Забрзувач на честички — направа која користи електромагнетни полиња со цел да се придвижат наелектризирани честички до големи брзини и да ги задржи во добро обликувани зраци. Големите забрзувачи на честички се познати по нивната употреба во честичната физика како судирачи (пр. LHC во ЦЕРН, RHIC во Брукхејвенската национална лабораторија, и Тевaтрон во Фермилаб). Другите видови на забрзувачи имаат најразлични примени, вклучувајќи и терапии за онколошки цели и како синхротронски светлински извор за изучување на физиката на кондензираната материја.Во моментов има повеќе од 30.000 забрзувачи кои се во употреба низ целиот свет.
Постојат два основни вида на забрзувачи: електростатички и осцилаторни. Електростатичките забрзувачи користат статични електрични полиња за да ги забрзаат честичките (пр. катодната цевка кај постарите телевизори). Други примери се Кокрофт–Валтоновиот генератор и Ван де Графовиот генератор. Електричниот пробив го спречува значајното создавање на кинетичка енергија во овие уреди. Осцилаторните забрзувачи, пак, ги користат електромагнетните полиња на радио честотите со што се избегнува проблемот со пробивот. Овие забрзувачи се изградени во 1920-ите и се основа за сите современи замисли за забрзувачите.
Ролф Видере, Густав Изинг, Лео Силард, Доналд Керст и Ернест Лоренс се сметаат за пионери на ова поле поради создавањето на првиот линиски забрзувачPedro Waloschek (ed.): The Infancy of Particle Accelerators: Life and Work of Rolf Wideröe, Vieweg, 1994, како што се бетатронот и циклотронот.
Бидејќи судирачите можат да дадат докази за структурата на субатомскиот свет, забрзувачите се честопати нарекувани атомски судирачи во 20 век. покрај фактот дека повеќето забрзувачи (со исклучок на јонските) всушност придвижуваат субатомски честички, и овој поим е во употреба кога се зборува за забрзувачите на честичките воопшто.
Употреба
Зраците од честичките со висока енергија се употребуваат за основни и за применети истражувања во науките, воедно и во многу технички и индустриски полиња кои не се поврзани со основните истражувања. Пресметано е дека ширум светот постојат околу 30.000 забрзувачи. Од овие, само околу 1% се за истражувчки цели, кои имаат енергиии над 1 GeV, додека околу 44% се за радиотерапија, 41% за јонска имплантација, 9% за индустриско преработување и истражување, и 4% за био-медицински и други истражувања кои користат ниски енергиии. Графикот покажува анализа на бројот на индустриски забрзувачи споредно со нивната примена. Пресметките се засновани на статистички податоци од 2012 година, достапни преку различни извори, вклучувајќи создавање и информации за продажбата кои се објавени во презентации или маркетни анкети, воедно и податоци обезбедено од страна на неколку произведувачи..
Високоенергетска физика За основните прашања во динамиката и структурата на материјата, вселената, времето, физиката ги разгледува наједноставните видови на заемодејства при највисоките можни енергии. Станува збор за честички со големи енергии од неколку GeV, и заемодејства на најпростите видови на честички: лептони (позитрони и електрони) фотони, глуони, кваркови и сл. Бидејќи изолираните кваркови се недостапни за експерименти, најпростите достапни експерименти вклучуваат меѓусебните заемодејства на лептони, но и лептони со нуклеони кои се составени од кваркови и глуони. За да се проучат меѓусебните судири на кварковите, научниците судараат нуклеони, кои при високи енергии може да се сметаат за заемодејства на кварковите и глуоните од кои тие се составени. Според тоа честичните физичари се стремат да употребуваат машини со што создаваат зраци на електрони, позитрони, протонии и антипротони, со што тие заемодејствуваат меѓусебно или со наједноставните јадра (на пример водород или деутериум) за највисоки можни енергии.
