معرفی چند شتابدهنده

سیکلوترون ها

اشکال اساسی در شتاب دهنده های خطی، طول بلند آنها برای حصول به انرژی های بالا است و این اشکال با ساختن اولین سیکلو ترون در سال1331__1329توسط لارنس و لینوینگستونمرتفع گردید. ذرات در مسیر مارپیچی شکل در داخل دو نیم کره فلزی میان تهی به نام ?دی ها? و در فضای خلاء و در حالی که صفحات دی ها به یک ولتاژ تغییر دهنده علامت متصل هستند، تحت یک میدان مغناطیسی شتاب دار میشوند. لارنس این کار جدید خود که از یک مدار مارپیچی نیم دایره ای به جای مسیر خطی برای شتاب ذرات استفاده کرد، جایزه نوبل سال 1939  را به خود اختصاص داد.

یک سیکلوترون به صورت دو آهن ربای دوقطبی بزرگ طراحی شده برای ایجادیک ناحیه نیم دایره ای میدان مغناطیسی یکنواخت که به طور یکنواخت به طرف پایین جهت گیری دارد، طراحی میشود.

یک ولتاژ نوسانی برای ایجاد یک میدان الکتریکی در عرض این شکاف اعمال می شود. ذرات به ناحیه میدان مغناطیسی یک مسیرِD خارج یک مسیر نیم دایره ای تزریق می شوند تا به شکاف برسند. بدین ترتیب میدان الکتریکی، به ذرات وقتی از آن عبور می کنند، شتاب می دهد.

حالا ذرات انرژی بالاتری دارند، پس ذر یک مسیر نیم دایره ای دیگر درD بعدی با شعاع بزرگ تر جریان میابند وبنابراین دوباره به شکاف می رسند. بسامد میدان الکتریکی باید درست طوری تنظیم شود که جهت میدان به وسیله زمان ورود آنها در شکاف معکوس شود. میدان در شکاف، آنها را شتاب می دهد و آنها دوباره وارد اولین D می شوند. بدین ترتیب وقتی ذرات به اطراف به طور مارپیچ می چرخند انرژی کسب می کنند. طراحی سیستم چنان است که وقتی آنها سرعت می گیرند، یک قوس بزرگ را دنبال می کنند و لذا همیشه در یک زمان به شکاف می رسند. این راه یک نوسان میدان الکتریکی بسامد ثابت، ادامه میابد تا همواره در عرض شکاف به آنها شتاب داده شود. محدودیت در مورد انرژی که می تواند در چنین وسیله ای به آن رسید به اندازه آهنرباهایی که D ها را تشکیل میدهند وبه شدت میدان مغناطیسی آنها بستگی دارد. این عمل توسط یک سینکروترون انجام میشود، به محض اینکه اصول سینکروترون توسعه یافت، دریافتند که راه خیلی ارزان تری برای دست یابی به انرژی خیلی بالاتر از سیکلوترون وجود دارد و در این صورت روش سیکلوترون اصلی دیگر مورد استفاده قرار نگرفت.

بنابراین سیکلوترونها دارای یک چشمه یونی است، که بین دو صفحه نیم دایره میان تهی (به نام دی)قرار گرفته است. فاصله بین دی ها جایی است که شتاب یون در آنجا صورت می پذیرد. وپایین دی ها وچشمه یون قطب های یک مغناطیس بزرگ قرار دارند.تأثیر میدان مغناطیس بر روی ذرات باردار موجب حرکت آنها در یک مسیر دایره ای میگردد.در هنگام کار سیکلوترون، چشمه یون، ذرات باردار(معمولاً مثبت) را به فضای بین دی ها تزریق می کند که این ذرات به داخل دی دارای بار مخالف شتاب داده می شوند، و فقط مجبور به حرکت در یک مسیر دایره ای به وسیله میدان مغناطیسی می باشند. ابتدا، انرژی ذرات پایین است و مسیر طی شده دارای شعاع کوچکی است. بلافاصله پس از خروج ذرات بوسیله دی اول دفع شده و به سمت دی دوم شتاب داده میشوند. در این زمان، ذرات انرژی جنبشی نسبتاً بیشتری دارند، لذا آنها مسیر دایره شکلی را که دارای شعاع بزرگ تر است طی می کنند، ولی زمانی را که ذره برای بیرون آمدن از دی ها لازم دارد همیشه یکسان است(سرعت آن ها بالا تر است، ولی مسیری که دارای شعاع بزرگتری است،طولانی تر است. ذراتی که هر بار به این طریق شتاب داده میشوند از فاصله بین دی ها عبور می کنند. سرانجام شعاع مسیر مارپیچی که باید سیکلوترون آن را در حرکت بعدی خود نگه دارد، بسیار بزرگ شده و ذرات به صورت بار الکتریکی از داخل سیکلوترون به طرف هدف منحرف می گردند.

