فیزیک شتابدهنده

دستیابی به انرژی بالا یکی از آرزوهای فیزیکدانان ، شیمیدانان ، دانشمندان طب و ... و حتی با وجود امکان دست رسی به انرژی بالا هنوز هم تلاشها برای فراهم آوردن انرژیها بالاتر ادامه دارد زیرا انرژی بالا در شناخت و بررسی جهان ریز (مثل سیستمهای اتمی) و جهان بزرگ (مثل کهکشانها) و در کشف پدیده‌های موجود در این جهانها با ایجاد تسهیلات فراوان موثر واقع می شود. آیا در تشخیص فرد خاصی در انبوه جمعیت ، مثلا دانش آموزان یک دبستان ، از راه دور به زحمت افتاده اید؟
برای این تشخیص یا به داخل جمعیت می رود یا در محل ایستادن خودتان از یک دوربین کمک می گیرد. انرژی بالا نیز با وضع مشابهی به فیزیکدان یا شیمیدان در کشف پدیده‌های جدید کمک می دهد. شتابدهنده‌ها دستگاههایی هستند که از طریق شتاب دادن ذرات در میدانهای الکتریکی یا مغناطیسی به منظور دادن انرژی بالا به آنها بکار می روند. این ماشینها در کشف ذرات ریز اتمی فیزیکدانان و در تجزیه ساختار ترکیبات شیمیدانان را یاری رسانده و دانشمندان طب را برای مبارزه با بیماریها مسلح می کند.
● مکانیزمهای شتاب دادن ذرات
سازنده‌های شتابدهنده به طرق گوناگونی موفق به شتاب دادن ذرات باردار شده اند. برخی از آنان از طریق اعمال ولتاژ مستقیم بین دو ترمینال برای شتاب ذرات باردار به سمت هدف استفاده کرده اند و برخی دیگر از طریق حمل بار با ابزار مکانیکی مثل تسمه و قرقره به محفظه‌ای که شامل منبع یونهای با بار هم‌نوع بار حمل شده به این محفظه است، به شتاب ذرات باردار پرداخته اند. بعضی توانسته اند از طریق شتاب دادن کوچک متوالی ذرات باردار به انرژی بالا دست یابند.
وجود نواقصی در روشهای مذکور سازنده‌ها را به استفاده از روشهای پیشرفته برای شتاب ذرات واداشته است «شتابدهنده پیشرفته). یکی از این روشها شتاب دادن ذرات باردار روی مسیر مارپیچی دایروی به کمک میدانهای مغناطیسی بوده که خود این روش نیز در طی تکامل خود روش بهتری را سبب شده است مثلا در مسیر مارپیچ دایروی برای رسیدن به ذرات با انرژی خیلی بالا لازم است که طول این مسیر را طولانی کنند ولی استفاده از تغییر اندازه میدان مغناطیسی و تغییر فرکانس توانسته‌اند به جای مسیر مارپیچ دایروی ، ذرات باردار روی دایره‌های هم مرکز شتاب بزرگی بدهند. علاوه براین‌ها با استفاده از مغناطیس‌های فوق هادی به جای مغناطیس‌های معمولی قدم دیگری برداشته و در صدد ساختن شتاب دهنده‌های عظیم و کامل نهاده اند.
● اجزای شتابدهنده‌ها
شتاب دهنده‌ها از چهار جز درست شده اند. جز اول چشمه ذرات است که ذرات باردار الکتریکی تولید می کند، چرا که بسیاری از دستگاههای شتابدهنده از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی برای شتاب دادن استفاده می کنند. چشمه‌ها ممکن است یون‌های منفی ، الکترونها ، یا یون‌های مشابه تولید کنند. از بین یونهای مثبت مخصوصا پروتون‌ها و ذرات آلفا متداول می باشد. یونها پس از تولید شدن باید به داخل سیستم تزریق شوند. گاهی این کار فرآیند ساده ای است که در آن یون‌ها بوسیله الکترواستاتیک‌های ساده به داخل لوله شتابدهنده جذب می شوند. در حالتهای دیگر تزریق کننده خود یک شتابدهنده‌ای است که شتاب دهنده بزرگتری را تغذیه می کند. طریق شتاب دادن از دستگاهی به دستگاه دیگر متفاوت است. ولی همه آنها بر اساس میدان‌های الکترومغناطیسی برای بوجود آوردن شتاب استوار هستند. در نهایت ذرات پایدار از ماشین شتابدهنده خارج شده و به سوی هدف هدایت شوند.
● انواع شتابدهنده‌ها
شتاب دهنده‌ها از نظر اندازه و طرح بسیار متنوع هستند، از یک مولد نوترون کاک کرافت والتن گرفته که بوسیله یک فرد قابل حمل است تا شتابدهنده SSL که محیط دایره آن در حدود ۵۴ مایل می باشد.
