thumb|300px|Accelerator de particule circular
Un accelerator de particule este o instalație complexă folosită în domeniul fizicii energiilor înalte pentru a accelera particule elementare. Se accelerează în general doar particulele ce poartă sarcină electrică. Accelerarea are loc sub acțiunea unor câmpuri electrice și magnetice. Este utilizat la studiul particulelor elementare. Există o mare varietate de acceleratoare de particule, ele putând fi clasificate în funcție de forma traiectoriei fascicului de particule accelerate, caracterul câmpurilor acceleratoare, domeniul de energii imprimate particulelor și în funcție de natura particulelor accelerate. În acceleratoare este nevoie de asigurarea stabilității traiectoriei, adică menținerea permanentă a particulelor aflate în procesul accelerării pe traiectorii care să nu permită abateri mari de la traiectoria de echilibru(sau de referință).
Clasificare Acceleratoarele se pot clasifica după: forma traiectoriei descrise de particule: rectilinie (acceleratoare liniare) sau curbilinie (ciclotronul); după caracterul câmpului electric accelerator: directe, de inducție, rezonante și cu undă progresivă; după domeniul de energii imprimate particulelor: relativiste, nerelativiste; după natura particulelor accelerate: electroni, protoni.
Scopul accelerării particulelor Sinteză (formare) de noi elemente cu ajutorul ionilor grei accelerați. Găsirea celei mai mici particule subatomice, particula care stă la baza Universului. Ciocnirea cu alte particule staționare; ciocnire care rezultă în descompunerea în alte particule, ele putând fi urmărite și analizate cu diverse aparate (exemplu: camera cu ceață). Prin această ciocnire s-au descoperit cele mai multe particule subatomice. Se accelerează particula la viteze tot mai mari pentru a se analiza comportamentul ei. Spre exemplu electronul accelerat își mărește masa. Obținerea unui flux extrem de ridicat de radiații X într-o instalație acceleratoare denumită sincrotron. Acceleratorul de particule este inventat pentru a vedea ce s-a întâmplat după primele secunde de la marea explozie cosmică Big-Bang.
Stabilitatea funcționării
Stabilitatea traiectoriei În acceleratoare trebuie asigurată stabilitatea traiectoriei, adică menținerea particulelor pe traiectorii care să nu prezinte abateri mari (limitate de construcția instalației) de la o traiectorie de echilibru (sau de referință). Aceasta se realizează fie automat, devierea de la această traiectorie având tendința de a se micșora, fie prin dispozitive speciale de focalizare, plasate de-a lungul traiectoriei particulelor (în cazul acceleratoarelor liniare rezonante sau cu undă progresivă); la acceleratoarele directe, stabilitatea traiectoriei se face prin focalizare electrostatică, iar la cele ciclice - prin focalizare electromagnetică (slabă sau intensă).
Stabilitatea de fază thumb|right|300px|Sincronizarea la acceleratoarele cu focalizare slabă Pentru menținerea procesului de accelerare este necesară și stabilitatea de fază, adică satisfacerea unei condiții de sincronism. La acceleratoarele rezonante, aceasta este îndeplinită prin realizarea unei egalități între perioada tensiunii acceleratoare și intervalul de timp dintre două treceri succesive ale particulelor prin spațiul de accelerare, iar la acceleratoarele cu undă progresivă - prin realizarea unei egalități între viteza particulei (sincrone) și viteza de fază a undei.
Conform principiului autofazării, particulele trebuie să satisfacă, în medie, condiția de sincronism; sub o anumită limită, abaterile de fază nu le elimină din procesul de accelerare. Astfel, la acceleratoarele cu focalizare slabă, creșterea energiei conduce la creșterea perioadei de rotație a particulei. Notând cu φs faza de sincronism în care o particulă de energie Ws întâlnește intervalul de accelerare, iar cu Vm amplitudinea tensiunii V de accelerare aplicată intervalului, energia pe care o acumulează particula este:
În acest caz, trecerile repetate prin intervalul de accelerare se succed la un interval de timp egal cu perioada Trf a generatorului. Dacă particula de energie Ws ar ajunge în intervalul de accelerare cu faza φ1< φs, energia acumulată este:
particula ieșind astfel din sincronism.
