Википедија

Akcelerator

Akcelerator, ubrzavač čestica ili sudarač je mašina posebno napravljena za ubrzavanje jona i elementarnih atomskih i subatomskih čestica.[1][2] Koriste se za istraživanja u nuklearnoj fizici, za terapije u medicini, i ponekad za proizvodnju radioaktivnih izotopa.[3] Ubrzavanje čestica postiže se primenom vrlo jakog električnog polja. Ako je razlika potencijala početne i krajnje tačke puta čestice jednaka V, čestica naelektrisanja e dobija na tom putu kinetičku energiju e*V elektronvolti, krećući se brzinama od 10000 km/s do blizu brzine svjetlosti, zavisno od akceleratora. Svi akceleratori rade s visokim vakuumom da omoguće nesmetano kretanje čestice. Akceleratori se sastoje od ssedećih delova: jonski ili elektronski izvor, akceleracioni sistem, izvor energije i vakuumski sistem.

Jedan od prvih Kokroft-Valtonovih akceleratora čestica iz 1937, a sada se nalazi u Muzeju nauke u Londonu.

Prvi akceleratori bili su oni sa stalnim naponom između krajeva vakuumske komore. Oni su stoga linearni, a čestice se ubrzavaju jednim prolazom kroz električno polje. Prema načinu stvaranja visokog napona na elektrodama, akcelerator čestica tog tipa jeste kaskadni, Kokroft-Voltonov (Džon Kokroft i Ernest Volton, 1932), i elektrostatički, Van de Grafov (Robert Dž. Van de Graf, 1931).[4] Kokcroft-Voltonov akcelerator čestica prikladan je i kao izvor neutrona putem nuklearnih reakcija deuterona s deuterijumom ili tricijumom. Tehničke granice u dosezanju visokih napona ograničuju i energije čestica ubrzanih u prvim akceleratorima. Rešenje je nađeno u višekratnom ubrzavanju kroz polje nižeg napona. To je 1932. prvi načinio Ernest Orlando Lorens s ciklotronom, a zatim je to načelo primenjeno u svim potonjim tipovima akceleratora. Oni se prema kretanju čestica dele na linearne rezonantne i na kružne akceleratore. U kružne se ubrajaju ciklotron, sinhrociklotron, betatron i sinkrotron.

Budući da su meta snopa čestica ranih akceleratora obično bili atomi komada materije, sa ciljem da se stvore sudari sa njihovim jezgrima kako bi se istražila nuklearna struktura, akceleratori su se u 20. veku obično nazivali razbijačima atoma.[5] Izraz se nastavlja uprkos činjenici da mnogi moderni akceleratori stvaraju sudare između dve subatomske čestice, a ne čestice i atomskog jezgra.[6][7][8]

Transmutacija uredi

Glavni članak: Transmutacija
 
Skica Ising/Videre ideje stvaranja linearnog akceleratora, koji je koristio naizmenično električno polje (1928).
 
Nuklearna reakcija u kojoj deuterijum bombardira litijum-6 (6Li), a nastaju dve alfa-čestice (protoni su prestavljeni crvenim kuglicama, a neutroni plavim kuglicama).
 
Skica Lorensovog ciklotrona iz 1934. Ciklotron ubrzava čestice naizmeničnim električnim poljem između dve elektrode u obliku slova „D”, smeštenih u vakuumskoj komori između polova velikog i snažnog magneta.
 
Deo nekadašnjeg sinhrociklotrona (Orse, Francuska).
 
Akcelerator čestica i objedinjavanje prethodnih razvojnih koraka u akceleratorskom kompleksu supersudarivača LHC (Veliki hadronski sudarivač), u CERN-u kraj Ženeve. Protoni, joni, elektroni i pozitroni početno se ubrzavaju u linearnim akceleratorima (LINAC), zatim u starom protonskom sinhrotronu iz 1959. (PS), odnosno u elektronskom sinhrotronu (BOOSTER). Sledeći je korak ubrzavanje u prstenu supersinhrotrona (SPS) i konačno upućivanje u golemi prsten LEP/LHC na daljnje ubrzavanje.
 