▪ شتابدهنده‌های کاک کرافت والتن
این شتاب دهنده از ولتاژ مستقیم اعمال شده بین دو ترمینال برای شتاب دادن ذرات به سمت یک هدف استفاده می کند. این نوع شتابدهنده‌ها اکثرا بعنوان تزریق کننده برای سیستم‌های بزرگتر شتابدهنده بکار می‌روند.
▪ شتابدهنده وان دوگراف
در این نوع شتاب دهنده تسمه ای از جنس یک ماده غیر هادی بر روی دو قرقره قرار داده شده و قرقره ها بطور پیوسته چرخانده می شوند. در کی انتها ، یک منبع ولتاژ ، بار مثبت را به روی تسمه می پاشد. ذرات باردار مثبت ، بوسیله تسمه به قرقره که در داخل یک گنبد فلزی میان تهی قرار دارد، حمل می شوند. بارهای مثبت بوسیله نشانه ای متصل به گنبد از تسمه جدا شده و بر روی سطح کره توزیع می گردند.
در داخل کره میان تهی با بار مثبت یک منبع یونی وجود دارد که می تواند یونهای مثبت تولید کند. بارهای مثبت همدیگر را دفع می کنند. یونهای مثبت دفع شده در یک لوله شتابدهنده تا پتانسیل زمینه به سمت پاین شتاب داده شود. هدف در انتهای این لوله باریکه قرار دارد. شتاب دهنده‌های وان دوگراف در کاربردهای تجزیه ای جهت تجزیه بطریق فعال‌ سازی با ذره باردار ، نشر اشعه ایکس حاصله از ذره ، تجزیه بطریق فعالسازی با نوترون سریع و اسپکترومتری پراکندگی برگشتی رادرفورد بکار می روند.
▪ شتابدهنده‌های خطی
اولین شتاب دهنده از این نوع شتابدهنده لیناک بوده که هدف اصلی آن دادن شتاب‌های کوچک زیاد به ذرات ، به جای یک شتاب بزرگ است. در این شتابدهنده ذرات از میان یک سری از لوله‌های میان تهی که بر روی یک خط مستقیم ترتیب یافته اند شتاب داده می شوند. یونهای حاصله از چشمه در اولین لوله که دارای بار مخالف است، جذب می شوند. با رسیدن ذره به انتهای لوله با تغییر علامت ولتاژ لوله ، ذره از این لوله دفع شده و در لوله بعدی جذب می گردد. تازمانی که ذرات انرژی دارند این عمل ادامه پیدا می کند. با عبور ذره از میان هر لوله افزایش می یابد. این نوع شتابدهنده در فرآیندهای تشعشعی صنعتی ، در تحقیقات فیزیک و برای درمان طبی تشعشعی استفاده می شود.
▪ سیکلوترون‌ها
در این نوع شتابدهنده ذره به جای اینکه روی مسیر مستقیمی شتاب داده شود در یک مدار مارپیچی نیم دایره ای شتاب داده می شود. سیکلوترون دارای یک چشمه یونی است که بین دو صفحه نیم دایره میان تهی قرار گرفته است. به این صفحه ها «دی» گفته می شود. ذرات بر اثر اعمال یک میدان مغناطیسی در مسیری دایروی حرکت می کند و با عوض شدن علامت ولتاژ صفحه‌ها ذرات نسبت به مرحله قبلی در مسیری با شعاع بزرگتر قرار می گیرند و انرژی بیشتری پیدا می کنند.
سرانجام شعاع مسیر مارپیچی ذرات که باید سیکلوترون آن را در حرکت بعدی خود نگه دارد بسیار بزرگ شده و ذرات بصورت الکتریکی از داخل سیکلوترون به طرف هدف منحرف می شود. سیکلوترونهای ساده در حال حاضر بعنوان تزریق کننده برای سیستم‌های شتابدهنده بزرگتر بکار می روند. همچنین از این شتابدهنده‌ها در مقاصد پزشکی استفاده می‌شود.
▪ سنیکروترون‌ها
در این نوع شتابدهنده‌ها از طریق تغییر میدان مغناطیسی و فرکانس امکان حرکت ذرات در مدارها با شعاع ثابت به جای مواد مارپیچی سیکلوترون فراهم می شود. در این شتابدهنده‌ها به جای «دی» ها تنها یک لوله بسته انحنادار وجود دارد که حاوی ذرات است. مغناطیس‌های به شکل C در تناوبهای طول لوله جایگزین شده اند. ذرات بوسیله یک شتابدهنده کوچکتر به داخل حلقه تزریق شده و در داخل لوله بوسیله مغناطیس‌ها نگهداری می شوند. شتاب ذرات بوسیله حفره‌های شتاب دهنده انجام می گیرد. این شتابدهنده برای شتاب الکترون‌ها و یون‌های مثبت بکار می روند.

منبع : سایت آموزش فیزیک