akcelerator čestica

ilustracija
AKCELERATOR ČESTICA, objedinjavanje prethodnih razvojnih faza u akceleratorskom kompleksu supersudarivača LHC, u izgradnji u CERN-u kraj Ženeve. Protoni, ioni, elektroni i pozitroni početno se ubrzavaju u linearnim akceleratorima (L), zatim u starom protonskom sinkrotronu iz 1959. (PS), odnosno u elektronskom sinkrotronu (EPA). Sljedeća je faza ubrzavanje u prstenu supersinkrotrona (SPS) i konačno upućivanje u golemi prsten LEP/LHC na daljnje ubrzavanje
ilustracija1ilustracija2ilustracija3ilustracija4

akcelerator čestica, uređaj u kojem se električki nabijene čestice (elektroni, protoni, ioni) ubrzavaju elektromagnetskim poljima. Rabi se u fizici za istraživanje strukture tvari i temeljnih zakona prirode (stvaranje novih čestica i istraživanje nepoznatih svojstava osnovnih međudjelovanja), u nuklearnoj medicini za liječenje zračenjem i za proizvodnju radiofarmaceutika, u industriji za neke tehnološke procese (sterilizacija, polimerizacija), ispitivanje materijala, proizvodnju radionuklida, i dr.

Građa akceleratora

Akcelerator čestica sastoji se od: izvora koji proizvodi električki nabijene čestice, vakuumske komore u kojoj se čestice ubrzavaju i uređajâ koji stvaraju magnetska i električna polja potrebna za ubrzavanje čestica i održavanje uskoće snopova brzih čestica. Komora mora biti vakuumirana kako molekule zraka ne bi ometale gibanje ubrzavanih čestica. Rani akceleratori čestica, npr. Van de Graaffov generator, ubrzavali su čestice u stalnom električnom polju, a električni napon mogao je biti do milijun volta. Međutim, nije lako raditi s tako visokim električnim naponom pa se danas čestice ubrzavaju većim brojem slabijih električnih polja, a njihova je konačna energija zbroj učinaka svih polja kroz koja su prošle.

Magnetska polja rabe se za zakretanje snopova čestica u kružnu putanju tako da one više puta prolaze kroz ista područja ubrzanja. Posebni magneti održavaju snopove čestica uskima. Materijal za metu s kojom se ubrzane čestice sudaraju bira se ovisno o istraživanju ili primjeni. Također, u nekim istraživačkim akceleratorima mogu se istodobno ubrzati dva snopa čestica i postići njihov čeoni sudar. Pokraj mjesta sudara snopa ubrzanih čestica s metom, ili drugim snopom, nalaze se detektori svojstava čestica nakon sudara ili uređaji u kojima počinje primjena čestica ili zračenja nastalih sudarom. Koliki će biti akcelerator čestica, ovisi o namjeni. Primjerice, ako akcelerator proizvodi rendgensko zračenje za medicinsku primjenu, elektroni se ubrzavaju u cijevi duljine od 0,5 do 1,5 m, a ako služi za temeljna istraživanja subatomskih čestica, akceleratorska cijev može biti duga tisuće metara.

Linearni akcelerator

Linearni akcelerator ubrzava čestice uzduž ravne vakuumske cijevi s pomoću šupljih elektroda poredanih u nizu, koje djeluju izmjeničnim električnim poljima. Visokofrekventno osciliranje električnoga napona usklađuje se s gibanjem čestica između elektroda, kako bi se u svakom dijelu prostora između elektroda postiglo opetovano ubrzavanje. Primjenjuje se u medicinske svrhe u terapiji zračenjem i kao početni ubrzivač čestica za kružne akceleratore veće energije. Najveći linearni akcelerator, duljine cijevi 3,2 km, jest SLAC (engl. Stanford Linear Accelerator Center) u Stanfordu, SAD.

