Urýchľovač častíc

Časticový urýchľovač je zariadenie, ktoré pomocou elektrického poľa udeľuje elektricky nabitým časticiam vysokú rýchlosť. Existujú dva základné typy urýchľovačov: lineárny a kruhový. Po urýchlení je časticiam postavený do cesty terčík. Pri náraze doňho sa prichádzajúce častice rozptýlia a ak majú dostatočne veľkú energiu, vznikajú pritom ďalšie častice (produkty zrážky). Na zaznamenanie toho, čo sa deje pri zrážke častíc s detektorom slúžia časticové detektory.

Časticové urýchľovače a detektory sa používajú na skúmanie zloženia hmoty okolo nás - atómov, elementárnych častíc, kvarkov. Použitá metóda sa dá zjednodušene prirovnať k skúmaniu zloženia a fungovania auta analýzou úlomkov vznikajúcich pri jeho čelnom náraze do betónového múru. Pri tomto prirovnaní platí podobná závislosť ako pri urýchľovačoch: čím väčšiu rýchlosť autu dodáme, na tým menšie časti sa rozbije. Podobne častice urýchlené na väčšie rýchlosti nám umožňujú skúmať zloženie hmoty s väčšou presnosťou, na menších dĺžkach. To je zároveň dôvod, prečo sa stavajú stále väčšie urýchľovače. V súčasnosti dosahujú urýchľované častice energie zhruba 1 TeV (na zariadení TEVATRON vo Fermilabe, USA). V roku 2008 by mala byť dosiahnutá energia 7 TeV (na LHC v CERN-e, Švajčiarsko - pozri nižšie).

Lineárny urýchľovač

V lineárnom urýchľovači sa urýchľované častice pohybujú po priamke v trubici, na ktorej konci je terčík. Jeho nevýhodou je to, že zatiaľ čo v kruhovom urýchľovači môžu byť častice urýchľované počas mnohých obehov, v lineárnom urýchľovači máme k dispozícii iba jeden prelet častice trubicou. Naopak jeho výhodou je, že častice nie je potrebné udržiavať na kruhovej dráhe.

Letecký záber Stanfordského lineárneho urýchľovača SLAC.

Lineárne urýchľovače sú preto populárne na dosahovanie pomerne malých energií, kedy dĺžka potrebnej trubice nie je príliš veľká. Najväčší lineárny urýchľovač je SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) v USA, ktorý má dĺžku 3,2 kilometra. Elektróny a pozitróny sú v ňom urýchľované na energie do 50 GeV. Uvažuje sa o výstavbe medzinárodného lineárneho urýchľovača v rokoch 2015-2020 s dĺžkou približne 30 kilometrov, v ktorom by bolo možné dosiahnuť vyššie energie.

Konštrukcia lineárneho úrýchľovača

Najjednoduchší urýchľovač je tvorený dvoma elektródami. Najčastejšie využitie bývalo v CRT obrazovkách. V prípade použitia v röntgene je druhá elektróda nahradená terčíkom, kde elektróny po náraze vyžarujú brzdné- röntgenové žiarenie.

Prvý lineárny urýchľovač zostrojili anglický fyzik John Douglas Cockcroft a írsky fyzik Ernest Walton. Použili kaskádový násobič napätia – Cockcroft–Waltonov generátor, kde jeho vysoké napätie priviedli priamo na urýchľovacie elektródy.

Pre získanie vyšších energií sa najčastejšie používa konštrukcia viacnásobných elektród, ktoré sú riadené spoločnou frekvenciou. Častica s nábojom je elektrostaticky urýchľovaná v medzerách medzi elektródami. Vzhľadom na zvyšujúcu sa energiu a teda i rýchlosť častice je každá nasledujúca vzdialenosť medzier a teda i dĺžka elektród zväčšená úmerne zvýšeniu rýchlosti častice. V priestore pohybu urýchľovanej častice musí byť vytvorené hlboké vákuum.

Princíp funkcie lineárneho urýchľovača s viacnásobnými elektródami, riadených spoločnou frekvenciou

Kruhový urýchľovač

Letecký záber Fermilabu (väčší prstenec urýchľovača má priemer 6,3 kilometra).

V kruhovom urýchľovači sa urýchľované častice pohybujú po kruhovej dráhe. Sú na nej udržiavané pomocou magnetického poľa, na ich urýchľovanie je aj v tomto prípade používané elektrické pole.

Pohyb po zakrivenej dráhe nie je iba technickou komplikáciou. Problém spočíva najmä v tom, že častice pohybujúce sa po kruhovej dráhe majú veľké zrýchlenie (odstredivá sila). Podľa teórie relativity a teórie elektromagnetizmu častica, ktorá má nejaké zrýchlenie kolmé na smer jej pohybu vyžaruje elektromagnetické žiarenie (tiež synchrotrónové žiarenie).

Pri kruhovom urýchľovači je preto energia časticiam dodávaná elektrickým poľom znižovaná vlastným vyžarovaním týchto častíc. Toto vyžarovanie sa dá znížiť zväčšením polomeru dráhy (dostredivá sila je nepriamo úmerná polomeru dráhy, čiže sa tým zmenší). To je dôvodom, prečo potrebujeme na dosahovanie vyšších energií kruhové urýchľovače stále väčších rozmerov.

V auguste 2008 by mal byť dokončený najväčší urýchľovač LHC (Large Hadron Collider) v CERNe. Protóny v ňom dosiahnu energie do 7 TeV. Jeho výstavba začala v roku 1995 a odhaduje sa, že si celkovo vyžiada zhruba 8 miliárd dolárov.

Rýchlosť vs. energia

Pri experimentoch na časticových urýchľovačoch je zvykom hovoriť o energiách, ktoré v nich častice dosahujú. Je to tak kvôli tomu, že rýchlosť týchto častíc je veľmi blízka rýchlosti svetla a je preto jednoduchšie povedať "elektrón má energiu 50 GeV" než "elektrón má rýchlosť 0,99999999995-násobku rýchlosti svetla" (desať deviatok a potom päťka).

Pretože rýchlosti týchto častíc sú relativistické, na vzťah ich energie a rýchlosti, je potrebné použiť relativistické vzorce:

$v=c{\sqrt {1-({\frac {m_{0}c^{2}}{E+m_{0}c^{2}}}}})^{2}$

kde v je rýchlosť častice v m/s, m₀ je pokojová hmotnosť v kg, c je rýchlosť svetla a E je energia častice v J.

Potom napríklad elektrón urýchlený na energiu 1eV (=1,6E-19J) sa pohybuje rýchlosťou 593 km/s a protón (s pokojovou hmotnosťou=938 MeV/c²=1,67E-27 kg) a s tou istou energiou sa pohybuje rýchlosťou 13,4 km/s.

Urýchľovače na Slovensku

Na Slovensku, na Materiálovotechnologickej fakulte STU, so sídlom v Trnave, je na výskumné účely, v projekte „Vedeckovýskumné centrum excelentnosti SlovakION pre materiálový a interdisciplinárny výskum“, používaný lineárny 6 MV urýchľovací systém s vysokým prúdom zväzku a viacúčelový 500 kV vzduchom izolovaný urýchľovací systém pre iónovú implantáciu.