Κυκλικοί επιταχυντές χαμηλής ενέργειας

Άρθρο, Μάρτιος 2002

Οι κυκλικοί επιταχυντές αναγκάζουν τα σωμάτια να περιστρέφονται σε μια κυκλική τροχιά, δίνοντάς τους ολοένα και περισσότερη ενέργεια σε κάθε περιστροφή. Στους κυκλικούς (χαμηλής ενέργειας) ανήκουν οι τύπου κύκλοτρου και βήτατρου ενώ στους κυκλικούς υψηλής ενέργειας, οι συγχρο-κύκλοτρον, πρωτο-σύγχροτρον, ηλεκτρονιο-σύγχροτρον και άλλοι.

Όλες οι δέσμες σωματίων του CERN μπορεί να ξεκινούν την ζωή τους στους γραμμικούς επιταχυντές (Linacs), αλλά για να φθάσουν τις ενέργειες που θέλουν οι Φυσικοί θα χρειάζονταν εξαιρετικά μακρούς επιταχυντές. Για τον λόγο αυτό οι μεγάλες μηχανές στο Fermilab, στο CERN και αλλού είναι κυκλικοί.

Οι κυκλικοί επιταχυντές δουλεύουν στρέφοντας συνεχώς σωμάτια στον ίδιο κύκλο, δίνοντας τους συνεχώς ολοένα και μεγαλύτερη ενέργεια σε κάθε διαδρομή. Από την άλλη μεριά, ισχυροί μαγνήτες τα αναγκάζουν και να κινούνται κυκλικά αλλά και διορθώνουν την πορεία τους.

Το 1931, ο Αμερικανός φυσικός Ernest O. Lawrence και ο φοιτητής τουStanley Livingston έφτιαξαν τον πρώτο κυκλικό επιταχυντή σωματίων: το κύκλοτρο. Από τότε έχει κυλήσει πολύς χρόνος, μέχρι τον συγκρουστή του CERN Large Electron Positron (LEP), τον πιό ισχυρό επιταχυντή σήμερα. Είναι, για παράδειγμα, δύο εκατομμύρια φορές πιό ισχυρός από το κύκλοτρο του Lawrence και του Livingstone.

Οι επιταχυντές αυτοί βασίζονται σε ένα συνδυασμό αντιστροφής της διαφοράς δυναμικού και κάμψης της τροχιάς των σωματίων μέσα σε μαγνητικό πεδίο.

Στο κύκλοτρον, υπάρχουν δύο κοίλα ημικυλινδρικά ηλεκτρόδια σε σχήμα D, κάθετα σε πεδίο Β, που συνδέονται με μια ηλεκτρική πηγή που αλλάζει πολικότητα περιοδικά, με συχνότητα ίση με την συχνότητα της περιστροφής των σωματίων μέσα στα κοίλα ηλεκτρόδια. Τα σωμάτια που κερδίζουν ενέργεια μόνο στο διάκενο χώρο ανάμεσα στα δύο D, αυξάνουν συνέχεια την ακτίνα τους μέχρι να φύγουν από κάποιο ηλεκτρόδιο. Αλλά το μεινέκτημά τους είναι ότι θα πρέπει η ταχύτητα τους να είναι μικρή (όχι πάνω από 20 MeV) και η συχνότητα περιστροφής τους να μεταβάλλεται γιατί και η μάζα τους άλλαζει (λόγω της σχετικιστικής μεταβολής). Η μέγιστη ενέργεια τους σήμερα φθάνει  τα 350 MeV.  Χρησιμοποιούνται στα νοσοκομεία όπου η δέσμη των σωματίων βομβαρδίζει στόχους για παραγωγή ραδιοϊσοτόπων.

Ένας άλλος επιταχυντής είναι το βήτατρον, που επινοήθηκε από τον D.Kerst, το 1941, και μπορεί να επιταχύνει μόνο ηλεκτρόνια. Το ηλεκτρικό πεδίο που απαιτείται προέρχεται από την χρονική μεταβολή ενός μαγνητικού πεδίου. Η λειτουργία του στηρίζεται στην αύξηση του μαγνητικού πεδίου ώστε η ακτίνα των ηλεκτρονίων να είναι σταθερή. Όταν μετά από πολλές περιστροφές τα ηλεκτρόνια αποκτήσουν σχετικά υψηλές ενέργειες, το μικρό κέρδος ενέργειας ανά περιστροφή καταναλίσκεται ως ακτινοβολία συγχρότρου, η οποία έτσι εμποδίζει την αύξηση της ενέργειας των ηλεκτρονίων της δέσμης.  Η δέσμη αυτή αποκτά ενέργειες της τάξης των 350 MeV. Χρησιμοποιείται στα νοσοκομεία για ακτινοβόληση όγκων.