszültséggel nagy energiára. Ilyen gyorsító tulajdonképpen a TV képcsöve is, amely elektronokat gyorsít. A magfizika és részecskefizika területén (például a CERN-ben) ennél jóval nagyobb energiákra gyorsítanak részecskéket (elektront több száz GeV-ra). Nagyobb energián nagyobb térbeli felbontás érhető el, valamint létrejöhetnek nagy tömegű részecskék (E=mc²).
A gyorsítók fizikája
A proton energiájának és sebességének összefüggése alapján jól látható, hogy a feszültséglökések hatására elsősorban az energia növekszik, a sebesség GeV felett már alig, ekkor már ugyanis a fénysebességhez közelít.[1]
energia | sebesség (fénysebesség=1) |
---|---|
1eV | 0,00005 |
1 MeV | 0,046 |
1 GeV | 0,876 |
1 TeV | 0,99999956 |
7 TeV | 0,999999991 (LHC) |
Csoportosításuk
Nagyobb energiát el lehet érni egyenfeszültséggel és váltakozó feszültséggel is. Az egyenfeszültséggel működő gyorsítókat egyenáramú gyorsítóknak nevezzük, mivel folyamatos részecskenyalábot képes előállítani, míg a váltófeszültséggel működőket pulzált gyorsítóknak nevezzük, mert csak részecskecsomagok gyorsíthatók vele, nem érhető el folytonos nyaláb. A pulzált gyorsítókat a részecskepálya alapján tovább csoportosítjuk lineáris gyorsítókra, melyekben a részecskék pályája egyenes, és körkörös (más néven orbitális vagy ciklikus) gyorsítókra. A betatron tulajdonképpen egy külön csoportot alkot, hiszen abban a mágneses indukcióvektor változása hozza létre a részecskét gyorsító elektromos teret, több jelenség azonban a körkörös gyorsítókhoz hasonlóan tárgyalható.
Egyenáramú gyorsítók
Az alacsonyenergiájú gyorsítók, mint például a katódsugárcső és a Röntgen-cső egyetlen elektródapárt tartalmaznak, melyre pár ezer voltos egyenfeszültséget kötnek. A Röntgen-csőben az egyik elektróda a célpont, ahol a nagy energiájú elektronok becsapódnak, és röntgensugarakat keltenek.
Egyenfeszültségű gyorsítók közé tartozik a kaszkádgyorsító (Cockcroft és Walton fejlesztette ki 1932-ben), amelyben váltóáram csúcsfeszültségét sokszorozzák meg a nagy gyorsítófeszültség eléréséhez, és a Van de Graaff-generátorral működtetett gyorsító, melyben a Van de Graaf-generátor pár ezer volt egyenfeszültségből állít elő több millió volt (MV) gyorsítófeszültséget (Robert J. Van de Graaff, 1931). Mindkettő valamilyen ionforrásból kapja a gyorsítandó ionokat.
Lineáris gyorsítók
A lineáris gyorsítóknak nevezzük azokat a pulzált gyorsítókat, amelyben a töltött részecskéket egy egyenes mentén gyorsítják. Angolul gyakran linac-oknak (ejtsd linak) hívják az angol LINear ACcelerator rövidítéséből.
Rádiófrekvenciás váltakozó feszültséggel működtethetőek a lineáris gyorsítók. Ekkor több egymás utáni lemezt alkalmaznak, melyekre váltakozó feszültséget kötnek, minden másodikra az egyik pólust, a többire a másikat. A berendezést úgy állítják be, hogy amikor részecske közeledik egy lemezhez, azon éppen a részecskéével ellentétes töltés van, ami gyorsítja a részecskét. Amikor áthalad a lyukon, a polaritás megváltozik, így a következő lemez újból gyorsít a részecskén. Általában több részecskecsomagot gyorsítanak egymás után ezekben a gyorsítókban.
Ahogy a részecske sebessége a fénysebesség közelébe ér, olyan magassá válik az elektromágneses tér polaritásváltásának sebessége, hogy az már mikrohullámú frekvenciába esik, emiatt mikrohullámú üregrezonátorokat használnak a gyorsítófeszültség létrehozására.
A legnagyobb lineáris gyorsító a Stanford Linear Accelerator (Stanfordi Lineáris Gyorsító, SLAC), mely 2 mérföld (3,2 kilométer) hosszú. Tervben van egy még nagyobb nemzetközi gyorsító, a nemzetközi lineáris gyorsító (International Linear Collider, ILC) építése.
Körkörös gyorsítók
A körkörös gyorsítókban a részecske egy kör, vagy változó sugarú körívek mentén mozog, amíg el nem éri a szükséges energiát. A részecske pályáját egy dipól mágnessel hajlítják kör alakúra, amúgy a gyorsítás mechanizmusa a lineáris gyorsítókhoz hasonló. A körkörös gyorsítóknak az az előnye a lineárisokkal szemben, hogy egy-egy része többször gyorsít a részecskén, ahányszor csak áthalad ott. Figyelembe kell venni, hogy egyszerre több részecskét gyorsítunk, amelyek nem egy pontban térrészben helyezkednek el, erről, és további fontos alapról a töltés mozgása mágneses térben szócikkben írunk.