Nekadašnji tunel za LEP (Veliki sudarivač elektrona i pozitrona) u CERN-u, koji je deo Velikog hadronskog sudarivača ili LHC-a.
 
Kompaktni mionski solenoid (CMS) detektor za Veliki hadronski sudarač (LHC).
 
Detalj akceleratora u Desiju

Kod transmutacije (pretvorbe) hemijskih elemenata mogu se zbiti različite promene. Tako na primer može iz atomskog jezgra izleteti jedan proton (redni broj elementa se snižava za jedan) ili alfa-čestica (redni broj elementa se snižava za dva), ili se neutron pretvori u proton, te izleti elektron (redni broj elementa se povišava za jedan). U nekim slučajevima pogođeno jezgro izbaci pozitron, te se redni broj snižava za jedan. Proučavanje promena koje se zbivaju u atomskom jezgru zadatak je nuklearne fizike ili fizike jezgre. Kao projektil za bombardovanje atomskih jezgara prilikom transmutacije elemenata služe alfa-čestice, neutroni, protoni i deuterijum. Alfa-čestice se dobijaju iz jednog radijumovog preparata, protoni se dobijaju jonizacijom vodonika, a deuterijume jonizacijom teškog vodonika. Neutroni nastaju prilikom bombardovanja berilijuma alfa-česticama. Pri tom nastaje ugljenik, a otkinuta čestica je neutron s vrlo velikom brzinom. Ta se transmutacija predočuje ovom nuklearnom jednačinom:

 

Projektili kojima se gađaju atomska jezgra moraju imati veliku kinetičku energiju, to jest veliku brzinu. Ako su projektili pozitivno električni, kao na primer protoni, deuterijum i alfa-čestice, oni će se odbijati od pozitivno naelektrisanog atomskog jezgra. Oko atomskog jezgra postoji naime jako električno polje koje odbija i skreće u stranu sve pozitivno naelektrisane projektile koji mu se približe. Zbog toga proton, deuterijum i alfa-čestica neće prodreti u atomsko jezgro ako nemaju dovoljno veliku brzinu, već će skrenuti na stranu i opisati hiperbolu. Pri tome neće ni samo jezgro ostati na miru jer je odbijanje uzajamno. Dogodiće se neka vrsta elastičnog sudara, pa će projektil odleteti na jednu, a jezgro na drugu stranu. Zato čestice kojima želimo da prodremo u atomsko jezgro moraju da imaju vrlo veliku energiju koja se dobija pomoću visokog električnog napona. Za dobivanje tako velikih energija koje služe kod transmutacije elemenata, odnosno istraživanja atomskih jezgara, upotrebljavaju se posebni uređaji za ubrzavanje čestica koji se zovu akceleratori čestica. Među te akceleratore spada i ciklotron.[9]

Linearni rezonantni akcelerator uredi

Linearni rezonantni akcelerator ubrzava čestice naizmeničnim električnim poljima koja deluju između šupljih elektroda poređanih u nizu.[10] Osciliranje napona usklađuje se s prolazom čestica između elektroda, kako bi se postiglo operativano ubrzavanje (odatle naziv rezonantni akcelerator). Najveći rezonantni linearni akcelerator izgrađen je u Stanfordu, SAD (eng. SLAC ili Stanford Linear Accelerator). Dužina mu je 3.2 kilometra, ubrzava elektrone ili pozitrone do energije od 25 GeV, koja je određena dužinom akceleratora.[11][12]