بیشینه انرژی که در سیکلوترونهای متعارف وفرکانس ثابت قابل دسترس است حدودMeV25برای پروتن و دوترون ،و MeV50برای ذرات آلفا است. شکل میدان الکترواستاتیک در شکاف یا فاصله بین دی ها و همچنین طراحی میدان مغناطیسی، سبب یک غیر یک نواختی در لبه های بیرونی دی ها میشوند که این خود باعث یک اثر تمرکزی در باریکه ذرات می گردد. بنابراین یون ها در باریکه درونی با شدت کمتر از 5/0 میلی آمپر و در باریکه بیرونی ده برابر کمتر جریان می یابند. هر قدر انرژی های زیاد شود نیبیت جرم هم افزایش میابد. لذا بسامد یا میدان مغناطیسی و یا هر دو باید به نحوی تغییر کنند که افزایش جرم به خاطر ورود باریکه ذرات به شکاف در یک فاز جبران شوند. این تغییر اولی را با سینکروترونها میتوان انجام داد.

سینکروسیکلوترون

افزایش جرم نسبیتی را میتوان با کاستن سر عت زاویه ای میدان الکتریکی درطی فرآیند شتاب، جبران نمود. بنابراین، سرعت زاویه ای یا بسامد میدان الکتریکی میتواند تعدیل گردد، بطوری که سرعت زاویه ای یون و میدان الکتریکی، اگرچه متغیر هستند، همواره در طی فرآیند شتاب، مساوی(یا همزمان) گردند. به این طریق یک بسامد تعدیل شده تا سینکرو _ سیکلوترون تا بدست می آید که تابع محدودیت انرژی بیشینه یک سیکلوترون نمی باشد. با این وجود، شدت باریکه بسیار پایین تر است ( معمولاً با فاکتوری معادل 1000)در واقع، هر گروه از یون ها با تنظیم بسامد میدان الکتریکی تا انرژی بیشینه خود شتاب داده می شود سپس بسامد میدان الکتریکی به مقدار آغازین خود برگشت داده شده و گروه جدیدی از یون ها تا انرژی بیشینه خود شتاب میابند. این امر به یک باریکه پالسی ذارای شتاب میانگین بسیار پایین تر از یک سیکلوترون منجر می گردد. در سال1945 توسعه این تکنولوژی اجازه داد که با تغییر بسامد ولتاژ شتاب داده شده انرژی نسبیتی ذرات نیز تغییر کند. به این در آن زمان شتاب دادن ذرات تاMeV700 میسر گردید. این انرژی حدود یکصد برابر بیش از انرژی کسب شده در گسیل ذرات توسط رادیو اکتیویته طبیعی بود.

سیکلوترون ایزوکرونی

افزایش جرم نسبیتی متنایب با انرژی (یا سرعت) یون است. افزایش جرم نسبیتی میتواند به وسیله القاء مغناطیسی که به عنوان تابعی از شعاع میدان مغناطیسی افزایش میابد جبران گردد. با ثابت ماندن سرعت زاویه ای یون و میدان الکتریکی (پدیده هم زمانی یاایزوکرونی) طی فرآیند شتاب، یک سیکلوترون ایزوکرونی حاصل می گردد. یک سیکلوترون ایزوکرونی تابع محدودیت انرژی بیشینه یک سیکلوترون یا محدودیت شدت بیشینه یک سینکرو _ سیکلوترون نمی باشد.