Најголемиот абрзувач со најголема енергија кој се користи во честичната физика е Големиот хадронски судирач (LHC) во CERN (кој е пуштен во работа во ноември 2009 година). Јадрената физика и добивањето на изотопи Јадрените физичари и космолози користат зраци од соголени атомски јадра, без елетрони за да се истражи структурата, заемодејствата и својствата на самите јадра и на кондензиранта материја при енормно високи температури и густини, какви што веројатно постоеле при првите моменти на Големата експлозија. За овие истражувања најчесто се користат тешки јадра на атоми како оние на златото или железото при високи енергии. Најголемиот таков забрзувач на честички е Релативистичкиот судирач на тешки јони (RHIC) во Брукхејвенската национална лабораторија.
Честичните забрзувачи, кои можат да произведат изотопи збогатени со протони за медицински или истражувачки потреби, спротивно на оние збогатени со неутрони во цепните реактори, сепак, неодамнешната работа покажала како да се добие 99Mo, кои вообичаено се добива во реакторите, при забрзувањето на изотопи на водородот, иако овој метод побарува реактор кој може да произведе трициум. Пример за ваква машина е LANSCE во Лос Аламос. Синхотроно зрачење
Покрај тоа што се од основен интерес, електроните со високи енергиии можат да оддадат сјајни и кохерентни зраци од фотони со висока енергија преку синхотроното зрачење, кое пак има бројни употреби во изучувањето на атомската структура, хемијата, физиката на кондензираната материја, биологијата и технологијата. Примери за вакво зрачење ЕПСЗ во Гренобл, Франција, кој неодамна бил употребен за добивање на тридимензионални слики на инсект заробени во килибар. Па од овие причини има голема побаувачка на електронски забрзувачи со средна енергртска јачина (GeV) и голем интензитет.
Нискоенергетски машини и честична терапија
Секојдневен пример за забрзувачи на честички се катодните цевки кои се наоѓаат во телевизорите и рендгенските цевки. Овие нискоенергетски забрзувачи користат пар на електроди со еднонасочна струја со напон од неколку илјади волти. Кај секој рендгенски генератор, метата е една од електродите. Нискоенергетски забрзувач на честички наречен јонски имплантатор се користи при произзводството на интегрални кола.
При пониски енергии, зраците на забрзани јадра исто така се користат во медицината како честична терапија, при лекувањето на рак.
Забрзувачите на еднонасочна струја способни да ги забрзуваат честичките до брзини доволно големи за да се предизвикаат јадрени реакции се Кокрофт Валтонов генератор или напонски мултипликатори, кој ја претвораат наизменичната струја во високонапонска еднонасочна струја, или Ван де Графов генератор кој користи статички електрицитет.
Електростатички забрзувачи на честички
Историски, првите забрзувачи користеле едноставна технологија на статичен висок напон кој ги забрзувал честичките. Наелектризираните честички се забрзувале преку вакуумски цевки со електроди на нивните краеви, меѓу кои постоела статичка потенцијална разлика. Бидејќи честичките минуваат само еднаш низ потенцијалната разлика, излезната енергија е ограничена од напонот на машината. Иако овој метод е многу користен и денес, електростатичките забрзувачи се најпогодни за пониски енергетски изучувања поради ограничувањата на напонот од околу 1MV за машините со воздушна изолација, или 30MV за забрзувачите потопени во резервоар со гас под притисок со висока диелектрична сила, како на пример кај сулфур хексафлуоридот. Во двојните забрзувачи, потенцијалот се користи двапати за да ги забрза честичките со менување на полнежот на честичките во внатрешноста на терминалот. Ова е можно со забрзувањето на атомските јадра користејќи анјони (негативно наелектризирани јони), а потоа со пропуштање на зракот низ тенка фолија да ги се одвојат електроните од анјоните во внатрешноста на високонапонскиот терминал, претворајќи ги во катјони (позитивно наелектризирани честички), кои исто така се забрзуваат при напуштањето на терминалот.
