Natalia Niżnik

Laboratoria i metody badawcze
współczesnej fizyki- centra akceleratorowe

Akcelerator

Akcelerator

Urządzenie służące do przyspieszania cząstek
elementarnych lub jonów do prędkości bliskich
prędkości światła. Cząstki obdarzone
ładunkiem elektrycznym są przyspieszane w
polu elektrycznym. Do skupienia cząstek w
wiązkę oraz do nadania im odpowiedniego
kierunku używa się odpowiednio
ukształtowanego, w niektórych konstrukcjach
także zmieniającego się w czasie, pola
magnetycznego lub elektrycznego.

Najprostszymi urządzeniami do przyspieszania
cząstek są działa elektronowe, które stosuje się
w kineskopach telewizorów i monitorów,
oscyloskopach oraz generatorach
promieniowania rentgenowskiego.

Akcelerat

or

kaskadow

y

Zastosowanie

W zastosowaniach badawczych, akceleratory
służą do rozpędzania cząstek elementarnych i
zderzania ich ze sobą w celu przeprowadzania
reakcji jądrowych. Umożliwia to poznawanie
własności cząstek i przebiegu owych reakcji. Są
one podstawowym narzędziem fizyki jądrowej.

W medycynie, akceleratory stosuje się w
radioterapii, czyli do leczenia schorzeń
(nowotworów) poprzez naświetlanie ich
promieniowaniem jonizującym.

Jedne akceleratory mogą być także częściami
innych akceleratorów, o większych energiach
maksymalnych. Mają one wstępnie rozpędzać
cząstki. Są to, tak zwane akceleratory
wstrzykujące (indżektory).

1MV

akcelerator

Cockcrofta -

Waltona z

1937 r.

stojący w

National

Science

Museum w

Londynie.

Podział

Podział

Główny podział akceleratorów
uwzględnia kształt toru i metodę
przyspieszania:

liniowe - cząstki przyspieszane są na
odcinku prostym:

o stałym napięciu przyspieszającym
(kaskadowy, van der Graaffa, tandem
Cockcrofta-Waltona)

o napięciu przyspieszającym wysokiej
częstotliwości (liniowy z falą bieżącą,
liniowy z falą stojącą).

Zastosowania

Zastosowania

Akcelerator liniowy jest stosowany do
przyspieszania ciężkich jonów. Rozpędzanie
masywnych cząstek w cyklotronie
wymagałoby użycia bardzo silnych
elektromagnesów do zakrzywienia ich toru.
Z drugiej strony akceleratory liniowe
stosuje się również do przyspieszania
lekkich cząstek (np. elektronów) do
prędkości relatywistycznych. W cyklotronie
cząstki te tracą znaczną ilość energii na
promieniowanie synchrotronowe.

cykliczne (kołowe)

-synchroniczne (cyklotron, synchrocyklotron, synchrotron
protonowy, synchrotron elektronowy, mikrotron)

-asynchroniczne (betatron, akcelerator plazmowy,
akcelerator wiązek przeciwbieżnych)

Działanie

Działanie

Cząstki przyspieszane są polem elektrycznym, pole
magnetyczne stosuje się do nadania przyspieszanym
cząstkom odpowiedniego toru lub skupienia ich.

Pole elektryczne jest tworzone przez specjalne układy
generatorów bardzo wysokiego napięcia i przekazywane
na układy elektrod. Pole magnetyczne jest tworzone przy
pomocy bloków elektromagnesów, które są
rozmieszczone co jakiś czas na całej linii/obwodzie
akceleratora.

Akceleratory nie są urządzeniami uniwersalnymi, np.
akcelerator przyspieszający cząstki lekkie, nie będzie
mógł zostać użyty do przyspieszania ciężkich jonów.
Wynika to z różnicy mas cząstek i progu energii, przy
której znaczną rolę zaczynają odgrywać efekty
relatywistyczne.

Akceleratory mogą zostać wykorzystane do wytwarzania
antymaterii.

Magnes
synchrocyklot
ronu
znajdującego
się w ośrodku
terapii
protonami, w
Orsay.

