Παρουσίαση για τα είδη τον τρόπο λειτουργίας των επιταχυντών

1. Α. Επιταχυντές
Πολιτιστικό Πρόγραμμα – Το σωματίδιο του Θεού

2. Ι. Εισαγωγή
• Οι επιταχυντές είναι μεγάλες διατάξεις οι
οποίες επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια
(ηλεκτρόνια, πυρήνες ατόμων, πρωτόνια,
ιόντα, κ.λ.π.) χρησιμοποιώντας
ηλεκτρομαγνητικά πεδία.
• Στο πεδίο της ερευνητικής φυσικής
κατευθύνουν τα ταχέως κινούμενα
σωματίδια πάνω σε άλλα ώστε να
μελετηθεί το αποτέλεσμα της σύγκρουσης.

3. Ι. Εισαγωγή
• Με τη βοήθειά τους μελετάμε τους νόμους
της φυσικής σε μικροσκοπικό επίπεδο.
• Επιπλέον, η συμπεριφορά αυτών των
σωματιδίων σε τόσο μεγάλες ταχύτητες
μας δίνει πληροφορίες για τη λειτουργία
του σύμπαντος κατά τα πρώτα στάδια
δημιουργίας του.

4. Ι. Εισαγωγή
• Οι ταχύτητες των σωματιδίων που
εξέρχονται από έναν επιταχυντή
πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός (c), η
οποία αποτελεί το μέγιστο όριο ταχύτητας
για ένα υλικό σωματίδιο.
• Αυτές τις ταχύτητες τις ονομάζουμε
συνήθως σχετικιστικές ταχύτητες.

5. Ι. Εισαγωγή
• Για να μετρήσουμε την ισχύ ενός
επιταχυντή δεν χρησιμοποιούμε την τελική
ταχύτητα που μπορεί να δώσει σε ένα
σωματίδιο (π.χ. 0.95 φορές της c).
• Συνήθως χρησιμοποιούμε την ποσότητα
ενέργειας (σε eV) που μπορεί να δώσει σε
ένα σωματίδιο ώστε να το επιταχύνει.

6. Ι. Εισαγωγή
• Υπάρχουν δύο κυρίως τύποι επιταχυντών:
– Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές
– Επιταχυντές Ταλαντούμενων πεδίων
• Γραμμικοί επιταχυντές
• Επιταχυντές κυκλικής τροχιάς

7. Ι. Εισαγωγή
• Σήμερα υπάρχουν πάνω από 26000
επιταχυντές σωματιδίων παγκοσμίως.
• Από αυτούς μόνο το 1% είναι επιταχυντές
υψηλής ενέργειας που χρησιμοποιούνται
για έρευνα στη σωματιδιακή φυσική.

8. Ι. Εισαγωγή
• Οι περισσότεροι (44%) είναι επιταχυντές
που χρησιμοποιούνται για ιατρικούς
σκοπούς (ραδιοθεραπεία).
• Ένας μεγάλος αριθμός επιταχυντών (41%)
χρησιμοποιούνται και στη βιομηχανία για
εμφύτευση ιόντων (μια τεχνική που
χρησιμοποιείται για μεταλλικό φινίρισμα,
κ.λ.π.)

9. II. Γνώσεις Φυσικής
• Ηλεκτρικές Δυνάμεις – Νόμος Coulomb
• Μεταξύ δύο φορτισμένων σωματιδίων ασκείται ελκτική ή
απωστική δύναμη, το μέτρο της οποίας ισούται με
Qq
F =k 2
,
r

10. II. Γνώσεις Φυσικής
• Δύναμη από μαγνητικό πεδίο σε κινούμενο
φορτίο
• Όταν ένα κινούμενο φορτίο εισέλθει σε μαγνητικό πεδίο,
τότε ασκείται πάνω του μαγνητική δύναμη κάθετη στη φορά
κίνησής του.
  
F = q ⋅ v × B, F = qvB ⋅ηµ (θ ) ,

11. II. Γνώσεις Φυσικής
• Κεντρομόλος Δύναμη
m⋅v 2
F=
R

12. ΙΙI. Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές

13. ΙΙΙ. Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές
• Πρόκειται για γραμμικές διατάξεις που
δημιουργούν ένα σταθερό ηλεκτρικό
πεδίο, το οποίο επιταχύνει τα σωματίδια.
• Δεν μπορούν να επιταχύνουν τα
σωματίδια σε ιδιαίτερα υψηλές ενέργειες.
• Οι πρώτοι επιταχυντές που
κατασκευάστηκαν ήταν ηλεκτροστατικοί.