سینکروترون ها با بسامد تعدیل شده بسامد یک سیکلوترون با توجه به تغییرات سرعت و جرم وقتی پدیده های نسبیتی افزایش می یابند از اهمیت خاصی برخوردار میشود. در انرژی های بالا شعاع قوس زیاد میشود این منجر به پیدایش دو طرح مختلف شتابدهنده می گردد. یکی تعدیل بسامد یا سینکروسیکلوترون که همان اساس سیکلوترون را با مسیر مارپیچی ذره و دیگری سینکرو ترون ها که عبور یا مسیر ذره در دایره های ثابتی جریان دارد. در سینکروترون موازنه ای بین بسامد ومیدان مغناطیسی وجود دارد، یکی یا هر دوی آن ها در طی شتاب گرفتن طبق معادله زیر تغییر می کنند.

E_kin=Y?r^2 Bq

Bشدت میدان مغناطیسی، rشعاع مسیر پرتو در انرژی E_kin ، Y=B/mعددی است ثابت وmبه جرم ذره اطلاق میگردد.

سینکروترون ها

یک سینکروترون  که گاهی اوقات سینکرو_سیکلوترون نامیده می شود، یک شتاب دهنده دایره ای است که دارای یک کاواک مشدد الکترومغناطیس برای شتاب دادن ذرات است. چندین شتابدهنده دایره ای در آزمایشگاه شتابدهنده ملی فرمی وجود دارند. ذرات از طریق هر کاواک به دفعات بسیار عبور می کنند. وقتی آنها حول حلقه میگردنند، هر مرتبه یک شتاب کوچک دریافت می کنند، یا انرژی را افزایش می دهند. وقتی انرژی یا شدت میدان تغییر میکند در نتیجه شعاع مسیر ذرات تغییر می یابند.

بدین ترتیب، افزایش انرژی می یابند شدت میدان مغناطیسی که برای هدایت کردن آنها استفاده می شود باید با هر چرخش برای نگه داشتن ذرات متحرک در یک حلقه، تغییر کند. تغییر در میدان مغناطیسی باید به طور دقیق با تغییر در انرژی همزمان شود یا باریکه تلف خواهد شد. بنابراین نام ?سینکروترون?از گستره انرژی های بالایی کهذرات می توانند در یک تک حلقه شتاب بگیرند بوسیله گستره شدت میدان قابل دستیابی با دقت بالا از یک مجموعه خاص آهنرباها، معین میشود. برای رسیدن به انرژی های بالا، فیزیکدان ها گاهی اوقات از یک مجموعه سینکروترون های با اندازه های متفاوت استفاده می کنند، هر یک، سیستم بزرگتر بعدی را تغذیه می کند. ذرات اغلب پیش از ورود به اولین حلقه، با استفاده از یک شتابدهنده خطی کوچک یا وسیله ای دیگر پیش شتاب می گیرند. تابش سینکروترون نامی است که به تابش الکترومغناطیسی گسیل شده بوسیله ذرات باردار چرخنده در یک سینکروترون اطلاق می شود. این تابش به این علت است که ذرات باردار بوسیله میدان مغناطیسی از آهنرباهای دوقطبی برای به حرکت در آوردن باریکه حول حلقه شتاب می گیرند(منحرف میشوند). هر ذره باردار شتابدار، تابش الکترومغناطیسی تولید می کند.