Van viszont egy hátrányuk is a körkörös gyorsítóknak: szinkrotronsugárzást bocsátanak ki a gyorsított részecskék. A töltött részecskék gyorsulásakor ugyanis mindig keletkezik elektromágneses sugárzás. Körmozgás esetén pedig mindig van gyorsulás, melynek egyik összetevője (a centripetális gyorsulás) a kör középpontja felé mutat. Emiatt folyton sugároz a körpályán mozgó részecske. Ezt az energiát pótolni kell, emiatt a lineáris gyorsítók mindig hatékonyabbak a körkörös gyorsítóknál. Némely gyorsítót kimondottan azzal a szándékkal építenek, hogy ilyen sugárzást keltsen röntgensugárzás formájában. Ez a sugárzás például proteinek röntgen-spektroszkópiájára használható.
Nagyobb szinkrotronsugárzást bocsátanak ki az azonos energiájú könnyebb részecskék, hiszen a sebességük, és így a gyorsulásuk is nagyobb. Emiatt szinkrotron sugárzás keltésére elektronokat gyorsítanak. A nagyobb energiák elérésére a fizikusok viszont inkább nehezebb részecskéket használnak: protonokat, atommagokat. Ennek viszont az a hátránya, hogy ezek a részecskék összetettek (a protonok kvarkokból és gluonokból állnak), emiatt az eredmény elemzése sokkal nehezebb.
A legelső körkörös gyorsítók ciklotronok voltak, melyet 1929-ben Ernest O. Lawrence fejlesztett ki. A ciklotronban két D alakú üreg található, mely a részecskéket gyorsítja, és egy dipól mágnes, mely a részecskék pályáját meggörbíti. A részecskéket a középpontba lövik be, és spirális pályán halad kifelé.
A ciklotron azt használja ki, hogy adott mágneses térben egy részecske bármekkora sebesség esetén azonos idő alatt megy körbe (töltés mozgása mágneses térben). Ez egészen addig igaz, míg a sebesség meg nem közelíti a fénysebességet. Ekkor a tömege elkezd növekedni (lásd speciális relativitáselmélet), és a keringés periódusideje megnő. Emiatt nem lehet protonokat 20 millió elektronvoltnál (20 MeV) nagyobb energiára gyorsítani ciklotronnal. Van rá mód, hogy kompenzáljuk a tömegnövekedést bizonyos mértékig, erre szolgálnak a szinkrociklotronok és az izokrón ciklotronok. De ezek sem alkalmasak 1000 MeV-nél nagyobb energiájú gyorsításokra.
A mikrotron teljesen kiküszöböli a relativisztikus tömegnövekedésből adódó problémákat, sőt kimondottan a tömegnövekedést használja fel. A mikrotron elektront gyorsít úgy, hogy minden periódusban elektrontömegnek megfelelő energiát ad neki, ezáltal az keringési idők az eredeti többszörösei lesznek, mindig akkor ér a gyorsítási pontba az elektroncsomag, amikor ott éppen megfelelő irányú feszültség van.
Nagyobb energiákra – több milliárd elektronvoltra (több GeV) szinkrotronnal gyorsíthatjuk fel a részecskéket. Ez egy olyan gyorsító, melyben a részecske egy körbehajlított vákuumcsőben, állandó sugarú pályán utazik. A szinkrotronoknál is megkülönböztetünk két típust a fókuszálás módja szerint: a gyengén fókuszálóban maga a körpályán tartó mágneses tér sugárirányú változása gondoskodik a részecskék fókuszálásáról (mágneses térindex), az erősen fókuszáló szinkrotronokban erről külön négy- (esetleg hat-?) pólusú mágnesek gondoskodnak. Az erős fókuszálású szinkrotronokban rengeteg mágnes található, hogy fókuszálják a részecskenyalábot és meggörbítsék a pályáját, valamint mikrohullámú üregrezonátorok, hogy gyorsítsák a részecskét, megnöveljék energiáját. A gyengén fókuszáló szinkrotronok esetén különböző az elektron-szinkrotronok és proton-szinkrotronok felépítése a két részecske tömegkülönbsége miatt.
Pár konkrét ciklikus gyorsító adatai
Lawrence első ciklotrona nagyjából 10 centiméter átmérőjű volt, a legnagyobbak nagyjából 2 méter átmérőjűek, több száz tonnás mágnessel. A Fermilab gyorsítója 4 mérföld (6,4 kilométer) kerületű. Az eddigi legnagyobb pedig LEP a CERN-ben 8,5 kilométer átmérőjű, 27 km kerületű, amely elektron-pozitron ütköztetőgyűrű volt. Ennek az alagútját újrahasználták a nagy hadronütköztető gyűrű (LHC) építésére, mely 2008-ban lépett működésbe.