14. ΙΙΙ. Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές
• Η λειτουργία τους είναι σχετικά απλή.
+ -

15. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές

16. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές
• Τα σωματίδια κινούνται λόγο ηλεκτρικών
δυνάμεων που τους ασκούνται από
κατάλληλα φορτισμένες πλάκες.

17. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές
• Για να αλλάζει το φορτίο κάθε πλάκας
περιοδικά, εφαρμόζουμε εναλλασσόμενο
πεδίο κατάλληλης συχνότητας (AC).
• Όσο αυξάνεται η ταχύτητα του σωματιδίου
τόσο αυξάνεται και η συχνότητα
εναλλαγής του φορτίου.

18. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές
• Η συγκεκριμένη διάταξη δε μπορεί να
επιταχύνει σωματίδια σε «σχετικιστικές
ταχύτητες».
• Για να επιτύχουμε εξαιρετικά υψηλές
ταχύτητες χρησιμοποιούμε «κοιλότητες
μικροκυμάτων» (microwave cavities), οι
οποίες λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο.

19. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές
• Οι γραμμικοί επιταχυντές (LINAC)
χρησιμοποιούνται:
– Στην ιατρική για ραδιοθεραπείες.
– Ως διατάξεις που επιταχύνουν σωματίδια έως
μια αρχική ταχύτητα και στη συνέχεια τα
οδηγούν σε επιταχυντές υψηλότερης
ενέργειας.

20. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές
• Μειονεκτήματα:
– Ιδιαίτερα μεγάλο μέγεθος. (Ο πιο μεγάλος γραμμικός
επιταχυντής σήμερα έχει μήκος 3 Km)
– Δημιουργούν μια ακτίνα από ριπές σωματιδίων (και
όχι μια ακτίνα συνεχόμενης ροής).
– Συνήθως δεν μπορούν να επιταχύνουν τα σωματίδια
σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες.
– Χρησιμοποιούνται κυρίως για επιτάχυνση
ηλεκτρονίων

21. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές
• Ο μεγαλύτερος γραμμικός επιταχυντής
(Stanford Linear Accelerator)

22. V. Επιταχυντές Κυκλικής Τροχιάς
• Τα σωματίδια κινούνται σε κυκλικές
τροχιές.
• Χρησιμοποιούνται ηλεκτρικά πεδία για να
επιταχύνουν τα σωματίδια και μαγνητικά
πεδία για να «κάμπτουν» τις τροχιές των
σωματιδίων.

23. V. Επιταχυντές Κυκλικής Τροχιάς
• Πλεονεκτήματα σε σχέση με τους
γραμμικούς επιταχυντές.
– Δημιουργία συνεχόμενης ροής σωματιδίων.
– Μικρότερος όγκος (και κόστος) για συγκρίσιμη
ισχύ επιτάχυνσης.
• Μειονεκτήματα
– Εξαιτίας της ακτινοβολίας Συγχρότρου δεν
μπορούν να επιταχύνουν ηλεκτρόνια.

24. V. Επιταχυντές Κυκλικής Τροχιάς
• Κατηγορίες επιταχυντών κυκλικής τροχιάς
– Κύκλοτρο
– Συγχροκύκλοτρο
– Ισόχρονο Κύκλοτρο
– Βήτατρο
– Σύγχροτρο

25. V.1 Κύκλοτρο
• Αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια σε σχήμα
D, τοποθετημένα μέσα σε μαγνητικό πεδίο
σταθερής έντασης.

26. V.1 Κύκλοτρο
• Τα σωματίδια εισέρχονται στο κέντρο της
διάταξης και εξέρχονται στο άκρο της
(όπου μηδενίζεται το μαγνητικό πεδίο).

27. V.1 Κύκλοτρο
• Το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο
μεταξύ των δύο πλακών D επιταχύνει τα
σωματίδια σε κάθε πέρασμα

28. V.1 Κύκλοτρο
• Το σταθερό μαγνητικό πεδίο καμπυλώνει
την τροχιά των σωματιδίων.

29. V.1 Κύκλοτρο
• Σε κάθε κύκλο η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς
αυξάνεται.
• Έτσι η τελική τροχιά είναι ελικοειδής
m⋅v 2
F=
R

30. V.1 Κύκλοτρο
• Προβλήματα:
– Δημιουργία μεγάλου μαγνητικού πεδίου
σταθερής έντασης.
– Το κύκλοτρο (όπως όλοι οι επιταχυντές
κυκλικού φορτίου παράγει ισχυρή ακτινοβολία
όταν επιταχύνονται σωματίδια μικρής μάζας
(π.χ. ηλεκτρόνια).
– Αυτή η ακτινοβολία οδηγεί σε μεγάλες
απώλειες ενέργειας.