طول موج و شدت تابش سینکروترون به انرژی و نوع ذره گسیل شده بستگی دارد. اگر منظ.ر انبار کردن یک باریکه انرژی بالا باشد پس تابش سینکروترون یک مشکل است.اتلاف انرژی از باریکه بوسیله این اثر تابش، باید به وسیله معرفی کاواک های شتاب دهنده در یک یا چند مکان در حلقه بازگردانده شود، تا به ذرات هرگاه که عبور می کنند یک تکان در انرژی بدهند. میزان و انرژی تابش به سرعت ذرات تابش کننده و شدت میدان مغناطیسی وابسته است. وقتی ذرات به سرعت نور نزدیک می شوند، این اثر سریعاً افزایش میابد. ضریب نسبیت خاص، گاما، نسبت به انرژی ذره به انرژی جسم سکون، یعنی mC^2 است. اتلاف انرژی برای انرژی یک الکترون معین با گاما یعنی با ??mC?^2  متناسل است.

حتی با پیشرفت های انجام شده بر روی سیکلوترون های با تمرکز قطاعی وسینکروسیکلوترون ها، باز هم یک محدودیت در انرژی نهایی ذرات باقی می ماند وآن اندازه و قدرت مغناطیس است. یک محدودیت عملی از اندازه و قدرت برای یک مغناطیس بزرگ منفرد وجود دارد. پیشرفت بعدی در رابطه با شتاب ذره دستگاهی بود که می توانست قدرت میدان مغناطیسی را همراه با فرکانس تغییر ولتاژ تغییر دهد. چنانچه میدان مغناطیسی و فرکانس هر دو بتوانند تغییر کنند، امکان وادار ساختن ذرات برای حرکت در مدار با اندازه یکسان به جای مارپیچ ممتد در مدارهای با شعاع های بزرگتر و بزرگتر وجود دارد. بزرگترین شتاب دهنده های مدرن که بر اساس این مبانی به وجود آمده اند و به نام سینکروترون ها شناخته می شوند.

به جای دی ها تنها یک لوله بسته انحنا دار وجود دارو که حاوی ذرات است. به جای مغناطیس های بزرگ در بالا و پایین دی ها، یک سری از مغناطیس های با شکلcقرار گرفته در تناوب های طولی لوله جایگزین شده اند. ذرات به وسیله یک شتابدهنده کوچکتر به داخل حلقه تزریق شده و در داخل لوله بوسیله الکترومغناطیس ها نگهداری می شوند. شتاب ذرات به وسیله حفره های شتابدنده که مشابه لوله های غلتان در یک شتابدهنده خطی عمل می کنند، انجام می گیرد.

تواترون در آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فرمی نزدیک شیکاگو وبواترون در دانشگاه برکلی بزرگترین سینکروترون های دنیا هستند که پروتن هایی با انرژی در محدوده تریلیون و بلیون الکترون ولت (TeVو GeV) در اختیار می گذارند.

بتا ترون

شتاب دهنده ها برای شتاب دادن یون های ?سنگین? با بار مثبت مانند پروتون ها طراحی شده اند. شتاب دادن الکترون ها نیز، بجز برای سیکلوترون، امکان پذیر است. زیرا افزایش انرژی نسبیتی الکترون ها 2000مرتبه پایین تر از پروتون ها ست. بتاترون یک شتاب دهنده الکترون است که دارای تشابهاتی با سینکروترون می باشد. مدار الکترون در آنها ثابت بوده و میدان مغناطیسی وابسته به زمان است. با وجود این، شتاب الکترون ها مانند شتاب دادن آنها در ترانسفورمرها است که هادی مسی خروجی با باریکه الکترونی جایگزین شده است.

سایر شتاب دهنده ها

گرچه اکثر انواع شتاب دهنده ها از نوع های مختلفی است که طرح عمومی آنها در اینجا مورد بحث قرار گرفت، ولی شتاب دهنده های متعدد دیگری نیز در برخی از مراکز تحقیقاتی جهان قرار دارندکه با وجودی که از انواع فوق هم هستندولی در نوع خود کم نظیر یا منحصر به فرد محسوب میشوند. سیکلوترون آگور هم نتیجه همکاری مشترک دو شرکت گرونتیگس در هلند و اورسی در فرانسه می باشد. سیکلوترون تریمف یک شتاب دهنده غول پیکر است که یون های هیدروژن باردار منفی راتا75 درصد سرعت نور شتاب می دهد.

گردآوری: مژده اصولی