Cockcroft-Waltonov linearni akcelerator (po Johnu Douglasu Cockcroftu i Ernestu Thomasu Waltonu koji su ga izgradili u Cavendishovu laboratoriju 1932) dobivao je visoki istosmjerni električni napon s pomoću mreže (kaskade) električnih kondenzatora i dioda gdje je svaka sljedeća elektroda imala veći potencijal od prethodne, a električki nabijene čestice ubrzavale su se jednim pravocrtnim prolaskom kroz električno polje u vakuumskoj komori. U prvim pokusima, meta od litija i berilija gađana je protonima i dobivene su alfa-čestice. Bio je prikladan i kao izvor neutrona koji su nastajali nakon nuklearnih reakcija ubrzanog deuterona s deuterijem ili tricijem. Tehničke granice u postizanju visokih električnih napona ograničavale su energiju ubrzavanih čestica.

Prvi hrvatski akcelerator čestica i jedan od rijetkih u svijetu u to doba bio je Cockcroft-Waltonov linearni akcelerator koji je služio kao generator neutrona. Izgradila ga je 1956. u Institutu Ruđer Bošković u Zagrebu skupina fizičara i elektroničara pod vodstvom Mladena Paića, u skladu s tadašnjim tehnološkim mogućnostima, a u suradnji s tvornicama Rade Končar i Radio industrijom Zagreb (RIZ). Iz njegovih se tehničkih podataka vidi da je energija deuterona bila 200 keV, struja deuterona do 2 mA, intenzitet neutrona (broj neutrona u jedinici vremena) 108/s za neutrone energije 2,5 MeV, a 1010/s za neutrone energije 14 MeV.

Kružni akcelerator

Kružni akcelerator ubrzava čestice tako što one opetovano prolaze kroz kružnu vakuumsku cijev sve dok ne postignu planiranu energiju, a snop se održava uskim kako bi vjerojatnost za postizanje sudara bila što veća.

Betatron je kružni akcelerator u kojem se ubrzavaju elektroni. Prvi betatron osmislili su američki elektroinženjer Joseph Slepian 1927., i norveški fizičar Rolf Widerøe 1928., a izgradio ga je američki fizičar Donald Kerst 1940. Nazvan je po beta-zračenju jer je dobiveno elektronsko zračenje nalikovalo beta-zračenju radioaktivnih tvari. U kružnoj vakuumskoj cijevi betatrona promjenljivim magnetskim poljem inducira se električno polje koje ubrzava elektrone, a magnetsko polje ih prisiljava na gibanje po kružnim stazama. Povećavanjem magnetskoga polja povećava se i energija elektrona, a polumjer putanje elektronskoga snopa ostaje približno stalan.

Ciklotron je kružni akcelerator koji ubrzava električki nabijene čestice promjenljivim električnim poljem između elektroda smještenih u vakuumskoj komori između polova velikoga i snažnoga stalnog magneta. Magnetsko polje zakreće putanju čestica koje se gibaju spiralno povećavajući polumjer putanje i izlaze kad postignu željeno ubrzanje. Prvi ciklotron koji je načinio Ernest Orlando Lawrence (1931) imao je promjer oko 23 cm i ubrzavao je ionizirane molekule vodika.