Ciklotron uredi

Glavni članak: Ciklotron

Ciklotron (Ernest Lorens, 1932) ubrzava čestice naizmeničnim električnim poljem između dve elektrode u obliku slova D, smeštenih u vakuumskoj komori između polova velikoga i snažnoga magneta.[13][14][15][16] Čestice se u konstantnom magnetskom polju, brzinom malom prema brzini svetlosti, kreću kružnom frekvencijom koja je određena indukcijom magnetskoga polja ali nezavisna od svoje energije.[17][18] Kada se na elektrode dovede električni napon iste frekvencije, čestice počnu sinkrono da ulaze u prostor između elektroda, tako da se pri svakom prolazu ubrzaju. Kako rastu brzina i energija čestica, poluprečnik se njihove staze povećava i ona je spiralna. Kada snop čestica dosegne rub komore, staza joj se s pomoću stalnog električnog polja zaokrene tako da čestice izlaze iz akceleratora, te se dobija spoljni ciklotronski snop. Najveća energija deuterona ubrzanih u klasičnom ciklotronu iznosi oko 25 MeV.

Sinhrociklotron uredi

Sinhrociklotron (fazotron, ciklotron s modulisanom frekvencijom; Vladimir Veksler i, nezavisno Edvin Matison Makmilan, 1945) u toku ubrzavanja grupe jona smanjuje se frekvencija naizmeničnog električnog polja na elektrodama za ubrzavanje kako bi kompenzovalo smanjenje frekvencije kružnoga kretanja čestica.[19] To smanjenje nastaje kod većih energija zbog relativističkog porasta mase čestica i slabljenja magnetskoga polja na većim razmerama. U sinhrociklotronu postižu se energije do približno 700 MeV.

Betatron uredi

Glavni članak: Betatron

Betatron (Džozef Slepijan, 1922. i Rolf Videroe, 1928) tip je akceleratora u kojem se indukovanim električnim poljem ubrzavaju elektroni.[20] Indukovano električno polje stvara se promenama magnetnoga toka u središnjem delu betatrona, a magnetsko polje prisiljava elektrone na kretanje po kružnim stazama unutar torusne vakuumske komore. Povećavanjem magnetskoga polja povećava se i energija elektrona, a poluprečnik elektronske staze ostaje približno stalan.[21][22][23][24][25][26]

Sinhrotron uredi

Glavni članak: Sinhrotron

Sinhrotron (Vladimir Veksler i, nezavisno Edvin Makmilan 1945. godine) ubrzava elektrone i protone. U njemu se magnetsko polje povećava tokom ubrzanja jedne grupe čestica, tako da je poluprečnik zakrivljenosti njihovih staza stalan, te se one kreću po istoj kružnoj putanji unutar torusne komore. Prvi veliki sinhrotroni bili su Kosmotron u Brukhejvenskoj nacionalnoj laboratoriji (BNL), Apton, Njujork, SAD (1952, energija protona 3 GeV); Bevatron u Lovrens Berkeli nacionalnoj laboratoriji, Berkli, Kalifornija, SAD (1954, 6 GeV) i sinhrotron (Sinhrofazotron) u Dubni, bivši Sovjetski Savez (1957, 10 GeV). Premda su magneti bili torusni, promeri staza i torusa od stotinak i više metara zahtevali su vrlo velike magnete, te je to ograničavalo dosezanje bitno viših energija. Početkom 1950-tih rešenje je nađeno u načelu jakog fokusiranja snopa nabijenih čestica, što se postiže zamenom masivnoga magnetskih torusa nizom magneta u kojima se jačina magnetskog polja naizmenično radijalno povećava ili smanjuje. To je načelo omogućilo mnogo preciznije vođenje snopa ubrzanih čestica i time smanjenje preseka i ukupne mase magneta i tako otvorilo mogućnost prema višim energijama akceleratora.

