شتاب‌دهنده ذرات: تفاوت میان نسخه‌ها

'''شتاب‌دهنده'''، دستگاهی است که در آن ذرّات باردار (مانند: [[ذرات بنیادی]]، [[هسته اتم]]‌ها یا اتم‌های [[یونیزاسیون|یونیزه]] شده، [[مولکول]]‌ها یا قسمت‌های مولکول) به وسیلهٔ [[میدان الکتریکی|میدان‌های الکتریکی]] یا [[میدان مغناطیسی|مغناطیسی]] تا سرعت‌های بسیار زیادی شتاب‌داده می‌شوند. به طوری کهبه‌طوری‌که سرعت بسیاری از آنها، حتی تا نزدیکی‌های [[سرعت نور]] می‌رسد. [[انرژی جنبشی]] ذره در این حالت به این ترتیب، به اندازه چندین برابر [[انرژی در حال سکون]] آن می‌باشد (رجوع شود به [[هم‌ارزی جرم و انرژی]]).

از شتاب‌دهنده‌ها در زمینه‌های مختلفی از [[فیزیک]]، از جمله در اندازه‌گیریهایاندازه‌گیری‌های متعددی در [[فیزیک هسته‌ای]] استفاده می‌شود: یعنی از طریق شلیک ذرّات، توسط شتاب‌دهنده به سوی جسم در حال تحقیق

(Target) و پراکندشدن آنهاآن‌ها و اندازه‌گیری، توسط یک دوربین یا به طوربه‌طور بهتر [[آشکارساز]] (Detector).

شتابدهنده‌های ایستابرقی (الکتروستاتیکی) که در آن یونهای منفی هیدروژن از پتانسیل زمین تا پتانسیل زیاد شتاب می‌گیرند و سپس با گذارباگذار از محفظه‌ای گازی یا برگه‌ای نازک، هر دو الکترونِ یون از آن کنده می‌شوند و پروتون باقی‌مانده دوباره شتاب می‌گیرد و به پتانسیل زمین می‌رسد را شتابدهنده دومرحله‌ای<ref>tandem accelerator</ref> می‌گویند.<ref>واژه‌های مصوب فرهنگستان زبان و ادبیات فارسی ۷ (حرف ش – ص – ض – ط).</ref>

اشکال اساسی در شتاب دهنده‌های خطی، طول بلند آنهاآن‌ها برای حصول به انرژی‌های بالا است و این اشکال با ساختن اولین سیکلو ترون در سال۱۳۳۱–۱۳۲۹توسط لارنس و لینوینگستون مرتفع گردید. ذرات در مسیر مارپیچی شکل در داخل دو نیم کره فلزی میان تهی به نام دی‌ها و در فضای خلاء و در حالی که صفحات دی‌ها 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 دایره‌ای به جای مسیر خطی برای شتاب ذرات استفاده کرد، [[جایزه نوبل]] سال ۱۹۳۹ را به خود اختصاص داد.

یک سیکلوترون به صورت دو آهن‌ربای دوقطبی بزرگ طراحی شده برای ایجادیک ناحیه نیم دایره‌ای میدان مغناطیسی یکنواخت که به طوربه‌طور یکنواخت به طرف پایین جهت گیریجهت‌گیری دارد، طراحی می‌شود.