Texasban tervezték felépíteni a szupravezető szupercsűrlőt (SSC), melynek 87 km lett volna a kerülete. Elkezdték építeni, de leállították jóval az elkészülte előtt, mivel a tervezettnél sokkal több pénzbe került volna. A nagy körkörös gyorsítókat néhány méter átmérőjű földalatti üregekbe építik, így nem zavarja meg a felszíni életet, és a vastag földréteg megvéd minket az erős szinkrotronsugárzástól is.
Fontosabb gyorsítási elvek
- Fázisstabilitás: a részecskék sebességirányú szétszóródását gátolja meg, ha nem pont a legnagyobb feszültség idején haladnak át a részecskék, hanem a maximumhoz képest jól meghatározott időintervallumban.
- Gyenge- és erős fókuszálás: a részecskék sebességre merőleges szétszóródását akadályozza meg a körkörös gyorsítók mágneseinek megfelelő kialakítása.
- A nagy gyorsítókat mélyen a föld alá építik, ahogy a metrót, így nem kell nagy telket megvenni. (Az LHC gyűrűje például országhatáron is áthalad.)
- A nyaláb hűtése azt jelenti, hogy a tervezett részecskepályára merőleges sebességösszetevőt lecsökkentjük, ezzel a nyaláb átmérője is csökkenthető, ami ütközőnyaláboknál nagyon megnöveli az ütközések gyakoriságát. Két fontosabb fajtája a sztochasztikus hűtés és az elektronhűtés. Az előbbinél a gyorsító egyik pontjában mérjük a nyaláb kitérését, a hibajelet a másik pontba juttatva ezt korrigálom.
Nagyobb energiák
A reakcióra forduló energia szempontjából álló céltárgy (target) esetén az energia egy része elveszik, mivel az a céltárgy visszalökődésére fordítódik. Ez a veszteség az energia növelésével rohamosan növekszik. Ezért fontos szerepük van az egymással szemben ütköztetett ütközőnyaláboknak, mivel ezeknél – egyenlő lendület esetén – a teljes energia a reakcióra fordítódhat.
Körkörös gyorsítóban annál kisebb a szinkrotronsugárzásból származó energiaveszteség, minél nagyobb a részecske tömege. Nagy tömegű stabil részecskék: a proton és az atommagok, mint említettük összetett részecskék, emiatt jóval nehezebb az ütközésük során keletkező adatokat elemezni, mint elemi részecskék ütközése esetén.
A kis tömegű elektron esetén (a LEP-énél nagyobb energiákon) a sugárzási veszteséget úgy csökkentik le jelentősen, hogy a körkörös gyorsító helyett több tíz kilométer hosszú lineáris gyorsítót terveznek, hogy nagyobb energiát érhessünk el elektronnal. Az elektronnál nagyobb tömegű nem összetett szabad részecske csak kettő van: a müon és a tau-részecske. Ez utóbbi nagyon gyorsan bomlik, a müon viszont elegendő élettartamú ahhoz, hogy szinkrotronban fel lehessen gyorsítani, a nagyobb tömeg miatt a körönkénti veszteség azonos energia és pályasugár esetén kisebb az elektronénál, emiatt nagyobb energiára gyorsíthatóak.
Magyar vonatkozások
Simonyi Károly építette 1951-ben az első magyar magfizikai részecskegyorsítót Sopronban, amely egy Van de Graaff-generátorral működő 700 keV-os gyorsító volt. Később ezt átalakítva készítette el az ELTE épületében ma is látható 1 MeV-os gyorsítót. (Lásd a cikk első fotóján!)
További részecskegyorsítókat használnak még Debrecenben, a Szalay Sándor által létrehozott Atommagkutató Intézetben (az ottani gyorsítók listája megtalálható a szócikkben).
Kapcsolódó szócikkek
Hivatkozások
- ↑ ATLAS etour intro. . (Hozzáférés: 2006. május 9.)
Források
- Angeli István. Részecskegyorsítók (jegyzet) (Magfizikai mérőmódszerek III.). KLTE, Debrecen (1982)
Külső hivatkozások
- Jéki László: Az első magyar részecskegyorsító
- Kiss Ádám: A gyorsítók szerepe a fejlett társadalmakban a XXI. század elején, Fizikai Szemle 2007. május
- CERN.lap.hu - linkgyűjtemény
A lap szövege Creative Commons Nevezd meg! – Így add tovább! 3.0 licenc alatt van; egyes esetekben más módon is felhasználható. Részletekért lásd a felhasználási feltételeket.
Analóg multiméterek túlterhelés elleni védelme
Egyenáram
Egyenáram mérése
Egyenirányítós lengőtekercses műszer
Elektromágnes (fizika)
Elektromos feszültség
Elektromos térerősség
Fáziseltolódás
Fázismutató
Fajlagos ellenállás
Feszültséggenerátor
Feszültségváltó
Forgó mágneses tér
Háromfázisú hálózat
Hőelektromosság
Hatásos ellenállás
A lap szövege Creative Commons Nevezd meg! – Így add tovább! 3.0 licenc alatt van; egyes esetekben más módon is felhasználható. Részletekért lásd a felhasználási feltételeket.