Mărindu-se timpul de revenire a particulei în spațiul de accelerare (T > Trf), faza φ1 se apropie de cea de sincronism φs, devenind φ2. În următoarele perioade, particula acumulează energie din ce în ce mai mare, ceea ce face ca frecvența sa de rotație să crească. Dacă variația frecvenței generatorului are loc suficient de lent, atunci energia W nu va fi egală cu Ws până când faza particulei nu devine φ' > φs; aceasta poate avea loc în cazul φ' < π sau φ' > π.
Acceleratorul din laboratorul CERN Cel mai mare accelerator de particule se află în laboratorul CERN, între Franța și Elveția, marea parte aflându-se în Franța. Acest accelerator poate accelera atomi până la o viteză de 99,999999% din viteza luminii. Tunelurile unde sunt băgate particulele se întâlnesc în 4 puncte. În unele zone ale acestor tunele pot atinge temperatura de zero absolut (-273 °C). Oamenii de știință vor ca prin unirea celor 2 particule să se genereze așa-zisa „particulă a lui Dumnezeu”."Particula lui Dumnezeu" a fost găsită. Savanții de la CERN au făcut anunțul oficial, stirileprotv.ro, 3 noiembrie 2012, accesat 2022-06-14 Acceleratorul de particule din laboratorul CERN este situat la câteva zeci de metri sub pământ întins pe o distanță de 25km, și au lucrat la el peste 7000 de savanți și fizicieni.
Istoric La începutul secolului XX, ciclotronii erau denumiți în mod normal ca ”spărgător de atomi”. În ciuda faptului că ciocnirile de particule moderne, de fapt, propulsează particulele subatomice – atomii înșiși acum sunt relativ simplu de scindat fără a utiliza acceleratorul de particule – termenul persistă în limbajul cotidian când ne referim la acceleratorul de particule în general.
Radiațiile de particule cu energie mare sunt folositoare atât pentru cercetările fundamentale și aplicate în știinte, cât și în multe domenii tehnice și industriale fără legătură cu cercetările fundamentale. A fost estimat ca sunt aproximativ 26.000 de acceleratoare în întreaga lume. Dintre acestea, doar ~ 1% reprezinta mașinile de cercetare cu peste 1 GeV, ~44% sunt în domeniul radioterapiei, ~41% pentru implantarea de ioni, ~9% pentru procesarea și cercetarea industrială, ~4% pentru cercetări biomedicale și alte cercetări cu cantități mici de energie.
Pentru anchetele de bază în dinamica și structura materiei, spațiului și timpului, fizicienii caută cele mai simple genuri de interacțiuni la cele mai înalt posibile energii. Acestea, în mod normal, implică energii ale particulelor de mulți GeV și interacțiuni ale celor mai simple particule: leptoni (de exemplu: electronii și protonii) și cuarci sau fotoni și gluoni în câmpul cuantei. Din moment ce cuarcii izolați sunt indisponibili datorită paletei mici de culori, cele mai simple experimente disponibile implică interacțiunile, în primul rând, a leptonilor între ei și, în al doilea rând, a leptonilor cu nucleonii, care sunt compuși din cuarci și gluoni. Pentru a studia ciocnirile cuarcilor între ei, savanții recurg la coliziunile dintre nucleoni, care la energii mari ar putea fi considerați ca interacțiuni între două corpuri ale cuarcilor și gluonilor din care sunt compuși. Astfel, fizicienii au tendința să folosească mașini care creează raze de electroni, protoni, și antiprotoni, care interacționând între ei sau cu cele mai simple nuclee (cum ar fi hidrogenul sau deuteriul) la cele mai mari energii posibile, generează sute de GeV sau mai mult. Fizicienii nucleari sau cosmologii pot folosi razele atomilor nucleici, fară electroni, pentru a investiga structura, interacțiunile și proprietățile nucleilor înșiși și condensul la temperaturi extreme și densități așa cum au apărut în primele momente ale Big Bang-ului. Aceste investigații implică, adeseori, ciocniri ale nucleilor grei – ale atomilor ca Fe sau Au – la energii de cativa GeV per nucleon. La energii mici, raze de nuclei accelerați sunt folosiți, de asemenea, în medicină, cum ar fi tratamentul cancerului.
