Акцелератори
Атомска језгра и елементарне честице проучавају се на основу анализе ефеката који се јављају при њиховим интеракцијама – сударима. При судару теже честице су обично у стању мировања (мета), а лакше у облику снопа убрзаних честица налећу на њих. У неким случајевима честице се крећу у сусрет једне другима. У свим овим случајевима, честице се убрзавају.
При нуклеарним реакцијама, између језгра и честице делују јаке нуклеарне силе које доводе до трансформације језгра. Да би нуклеарне силе могле да делују, честица треба да се приближи језгру до довољно малог растојања. Да би до тога дошло, често је поребно да се честице убрзају до веома високих енергија (неколико стотина keV до неколико стотина MeV).
Уређаји помоћу којих се убрзавају честице називају се акцелератори.
Акцелератори су уређаји који, помоћу електричног и магнетног поља, убрзавају наелектрисане честице до великих брзина, некада чак и до брзина које су нешто мање од брзине светлости. Ови уређаји омогућују испитивање атомског језгра, структуре протона и неутрона, сила које те честице држе на окупу …
У акцелераторима се најчешће убрзавају електрони, протони и језгра лаких елемената (деутерони и алфа честице), али постоје и акцелератори у којима се убрзавају и тежи јони (угљеник, азота, кисеоник…).
Кад акцелератор убрзава неку честицу он јој повећава енергију, а та енергија је оно што је потребно за даља истраживања. Поред енергије, битна карактеристика акцелератора је и број честица у јединици времена по јединици површине снопа.
Суштина експеримената у акцелераторима је да се честице великом брзином сударе са другим честицама или атомским језгрима. Приликом тих судара сложене структуре се распадају на све ситније и делове. Осим тога што судари омогућавају да видимо “саставне делове” неке сложене честице од енергије која се ослободи могу настати и неке друге честице које нису улазиле у састав оних које су се судариле.
Акцелератори су веома сложени системи. Према врсти честица које убрзавају, разликују се: електронски, протонски и јонски акцелератори. Зависно од облика цеви могу да буду линерани или циркуларни (прстенасти).
Први акцелератори су углавном били линеарни. Принцип рада им је врло једноставан. Честице су убрзаване разликом потенцијала.
Један од првих акцелератора наелектрисаних честица је Кокрофт-Валтонов (Cockroft-Walton) акцелератор (конструисан 1930. године). Акцелератор се састоји од извора јона, акцелераторске цеви (дужине до 20 метар) у којој се врши убрзавање, специјалног извора високог напона који је на специјалан начин прикључен на систем акцелераторских електрода и система детектора. Суштину овог акцелератора чини управо извор напона и систем електрода које убрзавају јоне. Остварили су напон од приближно милион волти.
Данашњи линеарни акцелератори се конструишу на нешто другачији начин. У правој вакумској цеви, која може да буде дугачка и неколико километара, налазе се цилиндричне електроде које су повезане на полове наизменичног извора високофреквентног напона. На почетку цеви налази се извор честица које треба убрзати, док је мета постављена на други крај цеви. Наелектрисане честице се крећу од извора ка мети. Док се крећу између електрода на њих делује електрично поље и убрзава их.
Брзина односно енергија коју ће честица имати на изласку из акцелератора највише зависи од дужине самог акцелератора – што је акцелератор дужи, енергија је већа. Пошто се у овим акцелераторима честице могу убрзати и до релативистичких брзина, приликом њихове конструкције, у обзир морају узети и релативистички ефекти пораста масе, контракције дужине и дилатације времена. Најпознатији линеарни акцелератор, који се налази на универзитету Стенфорд, дугачак је 3,2 километра. У њему се постижу енергије од 20 GeV.
Највећи недостатак линеарног акцелератора је потреба за великим димензијама, али њихова огромна предност је то што је губитак енергије врло мали.
Линеарни акцелератори су дуго играли главну улогу у физици честица а онда су почели да их замењују кружни акцелератори.
Први тип кружног акцелератора је циклотрон. Овај акцелератор убрзава електроне, протоне и лаке јоне до енергија при којима се релативистички ефекти могу занемарити. Први циклотрон конструисао је Ернест Лоренц (Универзитет Беркли, 1929. године). У почетку, циклотрон је био мали лабораторијски уређај, а тек касније је достигао огромне димензије.