Ciklotron u Hrvatskoj izgrađen je 1950-ih u suradnji Instituta »Ruđer Bošković« i domaće elektroindustrije na čelu s tvornicama »Rade Končar« i RIZ-om. Idejni je projekt, nakon početnih dogovora iz 1949., razradio Tomo Bosanac, voditelj gradnje bio je elektroinženjer Marcel Lažanski, a konstrukciju pojedinih većih dijelova vodio je strojarski inženjer Eugen Boltezar. Gradnja je trajala do 1961., kada je ciklotron pušten u rad. Promjer njegove ubrzivačke komore bio je 140 cm, magnetska indukcija u njoj bila je 1,4 T, a magnet je imao masu 82 t. Čestice za ubrzavanje ioni stvarali su se ionizacijom plina električnim lukom u anodnoj komori. Električni napon za ubrzavanje čestica davao je visokofrekventni oscilator frekvencije oko 10 MHz, s pomoćnim visokofrekventnim generatorom. Glavna oscilatorska cijev po konstrukciji je vodom hlađena, rastavljiva trioda s uzemljenom rešetkom izrađena prema projektu T. Bosanca. Ciklotron je mogao ubrzati protone do energije od 8 MeV, a deuterone do 16 MeV. Najviše se rabio za proizvodnju radionuklida za medicinske svrhe (radiofarmaceutika). Godine 1973. započela je proizvodnja galijeva radionuklida 67Ga, dvije godine poslije i kriptonova radionuklida 81mKr, oba za medicinsku dijagnostiku, a zatim i drugih radionuklida za znanstvena istraživanja.

Od 2010. na Institutu »Ruđer Bošković« novi ciklotron omogućuje znanstvena istraživanja i proizvodnju radiofarmaceutika (brzi protoni udaraju u metu načinjenu od obogaćene vode (H218O) i nastaje radionuklid 18F potreban za sintezu radiofarmaceutika).

Sinkrotron je kružni akcelerator koji ubrzava i zakreće putanje čestica po kružnici stalnog polumjera jer se vanjsko magnetsko polje povećava usklađeno (sinkrono) kako čestice postaju sve brže. Tako se može povećati broj obilazaka čestica i one mogu dobiti veću energiju nego u ciklotronu. Prve sinkrotrone načinili su 1945. Vladimir Josifovič Veksler i, neovisno, Edwin Matisson McMillan.

Prvi veliki sinkrotroni bili su Cosmotron u Berkeleyu, SAD (1952–66., opseg 72 m, energija protona 3 GeV), Bevatron u Brookhavenu, SAD (1954–93., 129 m, 6 GeV) i sinkrotron u Dubni, bivši SSSR (1957–2002., 129 m, 10 GeV), Tevatron Fermilaba u Bataviji, SAD (1983–2011., 6,28 km, 1 TeV), s pomoću kojega je 1995. otkriven kvark istine (truth/top).

Najveći sinkrotron i najveći akcelerator čestica na svijetu jest LHC (engl. Large Hadron Collider), izgrađen 2008. u CERN-u. Smješten je u kružnom tunelu opsega 27 km. Ubrzava protone do energija 6,5 TeV. Veliki protonski sinkrotroni s jakim fokusiranjem snopa pomaknuli su energetske granice istraživanja, osobito nakon povećanja magnetske indukcije supravodičkim magnetima.

Sudarivač je kružni akcelerator u kojem se sudaraju (kolidiraju) suprotno kružeći snopovi ili pulsevi čestica, odn. antičestica, npr. LHC i RHIC (engl. Relativistic Heavy Ion Collider). U sudaru snopova čestica pri visokim energijama, znatno je veća energija raspoloživa za istraživanje elementarnih procesa nego pri bombardiranju nepokretnih meta. Analiza nusprodukata sudara čestica omogućuje znanstvenicima uvid u strukturu subatomskog svijeta i zakone prirode koje je teško ili nemoguće istraživati na druge načine.

Spremnik čestica (skladišni prsten) jest vakuumska prstenasta komora nalik na kružni akcelerator (u njem se brzina čestica ne povećava, već se održava na nekoj vrijednosti) koja omogućuje da se stabilne čestice, kao i njihove antičestice, zadrže (»uskladište«). Nezaobilazan je dio akceleracijskih sustava. Čestice i antičestice mogu u komori vrlo dugo (satima) kružiti pod djelovanjem magnetskih polja. Tako je omogućeno njihovo nakupljanje te sudaranje dvaju suprotno kružećih snopova čestica, odn. antičestica.

Citiranje:
akcelerator čestica. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2021. Pristupljeno 3. 12. 2023. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=1088>.