Pe lângă faptul că sunt de interes fundamental, electronii de mare energie ar putea fi forțati să emită raze foarte deschise și coerente de fotoni de mare energie – raze ultraviolete sau raze X – pe calea radiației sincrotonului, ale căror fotoni are numeroase utilizări în studiul structurii atomului, chimie, biologie, tehnologie. Exemplele includ ESRF în Europa, care a fost recent utilizat pentru a extrage imagini detaliate 3D a insectelor prinse în chihlimbar. Astfel, este o mare cerere pentru acceleratorul de electron de energii moderate (GeV) și intensitate mare.
Mașinile de energie mică Acceleratoare de energii mici folosesc o singură pereche de electrozi ce generează o tensiune de câteva mii de volți. Într-un generator de raze X, sarcina însăși este cea a electrozilor. Un accelerator de particule numit implementator de ioni este folosit în fabricarea circuitelor integrate.
Mașinile de energie mare Acceleratorul DC este capabil de a accelera particule la viteze suficiente pentru a cauza reacții nucleare, cum ar fi generatorul Cockcroft-Walton sau multiplicatorul de voltaj, care transformă curentul alternativ în curent continuu, sau generatorul Van de Graaff care folosește electricitatea statică.
Cele mai mari și puternice acceleratoare, cum ar fi RHIC, Large Hadron Collider (LHC) și tevatronul sunt folosite în fizica particulelor.
Acceleratoarele de particule produc, de asemenea, raze de protoni, care pot produce izotopi medicali sau de cercetare bogați în protoni, în contradicție cu cele bogate în neutroni făcuți în reactorii de fisiune. Totuși, cercetarea recentă a arătat cum se fac 99Mo, de obicei, făcuți în reactori, prin izotopi accelerați ai hidrogenului, chiar dacă această metodă are încă nevoie de un reactor pentru a produce tritium. Un exemplu al acestui tip de mașinărie este LANSCE din Los Alamos.
Acceleratoarele electrostatice de particule Istoric vorbind, primele acceleratoare foloseau tehnologia simplă a unui singur mare voltaj (potențial) static pentru a accelera particule încărcate. În timp ce această metodă este încă foarte populară în zilele de astăzi, numărul acceleratoarelor electrostatice depășind cu mult orice altă clasă, ele sunt îndreptate către studiile cu energie mică până la limita de 30 MV (când acceleratorul este plasat într-un rezervor). Același mare voltaj poate fi folosit de două ori în cascadă dacă sarcina particulelor poate fi inversată în timp ce sunt în terminal; acest lucru este posibil cu accelerarea nucleului atomic prin adăugarea, întâi, a unui electron sau prin formarea unui compus chimic cationic (încărcat negativ), iar apoi trecând raza printr-o folie subțire pentru a îndepărta electronii din terminalul de mare voltaj, creând raza încarcată pozitiv.
Această categorie nu trebuie să fie confundată cu acceleratoarele liniare, acest termen referindu-se la acceleratoarele care folosesc câmpuri electrice oscilante sau ghid de unde. Astfel, cele mai multe acceleratoare aranjate într-o linie dreaptă nu trebuie numite „acceleratoare liniare”.
Acceleratoare de câmpuri oscilante de particule Datorita plafonului de mare voltaj impusă de descărcarea electrică, pentru a accelera particule spre energii mari, sunt utilizate tehnici care implică mai mult decât o singură sursă joasă, dar oscilantă, de înaltă tensiune. Acești electrozi pot fi aranjați pentru a accelera particulele într-o linie sau un cerc, depinzând dacă particulele aparțin unui câmp magnetic în timp ce sunt accelerate, provocând traiectoriile lor să se curbeze.
Acceleratoarele liniare de particule