Двата главни видови на електростатички забрзувачи се Кокфорт-Волтоновиот забрзувач, кој користи напонски намножувач со диоден кондензатор за да произведе висок напон, и Ван де Графовиот забрзувач, кој користи подвижен појас од ткаенина кој го пренесува полнежот до високонапонската електрода. Иако електростатичките забрзувачи ги забрзуваат честичките линиски, поимот за линиски забрзувач почесто се користи за забрзувачи кои создаваат осцилирачки наместо статични електрични полиња.
Електродинамички (електромагнетни) забрзувачи на честички
Поради високиот напон кој постои при празнењето, со цел да се забрзаат честичките до поголеми енергии, се применуваат променливи полиња, односно се избегнува употребата на статички полиња. Електродинамичкото забрзување може да биде поттикнато од два механизми: нерезонантна електромагнетна индукција, резонантни кола или пак шуплини возбудени од РФ полиња. Електродинамичките забрзувачиможат да бидат линиски, каде честичките се забрзуваат по права линија, или кружни, користејќи магнетни полиња за честичките да се движат по кружни патеки.
Бетатрони
Бетатронот е кружен индукционен магнетен забрзувач, осмислен од Доналд Керст во 1940 година за забрзување на електроните. Концептот потекнува од норвешко-германскиот научник Ролф Видере. Овие машини, исто како и синхотроните, користат магнет со облик на крофна (погледајте подолу) со циклично зголемувачко магнетно поле B, но ги забрзуваат честичките со индукција од нараснувачкото магнетно поле, како да се всушност втората намотка кај трансформаторот, поради променливиот магнетен флукс низ орбитата.
Постигнувањето на постојан орбитален полупречник, сопстеното забрзувачко електрично поле побарува магнетниот флукс поврзан со орбитата да биде на одреден начин независен од магнетното поле на орбитата, закрвувајќи ја патеката на честичките во крива со постојан полупречник.
Линиски забрзувачи на честички
Кај линиските забрзувачи на честички (линак), честичките се забрзуваат по прави линии при што метата е на спротивниот крај од патеката. Тие најчесто се користат за да го обезбедат првичниот нискоенергетски поттик пред честичките да се вбризгаат во кружните забрзувачи. Најдолгиот линиски забрзувач е Линискиот забрзувач во Станфорд, SLAC, кој има должина од 3 км. SLAC е електронско-позиронски судирач.
Линиските забрзувачи користат низа на дискови на кои се нанесува променливо поле на енергија. Како што честичките се доближуваат до дисковите, тие се забрзуваат од спротивно наелектризираните дискови. При преминувањето низ средиштето во дискот, се менува поларитетот на дискот така што истиот започнува да ги одбива, па тие забрзуваат кон следниот диск. Вообичаено се забрзува сноп на честички и затоа се применува претпазливо регулиран наизменичен полнеж на секој диск со цел да се повторат процесите.
Како што честичките се забрзуваат до брзината на светлината промената на електричните полиња станува толку висока, што тие започнуваат да работат на радиочестоти, па при високите енергии се користат микробранови шуплини.
Линиските забрзувачи исто така се користат и во медицината, за радиотерапија и радиохирургија. Медицинските забрзувачи забрзуваат електрони користејќи клистрон и сложен систем на магнети кој обезбедува зрак со енергија од 6-30 MeV. Електроните можат да се искористат веднаш или пак може да се судираат со мета и да се добијат рендгенски зраци. Поузданоста, флексибилноста и прецизноста на зрачењето на овие машини ги надминува затарените терапии со кобалт-60.
Кружни или циклични забрзувачи
Во кружните забрзувачи, честичките се движат во круг додека не добијат доволно енергија. Патеката на честичките се искривува во кружен облик со употреба на магнети. Предноста на кружните забрзувачи е што кај нив е можно постојано забрзување.