Najveći sinhrotron s jakim fokusiranjem jeste LEP (engl. Large Electron–Positron Collider), sagrađen 1989. u istraživačkom centru CERN. Smešten je u kružnom tunelu opsega 27 kilometara, ubrzavao je elektrone i pozitrone velikih energija. Veliki protonski sinhrotroni s jakim fokusiranjem snopa pomaknuli su energetske granice, posebno nakon povećanja magnetske indukcije superprovodničkim magnetima. Tako je u Fermilabu u Bataviji, SAD, u tunelu sinhrotrona prečnika 2 km izgrađen dodatni prsten sa superprovodničkim magnetima. U tom prstenu, koji čini ubrzivač Tevatron, protoni se ubrzavaju do energije od 1 TeV (1012 eV), odnosno do milion puta veće energije od prvih ubrzivača s početkom 1930-ih. Veliko povećanje energije raspoložive za proučavanje međudelovanja čestica postignuto je razvojem i izgradnjom spremnika čestica, odnosno spremničkih prstenova.

Spremnici čestica uredi

Napredak vakuumske tehnologije omogućio je održavanje vrlo velikog vakuuma i stvorena je mogućnost da se stabilne čestice, kao i njihove antičestice, zadrže („uskladište”) u prstenastoj komori spremnika čestica, koji nije akcelerator, ali je nezaobilazan deo akceleracijskih sistema. Čestice i antičestice mogu u komori vrlo dugo kružiti pod delovanjem magnetskih polja. Tako je omogućeno njihovo nakupljanje, te sudaranje suprotno kružećih snopova čestica, odnosno antičestica. U sudaru čestica energija koja je raspoloživa za istraživanje elementarnih procesa, tj. energija u koordinatnom sistemu težišta, znatno je veća nego pri bombardovanju nepokretnih meta.

Sudarivač uredi

Akcelerator u kojem se uspostavljaju suprotno kružeći snopovi ili pulsevi elementarnih čestica, odnosno antičestica, poslednji je korak prema još višim energijama za istraživanje elementarnih međudelovanja. Budući da se povećanje efektivne energije postiže sudaranjem snopova čestica, takav se uređaj naziva sudarivač. Kako bi se ostvarila dovoljna učestalost sudara, kružeći snopovi trebaju da sadrže što više čestica. Zato sudarivač obedinjuje funkcije ubrzavanja i skladištenja čestica.

Supersudarivač uredi

Projekti najvećih sudarivača nadmašuju naučne, tehnološke i privredne mogućnosti pojedinih zemalja i postaju globalni poduhvati. Najveći projekt na kraju 20 veka, u okviru CERN-a, kao širok međunarodni pothvat učestvovanjem dvadesetak zemalja, jeste izgradnja supersudarivača Veliki hadronski sudarivač (engl. Large Hadron Collider, LHC). Supravodički magneti koji savijaju putanje čestica smešteni su u tunelu divovskog elektronsko-pozitronskog sinhrotrona LEP-a.

