فیزیک شتابدهنده

دستيابي به انرژي بالا يكي از آرزوهاي فيزيكدانان ، شيميدانان ، دانشمندان طب و ... و حتي با وجود امكان دست رسي به انرژي بالا هنوز هم تلاشها براي فراهم آوردن انرژيها بالاتر ادامه دارد زيرا انرژي بالا در شناخت و بررسي جهان ريز (مثل سيستمهاي اتمي) و جهان بزرگ (مثل كهكشانها) و در كشف پديده‌هاي موجود در اين جهانها با ايجاد تسهيلات فراوان موثر واقع مي شود. آيا در تشخيص فرد خاصي در انبوه جمعيت ، مثلا دانش آموزان يك دبستان ، از راه دور به زحمت افتاده ايد؟

براي اين تشخيص يا به داخل جمعيت مي رود يا در محل ايستادن خودتان از يك دوربين كمك مي گيرد. انرژي بالا نيز با وضع مشابهي به فيزيكدان يا شيميدان در كشف پديده‌هاي جديد كمك مي دهد. شتابدهنده‌ها دستگاههايي هستند كه از طريق شتاب دادن ذرات در ميدانهاي الكتريكي يا مغناطيسي به منظور دادن انرژي بالا به آنها بكار مي روند. اين ماشينها در كشف ذرات ريز اتمي فيزيكدانان و در تجزيه ساختار تركيبات شيميدانان را ياري رسانده و دانشمندان طب را براي مبارزه با بيماريها مسلح مي كند.

مكانيزمهاي شتاب دادن ذرات

سازنده‌هاي شتابدهنده به طرق گوناگوني موفق به شتاب دادن ذرات باردار شده اند. برخي از آنان از طريق اعمال ولتاژ مستقيم بين دو ترمينال براي شتاب ذرات باردار به سمت هدف استفاده كرده اند و برخي ديگر از طريق حمل بار با ابزار مكانيكي مثل تسمه و قرقره به محفظه‌اي كه شامل منبع يونهاي با بار هم‌نوع بار حمل شده به اين محفظه است، به شتاب ذرات باردار پرداخته اند. بعضي توانسته اند از طريق شتاب دادن كوچك متوالي ذرات باردار به انرژي بالا دست يابند.

وجود نواقصي در روشهاي مذكور سازنده‌ها را به استفاده از روشهاي پيشرفته براي شتاب ذرات واداشته است «شتابدهنده پيشرفته). يكي از اين روشها شتاب دادن ذرات باردار روي مسير مارپيچي دايروي به كمك ميدانهاي مغناطيسي بوده كه خود اين روش نيز در طي تكامل خود روش بهتري را سبب شده است مثلا در مسير مارپيچ دايروي براي رسيدن به ذرات با انرژي خيلي بالا لازم است كه طول اين مسير را طولاني كنند ولي استفاده از تغيير اندازه ميدان مغناطيسي و تغيير فركانس توانسته‌اند به جاي مسير مارپيچ دايروي ، ذرات باردار روي دايره‌هاي هم مركز شتاب بزرگي بدهند. علاوه براين‌ها با استفاده از مغناطيس‌هاي فوق هادي به جاي مغناطيس‌هاي معمولي قدم ديگري برداشته و در صدد ساختن شتاب دهنده‌هاي عظيم و كامل نهاده اند.

اجزاي شتابدهنده‌ها

شتاب دهنده‌ها از چهار جز درست شده اند. جز اول چشمه ذرات است كه ذرات باردار الكتريكي توليد مي كند، چرا كه بسياري از دستگاههاي شتابدهنده از ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي براي شتاب دادن استفاده مي كنند. چشمه‌ها ممكن است يون‌هاي منفي ، الكترونها ، يا يون‌هاي مشابه توليد كنند. از بين يونهاي مثبت مخصوصا پروتون‌ها و ذرات آلفا متداول مي باشد. يونها پس از توليد شدن بايد به داخل سيستم تزريق شوند. گاهي اين كار فرآيند ساده اي است كه در آن يون‌ها بوسيله الكترواستاتيك‌هاي ساده به داخل لوله شتابدهنده جذب مي شوند. در حالتهاي ديگر تزريق كننده خود يك شتابدهنده‌اي است كه شتاب دهنده بزرگتري را تغذيه مي كند. طريق شتاب دادن از دستگاهي به دستگاه ديگر متفاوت است. ولي همه آنها بر اساس ميدان‌هاي الكترومغناطيسي براي بوجود آوردن شتاب استوار هستند. در نهايت ذرات پايدار از ماشين شتابدهنده خارج شده و به سوي هدف هدايت شوند.

انواع شتابدهنده‌ها

شتاب دهنده‌ها از نظر اندازه و طرح بسيار متنوع هستند، از يك مولد نوترون كاك كرافت والتن گرفته كه بوسيله يك فرد قابل حمل است تا شتابدهنده SSL كه محيط دايره آن در حدود 54 مايل مي باشد.