Цилотрон састоји се од кружне металне кутије пресечене на половини (дуанти). Честица која се убрзава креће из центра циклотрона. Она почиње да кружи. Када се нађе између дуаната, који су различито наелектрисани, на њу делује електрично поље и убрзава је. Убрзана честица улеће у шупљи дуант, у коме магнетно поље савија њену путању. Честица се креће по полукружној путањи и излази на други крај полукруга. Док је путовала по овом полукругу поларитет дуаната је промењен и електрично поље између њих опет убрзава честицу и цео процес се опет понавља. Убрзавајући, честица се креће по спиралној путањи. У једном тренутку полупречник путање постаје већи од полупречника дуанта и она напушта акцелератор. На месту где честице напуштају акцелератор поставља се жељена мета. Циклотрон може да убрза честице до око 10MeV.
Малим модификацијама циклотрона добијен је акцелератор који је познат као фазотрон (синхроциклотрон). Фазотрон омогућава убрзање честица до релативистичких енергија. За разлику од синхротрона где је фреквенца којом се мења поларитет дуаната увек иста, код фазотрона ова фреквенца се споро мења током убрзања, тако да фреквенца поља одговара фреквенци обртања честице, која се смањује због релативистичких ефеката.
Следећи тип кружних акцелератора је бетатрон. За убрзање електрона овај акцелератор користи вртложно електрично поље, које се индукује променљивим магнетним пољем. За разлику од циклотрона где су се честице кретале по спиралној путањи код бетатрона електрони описују кружне путање сталног полупречника. Конструкција бетатрона је комбинација електромагнета и вакумске цеви у облику торуса.
Можда један од најзначајнијих типова акцелератора је синхротрон. Ово је кружни акцелератор са честицама чије орбите имају приближно константан радијус, при чему се фреквенција електричног поља којим се електрони убрзавају не мења, али се мења интензитет магнетног поља које одржава стабилност орбите.
Овај тип акцелератора има врло сложену конструкцију. Један од највећих проблема који отежава конструкцију синхротрона је тзв. синхротронско зрачење. Све наелектрисане честице које се крећу убрзано, по кривој путањи, емитују електромагнетно зрачење и губе енергију. Енергија која се емитује на овај начин расте са порастом брзине честице и отежава убрзавање честице. За физику честица ово представља непремостив проблем који је последњих година научнике натерао да опет размишљају о конструкцији линеарних акцелератора огромних димензија. Синхротроно зрачење је велики проблем за физику честица али истовремено оно је врло моћан алат у неким другим областима науке као што су медицина, биологија, физика материјала итд.
Посебна врста синхротрона су такозвани сударачи честица (колајдери). Колајдери су акцелератори у којима се две врсте честица истовремено убрзавају и међусобно сударају. На овај начин остварују се много интензивнији судари него они када је мета непокретна.
Најважнији светски акцелераторски центри данашњице су: за нуклеарну физику GSI у Дармштату, Немачка, Дубна, у близини Москве, Русија, Беркли у Калифорнији, САД, а за физику елементарних честица CERN (Европски центар за нуклеарна истраживања) у Женеви, Швајцарска, Fermilab у близини Чикага, Илиноис, САД, СЛАЦ у Станфорду, Калифорнија, САД, DESY у Хамбургу, Немачка.
LHC (“велики хадронски сударач“), протонски синхротрон обима 27 километара који се налази на 100 метара под земљом, у коме се протони убрзавају до енергије од 7 TeV, у два супротно усмерена снопа, која се затим централно сударају. Пошто је ова енергија скоро 10000 пута већа од масе протона значи да ће се притом у свакој интеракцији моћи да креира отприлике толико честица масе сличне маси нуклеона, или неколико честица са масама хиљадама пута већим од масе нуклеона.
Напомена: За потребе нуклеарне физике користе се нискоенергетски акцелератори (енергија до неколико десетина MeV), за истраживања у области физике елементарних честица користе се високоенергетски (реда GeV, а новији до десетак TeV).
Додатак:
| Нуклеарне реакције | Нуклеарна фисија |