Reference uredi

  1. ^ Mišić, Milan, ur. (2005). Enciklopedija Britanika. A-B. Beograd: Narodna knjiga : Politika. str. 26. ISBN 86-331-2075-5. 
  2. ^ Livingston, M. S.; Blewett, J. (1969). Particle Accelerators. New York: McGraw-Hill. ISBN 978-1-114-44384-6. 
  3. ^ Akcelerator čestica, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2014.
  4. ^ Humphries, Stanley (1986). Principles of Charged Particle Acceleration. Wiley-Interscience. str. 4. ISBN 978-0471878780. 
  5. ^ „six Million Volt Atom Smasher Creates New Elements”. Popular Mechanics: 580. april 1935. 
  6. ^ Higgins, A. G. (18. 12. 2009). „Atom Smasher Preparing 2010 New Science Restart”. U.S. News & World Report. 
  7. ^ Cho, A. (2. 6. 2006). „Aging Atom Smasher Runs All Out in Race for Most Coveted Particle”. Science. 312 (5778): 1302—1303. PMID 16741091. S2CID 7016336. doi:10.1126/science.312.5778.1302. 
  8. ^ „Atom smasher”. American Heritage Science Dictionary. Houghton Mifflin Harcourt. 2005. str. 49. ISBN 978-0-618-45504-1. 
  9. ^ Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.
  10. ^ Widerøe, R. (17. 12. 1928). „Über Ein Neues Prinzip Zur Herstellung Hoher Spannungen”. Archiv für Elektronik und Übertragungstechnik. 21 (4): 387—406. S2CID 109942448. doi:10.1007/BF01656341. 
  11. ^ „SLAC renamed to SLAC Natl. Accelerator Laboratory”. The Stanford Daily. 16. 10. 2008. Arhivirano iz originala 5. 6. 2013. g. Pristupljeno 2008-10-16. 
  12. ^ „Stanford Linear Accelerator Center renamed SLAC National Accelerator Laboratory” (Saopštenje). SLAC National Accelerator Laboratory. 15. 10. 2008. Arhivirano iz originala 20. 7. 2011. g. Pristupljeno 2011-07-20. 
  13. ^ „Ernest Lawrence's Cyclotron”. www2.lbl.gov. Pristupljeno 2018-04-06. 
  14. ^ „Ernest Lawrence - Biographical”. nobelprize.org. Pristupljeno 2018-04-06. 
  15. ^ U.S. Patent 1.948.384 Lawrence, Ernest O. Method and apparatus for the acceleration of ions, filed: January 26, 1932, granted: February 20, 1934
  16. ^ Lawrence, Earnest O.; Livingston, M. Stanley (1. 4. 1932). „The Production of High Speed Light Ions Without the Use of High Voltages”. Physical Review. American Physical Society. 40 (1): 19—35. Bibcode:1932PhRv...40...19L. doi:10.1103/PhysRev.40.19  . 
  17. ^ Nave, C. R. (2012). „Cyclotron”. Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State University. Pristupljeno 26. 10. 2014. 
  18. ^ Close, F. E.; Close, Frank; Marten, Michael; et al. (2004). The Particle Odyssey: A Journey to the Heart of Matter. Oxford University Press. str. 84—87. Bibcode:2002pojh.book.....C. ISBN 978-0-19-860943-8. 
  19. ^ Reyes, Sandrine (april 2002). „Description of Archives of Synchro-Cyclotron Division, SC”. CERN-ARCH-SC-001 to CERN-ARCH-SC-268. Pristupljeno 8. 8. 2017. 
  20. ^ „Betatron | particle accelerator”. Encyclopedia Britannica (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2019-01-24. 
  21. ^ Wideröe, R. (17. 12. 1928). „Über ein neues Prinzip zur Herstellung hoher Spannungen”. Archiv für Elektrotechnik (na jeziku: nemački). 21 (4): 387—406. S2CID 109942448. doi:10.1007/BF01656341. 
  22. ^ Dahl, F. (2002). From nuclear transmutation to nuclear fission, 1932-1939. CRC Press. ISBN 978-0-7503-0865-6. 
  23. ^ Hinterberger, Frank (2008). Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. Springer. ISBN 978-3-540-75281-3. doi:10.1007/978-3-540-75282-0. 
  24. ^ Kerst, D. W. (1940). „Acceleration of Electrons by Magnetic Induction”. Physical Review. 58 (9): 841. Bibcode:1940PhRv...58..841K. S2CID 120616002. doi:10.1103/PhysRev.58.841. 
  25. ^ Kerst, D. W. (1941). „The Acceleration of Electrons by Magnetic Induction” (PDF). Physical Review. 60 (1): 47—53. Bibcode:1941PhRv...60...47K. doi:10.1103/PhysRev.60.47. 
  26. ^ Kerst, D. W.; Serber, R. (jul 1941). „Electronic Orbits in the Induction Accelerator”. Physical Review. 60 (1): 53—58. Bibcode:1941PhRv...60...53K. doi:10.1103/PhysRev.60.53. 

Literatura uredi

Spoljašnje veze uredi

 
Akcelerator na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Акцелератор&oldid=27555719”