شتابدهنده‌هاي كاك كرافت والتن

اين شتاب دهنده از ولتاژ مستقيم اعمال شده بين دو ترمينال براي شتاب دادن ذرات به سمت يك هدف استفاده مي كند. اين نوع شتابدهنده‌ها اكثرا بعنوان تزريق كننده براي سيستم‌هاي بزرگتر شتابدهنده بكار مي‌روند.

شتابدهنده وان دوگراف

در اين نوع شتاب دهنده تسمه اي از جنس يك ماده غير هادي بر روي دو قرقره قرار داده شده و قرقره ها بطور پيوسته چرخانده مي شوند. در كي انتها ، يك منبع ولتاژ ، بار مثبت را به روي تسمه مي پاشد. ذرات باردار مثبت ، بوسيله تسمه به قرقره كه در داخل يك گنبد فلزي ميان تهي قرار دارد، حمل مي شوند. بارهاي مثبت بوسيله نشانه اي متصل به گنبد از تسمه جدا شده و بر روي سطح كره توزيع مي گردند.

در داخل كره ميان تهي با بار مثبت يك منبع يوني وجود دارد كه مي تواند يونهاي مثبت توليد كند. بارهاي مثبت همديگر را دفع مي كنند. يونهاي مثبت دفع شده در يك لوله شتابدهنده تا پتانسيل زمينه به سمت پاين شتاب داده شود. هدف در انتهاي اين لوله باريكه قرار دارد. شتاب دهنده‌هاي وان دوگراف در كاربردهاي تجزيه اي جهت تجزيه بطريق فعال‌ سازي با ذره باردار ، نشر اشعه ايكس حاصله از ذره ، تجزيه بطريق فعالسازي با نوترون سريع و اسپكترومتري پراكندگي برگشتي رادرفورد بكار مي روند.

شتابدهنده‌هاي خطي

اولين شتاب دهنده از اين نوع شتابدهنده ليناك بوده كه هدف اصلي آن دادن شتاب‌هاي كوچك زياد به ذرات ، به جاي يك شتاب بزرگ است. در اين شتابدهنده ذرات از ميان يك سري از لوله‌هاي ميان تهي كه بر روي يك خط مستقيم ترتيب يافته اند شتاب داده مي شوند. يونهاي حاصله از چشمه در اولين لوله كه داراي بار مخالف است، جذب مي شوند. با رسيدن ذره به انتهاي لوله با تغيير علامت ولتاژ لوله ، ذره از اين لوله دفع شده و در لوله بعدي جذب مي گردد. تازماني كه ذرات انرژي دارند اين عمل ادامه پيدا مي كند. با عبور ذره از ميان هر لوله افزايش مي يابد. اين نوع شتابدهنده در فرآيندهاي تشعشعي صنعتي ، در تحقيقات فيزيك و براي درمان طبي تشعشعي استفاده مي شود.

سيكلوترون‌ها

در اين نوع شتابدهنده ذره به جاي اينكه روي مسير مستقيمي شتاب داده شود در يك مدار مارپيچي نيم دايره اي شتاب داده مي شود. سيكلوترون داراي يك چشمه يوني است كه بين دو صفحه نيم دايره ميان تهي قرار گرفته است. به اين صفحه ها «دي» گفته مي شود. ذرات بر اثر اعمال يك ميدان مغناطيسي در مسيري دايروي حركت مي كند و با عوض شدن علامت ولتاژ صفحه‌ها ذرات نسبت به مرحله قبلي در مسيري با شعاع بزرگتر قرار مي گيرند و انرژي بيشتري پيدا مي كنند.

سرانجام شعاع مسير مارپيچي ذرات كه بايد سيكلوترون آن را در حركت بعدي خود نگه دارد بسيار بزرگ شده و ذرات بصورت الكتريكي از داخل سيكلوترون به طرف هدف منحرف مي شود. سيكلوترونهاي ساده در حال حاضر بعنوان تزريق كننده براي سيستم‌هاي شتابدهنده بزرگتر بكار مي روند. همچنين از اين شتابدهنده‌ها در مقاصد پزشكي استفاده مي‌شود.

سنيكروترون‌ها

در اين نوع شتابدهنده‌ها از طريق تغيير ميدان مغناطيسي و فركانس امكان حركت ذرات در مدارها با شعاع ثابت به جاي مواد مارپيچي سيكلوترون فراهم مي شود. در اين شتابدهنده‌ها به جاي «دي» ها تنها يك لوله بسته انحنادار وجود دارد كه حاوي ذرات است. مغناطيس‌هاي به شكل C در تناوبهاي طول لوله جايگزين شده اند. ذرات بوسيله يك شتابدهنده كوچكتر به داخل حلقه تزريق شده و در داخل لوله بوسيله مغناطيس‌ها نگهداري مي شوند. شتاب ذرات بوسيله حفره‌هاي شتاب دهنده انجام مي گيرد. اين شتابدهنده براي شتاب الكترون‌ها و يون‌هاي مثبت بكار مي روند.