Wielki Zderzacz Hadronów

Wielki Zderzacz Hadronów

CERN

CERN

W dniu 10-09-2008 oficjalnie uruchomiono
największe urządzenie na Ziemi - Wielki
Zderzacz Hadronów - akcelerator cząstek
elementarnych w ośrodku naukowym
Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych
CERN koło Genewy. Dzięki możliwości
rozpędzania cząstek do prędkości bliskich
prędkościom światła oraz rozbijaniu ich na
mniejsze cząstki będzie możliwe
zweryfikowanie teorii budowy materii opisanej
w tzw. Modelu Standardowym. Dzięki
zderzeniom cząstek elementarnych będzie
można uzyskać takie stany materii, jakie
zgodnie z teorią "Wielkiego Wybuchu" miały
miejsce w początkach powstawania
wszechświata, 13,7 mld lat temu. Na to
przynajmniej liczą naukowcy.

Akcelerator cząstek LHC (z ang. Large Hadron Collider -
Wielki Zderzacz Hadronów) jest największą tego typu
konstrukcją na Ziemi. Tunele o długości 27 kilometrów,
w których rozciągnięte są elementy konstrukcyjne
urządzenia są umieszczone na poziomie 50 - 175 metrów
pod powierzchnią ziemi na granicy francusko-
szwajcarskiej między Jeziorem Genewskim a górami Jury.
Dwa przewody, którymi w przeciwnych kierunkach
transportowane są cząstki znajduja się w długich
tunelach o wysokości 3 metrów tworzących ogromny
pierścień. Do utrzymywania toru ruchu cząstek węwnątrz
tunelu użyto 9600 bardzo silnych magnesów i
elektromagnesów, wśród których uzwojenia (na bazie
niobu i tytanu - NbTi) aby uzyskać efekt
nadprzewodnictwa będą chłodzone ciekłym helem
(pochodzącym z Polski!) do temperatury –271,3°C (1,9
stopni Kelvina)! Dla przypomnienia temperatura zera
bezwzględnego to –273,15°C. Szacuje się, że wewnątrz
akceleratora zostanie osiągnięta najniża temperatura we
Wszechświecie (dla porównania temperatura w
zewnętrznym Wszechświecie wynosi 2,7 K = –270,5°C!)
Cząsteczki będą przyspieszane do prędkości do prędkości
zaledwie 3 m/s mniejszej od prędkości światła za pomocą
bardzo silnego pola elektrycznego. Całkowita energia
zderzenia cząstek wyniesie 14 TeV (Teraelektronovoltów
= 1014 eV). Budowa akceleratora kosztowała ponad 3
miliardy euro, a prace nad uruchomieniem projektu
ponad 20 lat.

Hadrony

Hadrony

- to zgodnie z "Modelem

Standardowym" cząsteczki o silnych
powiązaniach czyli np. protony i neutrony
tworzące jądro atomowe. Kompletny atom składa
się z jądra i elektronów krążących wokół niego w
pewnym obszarze zwanym orbitalem atomowym
(określającym prawdopodobieństwo
występowania elektronu). Naukowcy liczą, że
podczas zderzania cząstek uda im się odkryć
nowe lub potwierdzić przewidziane w teorii
składniki materii, zarejestrować cząstki
antymaterii, cząsteczki czarnej materii (cząstki
supersymetryczne), której zgodnie z założeniami
jest we Wszechświecie znacznie więcej (24%
ciemnej materii i 73% ceimnej energii) niż
poznanych przez nas atomów, będących
podstawowym budulcem normalnej materii. Być
może podczas zderzeń powstaną mikroskopijne
czarne dziury.

Poprzez przyspieszanie cząstek do
bardzo dużych energii, a
następnie zderzanie ich z tarczą
lub ze sobą nawzajem, fizycy są w
stanie dowiedzieć się czegoś o
siłach działających pomiędzy nimi.
Akceleratory w CERN-ie są
jednymi z największych i
najbardziej złożonych urządzeń na
świecie. Należą do
najwspanialszych pomników nauki
XX wieku, ponieważ zbudowano je
w oparciu o najnowsze
technologie.

chomikuj.pl/Majster1942