31. V.1 Κύκλοτρο
• Προβλήματα:
– Το κύκλοτρο δεν μπορεί να επιταχύνει
σωματίδια μεγάλης μάζας (π.χ. πρωτόνια) σε
σχετικιστικές ταχύτητες.
– Σε τέτοιες ταχύτητες η μάζα των σωματιδίων
αυξάνεται.
– Επομένως, χρειάζεται να μεταβληθεί η ένταση
του μαγνητικού πεδίου ή η συχνότητα
αλλαγής του ηλεκτρικού πεδίου για να
συνεχιστεί η επιτάχυνση.

32. V.1 Κύκλοτρο
• Παράδειγμα
– Ένα απλό κύκλοτρο μπορεί να επιταχύνει ένα
πρωτόνιο σε ενέργεια 15 MeV (περίπου το
10% της ταχύτητας του φωτός).

33. V.2 Συγχροκύκλοτρο
• Επινοήθηκε ώστε να λύσει το πρόβλημα
αύξησης της μάζας των σωματιδίων.
• Διατηρεί σταθερό το μαγνητικό πεδίο.
• Μειώνει σταδιακά τη συχνότητα αλλαγής
του ηλεκτρικού πεδίου.

34. V.2 Συγχροκύκλοτρο
• Προβλήματα:
– Απαιτείται μεγάλος μαγνήτης σταθερής
έντασης.
– Δεν δημιουργείται συνεχής ροή σωματιδίων,
αλλά ριπές.

35. V.3 Ισόχρονο Κύκλοτρο
• Επινοήθηκε ώστε να λύσει το πρόβλημα
αύξησης της μάζας των σωματιδίων
(όπως το συγχροκύκλοτρο).
• Διατηρεί σταθερή τη συχνότητα εναλλαγής
του ηλεκτρικού πεδίου.
• Το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται σταθερά
όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο της
διάταξης.

36. V.3 Ισόχρονο Κύκλοτρο
• Πλεονεκτήματα:
– Δημιουργεί συνεχή ροή σωματιδίων και όχι
ριπές όπως το συχροκύκλοτρο.
– Μπορεί να επιταχύνει σωματίδια ακόμη και σε
σχετικιστικές ταχύτητες.

37. V.3 Ισόχρονο Κύκλοτρο
• Προβλήματα:
– Δυσκολία κατασκευής του απαιτούμενου
μαγνητικού πεδίου, το οποίο
• Θα πρέπει να μεταβάλλεται ανάλογα με την
απόσταση από το κέντρο της διάταξης και
• Να είναι ιδιαίτερα ισχυρό στα άκρα της διάταξης.

38. V.3 Ισόχρονο Κύκλοτρο
• Παράδειγμα:
– Το ισόχρονο κύκλοτρο PSI μπορεί να δώσει
δέσμη πρωτονίων ενέργειας 590 MeV
(περίπου το 80% της ταχύτητας του φωτός).

39. V.4 Σύγχροτρο
• Για να επιτύχουμε ακόμη μεγαλύτερη
επιτάχυνση (μερικών GeV) μπορούμε να
χρησιμοποιήσουμε ένα σύνγχροτρο.
• Το σύγχροτρο επιταχύνει τα σωματίδια
μέσα σε ένα δακτύλιο σταθερής ακτίνας.
• Το μαγνητικό πεδίο μέσα σε αυτό το
δακτύλιο αυξάνεται σταδιακά (με το χρόνο)
για να επιταχυνθούν τα σωματίδια.

40. V.4 Σύγχροτρο

41. V.4 Σύγχροτρο
• Πλεονεκτήματα:
– Το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου είναι πολύ
μικρότερο.
– Η τροχιά των σωματιδίων δεν είναι ανάγκη να
είναι τελείως κυκλική (μπορεί να γίνεται και σε
πολυγωνική γραμμή).

42. V.4 Σύγχροτρο

43. V.4 Σύγχροτρο
• Μειονεκτήματα:
– Το σύγχροτρο δεν μπορεί να δώσει συνεχή
ροή σωματιδίων. Αντίθετα παράγει σύντομες
ριπές.

44. V.4 Σύγχροτρο
• Large Hadron Colider (CERN)
– 27 km περίμετρος, 7 GeV ενέργεια,
99.9999991% της c.