حالا ذرات انرژی بالاتری دارند، پس ذر یک مسیر نیم دایره‌ای دیگر درD بعدی با شعاع بزرگ‌تر جریان میابند وبنابراین دوباره به شکاف می‌رسند. بسامد میدان الکتریکی باید درست طوری تنظیم شود که جهت میدان به وسیله زمان ورود آنهاآن‌ها در شکاف معکوس شود. میدان در شکاف، آنهاآن‌ها را شتاب می‌دهد و آنهاآن‌ها دوباره وارد اولین D می‌شوند. بدین ترتیب وقتی ذرات به اطراف به طوربه‌طور مارپیچ می‌چرخند انرژی کسب می‌کنند. طراحی سیستم چنان است که وقتی آنهاآن‌ها سرعت می‌گیرند، یک قوس بزرگ را دنبال می‌کنند و از اینرو همیشه در یک زمان به شکاف می‌رسند. این راه یک نوسان میدان الکتریکی بسامد ثابت، ادامه میابد تا همواره در عرض شکاف به آنهاآن‌ها شتاب داده شود. محدودیت دربارهٔ انرژی که می‌تواند در چنین وسیله‌ای به آن رسید به اندازه آهنرباهایی که Dها را تشکیل می‌دهند وبهو به شدت میدان مغناطیسی آنهاآن‌ها بستگی دارد. این عمل توسط یک سنکروترون انجام می‌شود، به محض اینکه اصول سنکروترون 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 گرفته‌است. فاصله بین دی‌ها جایی است که شتاب یون در آنجا صورت می‌پذیرد. وپایین دی‌ها وچشمه یون قطب‌های یک مغناطیس بزرگ قرار دارند. تأثیر میدان مغناطیس بر روی [[ذرات باردار]] موجب حرکت آنهاآن‌ها در یک مسیر دایره‌ای می‌گردد. در هنگام کار سیکلوترون، چشمه یون، ذرات باردار (معمولاً مثبت) را به فضای بین دی‌ها تزریق می‌کند که این ذرات به داخل دی دارای بار مخالف شتاب داده می‌شوند، و فقط مجبور به حرکت در یک مسیر دایره‌ای به وسیله میدان مغناطیسی می‌باشند. 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 آنهاآن‌ها مسیر دایره شکلی را که دارای شعاع بزرگ‌تر است طی می‌کنند، ولی زمانی را که ذره برای بیرون آمدن از دی‌ها لازم دارد همیشه یکسان است (سرعت آن‌ها بالاتر است، ولی مسیری که دارای شعاع بزرگتری است، طولانی‌تر است. ذراتی که هر بار به این طریق شتاب داده می‌شوند از فاصله بین دی‌ها عبور می‌کنند. 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 می‌گردند.

افزایش جرم نسبیتی را می‌توان با کاستن سر عت زاویه‌ای میدان الکتریکی درطی فرایند شتاب، جبران نمود؛ بنابراین، [[سرعت زاویه‌ای]] یا بسامد میدان الکتریکی می‌تواند تعدیل گردد، بطوری کهبه‌طوری‌که سرعت زاویه‌ای یون و میدان الکتریکی، اگرچه متغیر هستند، همواره در طی فرایند شتاب، مساوی (یا همزمان) گردند. به این طریق یک بسامد تعدیل شده تا سنکروسیکلوترون تا بدست می‌آید که تابع محدودیت انرژی بیشینه یک سیکلوترون نمی‌باشد. با این وجود، شدت باریکه بسیار پایین‌تر است (معمولاً با فاکتوری معادل ۱۰۰۰)در واقع، هر گروه از یون‌ها با تنظیم بسامد میدان الکتریکی تا انرژی بیشینه خود شتاب داده می‌شود سپس بسامد میدان الکتریکی به مقدار آغازین خود برگشت داده شده و گروه جدیدی از یون‌ها تا انرژی بیشینه خود شتاب میابند. این امر به یک باریکه پالسی ذارای شتاب میانگین بسیار پایین‌تر از یک سیکلوترون منجر می‌گردد. در سال۱۹۴۵ 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 تاMeV۷۰۰ میسر گردید. این انرژی حدود یکصد برابر بیش از انرژی کسب شده در گسیل ذرات توسط [[رادیو اکتیویته]] طبیعی بود.

یک سنکروترون که گاهی اوقات سنکروسیکلوترون نامیده می‌شود، یک شتاب دهنده دایره‌ای است که دارای یک کاواک مشدد الکترومغناطیس برای شتاب دادن ذرات است. چندین شتابدهنده دایره‌ای در آزمایشگاه شتابدهنده ملی فرمی وجود دارند. ذرات از طریق هر کاواک به دفعات بسیار عبور می‌کنند. وقتی آنهاآن‌ها حول حلقه میگردنند، هر مرتبه یک شتاب کوچک دریافت می‌کنند، یا انرژی را افزایش می‌دهند. وقتی انرژی یا شدت میدان تغییر می‌کند در نتیجه شعاع مسیر ذرات تغییر می‌یابند.

بدین ترتیب، افزایش انرژی می‌یابند شدت میدان مغناطیسی که برای هدایت کردن آنهاآن‌ها استفاده می‌شود باید با هر چرخش برای نگه داشتن ذرات متحرک در یک حلقه، تغییر کند. تغییر در میدان مغناطیسی باید به طوربه‌طور دقیق با تغییر در انرژی همزمانهم‌زمان شود یا باریکه تلف خواهد شد؛ بنابراین نام '''سنکروترون''' از گستره انرژی‌های بالایی کهذرات می‌توانند 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 انرژی‌های بالا، فیزیکدان‌ها گاهی اوقات از یک مجموعه سنکروترون‌های با اندازه‌های متفاوت استفاده می‌کنند، هر یک، سیستم بزرگتر بعدی را تغذیه می‌کند. ذرات اغلب پیش از ورود به اولین حلقه، با استفاده از یک شتابدهنده خطی کوچک یا وسیله‌ای دیگر پیش شتاب می‌گیرند. [[تابش سنکروترون]] نامی است که به [[تابش الکترومغناطیسی]] گسیل شده بوسیله ذرات باردار چرخنده در یک سنکروترون اطلاق می‌شود. این تابش به این علت است که ذرات باردار بوسیله میدان مغناطیسی از آهنرباهای دوقطبی برای به حرکت درآوردن باریکه حول حلقه شتاب می‌گیرند (منحرف می‌شوند). هر ذره باردار شتابدار، تابش الکترومغناطیسی تولید می‌کند.

[[طول موج]] و شدت تابش سنکروترون به انرژی و نوع ذره گسیل شده بستگی دارد. اگر منظ. ر انبار کردن یک باریکه انرژی بالا باشد پس تابش سنکروترون یک مشکل است. اتلاف انرژی از باریکه بوسیله این اثر تابش، باید به وسیله معرفی کاواک‌های شتاب دهنده در یک یا چند مکان در حلقه بازگردانده شود، تا به ذرات هرگاه که عبور می‌کنند یک تکان در انرژی بدهند. میزان و انرژی تابش به سرعت ذرات تابش کنندهتابش‌کننده و شدت میدان مغناطیسی وابسته‌است. وقتی ذرات به سرعت نور نزدیک می‌شوند، این اثر سریعاً افزایش میابد. ضریب [[نسبیت خاص]]، گاما، نسبت به انرژی ذره به انرژی جسم سکون، یعنی mC^۲ است. اتلاف انرژی برای انرژی یک الکترون معین با گاما یعنی با؟ ?mC?^۲ متناسل است.

حتی با پیشرفت‌های انجام شده بر روی سیکلوترون‌های با تمرکز قطاعی و سنکروسیکلوترون‌ها، باز هم یک محدودیت در انرژی نهایی ذرات باقی می‌ماند وآنو آن 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 می‌توانست 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 شعاع‌های بزرگتر و بزرگتر وجود دارد. بزرگترین شتاب دهنده‌های مدرن که بر اساس این مبانی به وجود آمده‌اند و به نام سنکروترون‌ها شناخته می‌شوند.

شتاب دهنده‌ها برای شتاب دادن یون‌های سنگین با بار مثبت مانند پروتون‌ها طراحی شده‌اند. شتاب دادن الکترون‌ها نیز، بجز برای سیکلوترون، امکان‌پذیر است. زیرا افزایش انرژی نسبیتی الکترون‌ها ۲۰۰۰مرتبه پایین‌تر از پروتون‌ها ست. بتاترون یک شتاب دهنده الکترون است که دارای تشابهاتی با سنکروترون می‌باشد. مدار الکترون در آنهاآن‌ها ثابت بوده و میدان مغناطیسی وابسته به زمان است. با وجود این، شتاب الکترون‌ها مانند شتاب دادن آنهاآن‌ها در ترانسفورمرها است که هادی مسی خروجی با باریکه الکترونی جایگزین شده‌است.

[[حلقه ذخیره]] نوع خاصی از سنکروترون اند که در واقع هدف اصلی آنهاآن‌ها شتاب دادن نیست بلکه نگهداری پرتو ذرات برای مدت طولانی با همان انرژی اولیه.

گرچه اکثر انواع شتاب دهنده‌ها از نوع‌های مختلفی است که طرح عمومی آنهاآن‌ها در اینجا مورد بحث قرار گرفت، ولی شتاب دهنده‌های متعدد دیگری نیز در برخی از [[مراکز تحقیقاتی]] جهان قرار دارندکه با وجودی که از انواع فوق هم هستندولی در نوع خود کم‌نظیر یا منحصربه‌فرد محسوب می‌شوند. سیکلوترون آگور هم نتیجه همکاری مشترک دو شرکت گرونتیگس در هلند و اورسی در فرانسه می‌باشد. سیکلوترون تریمف یک شتاب دهنده غول پیکر است که یون‌های هیدروژن باردار منفی راتا۷۵ درصد سرعت نور شتاب می‌دهد.