آشنایی با شتاب دهنده ها

 این اطلاعات رو دوست عزیزم خانم زنجانی در اختیارم قرار دادند که با اجازشون من توی وبلاگم میگذارم 

فرض کنید یک جعبه بسیار سفت و محکم فلزی داریم که به نظر می رسد درون آن چیزی قرار گرفته است و ما می خواهیم بدانیم درون جعبه چیست.اما جعبه ما در ندارد و تمام قسمتهای آن مجکم بسته شده ،پس ناچاریم آنرا بشکنیم. برای اینکار می خواهیم از یک توپ سربی به اندازه توپ تنیس استفاده کنیم. اگر خودمان این توپ را با شدت به طرف جعبه پرتاب کنیم،شاید اتفاقی نیفتد. ولی میدانیم که هر چه قدر توپ سربی را با شدت بیشتر و به اصطلاح علمی با انرژی بیشتری به جعبه بزنیم،شانس شکستن جعبه بیشتر می شود. حالا از یک دستگاه که می تواند توپ سربی را با شدت و سرعت بیشتری پرتاب کند استفاده می کنیم و در نهایت در اثر برخورد توپ پر انرژی به جعبه فلزی،جعبه شکسته شده و ما از محتویات آن مطلع می شویم. در این مثال دستگاهی که توپ را پرتاب می کند نقش شتاب دهنده، توپ فلزی نقش ذره شتاب دارشده و جعبه فلزی نقش هدف و یا ذره دیگری را دارد.


در فیزیک ما علاقه مند هستیم که بدانیم ساختار ماده چگونه است. می دانیم که اتم از الکترون و هسته تشکیل شده است.بنابراین اگر یک اتم مانند جعبه فلزی ما باشد،با پرتاب یک ذره مناسب پر انرژی به طرف آن،قطعا اتم شکافته شده و ما می توانیم از محتویات آن با خبر شویم. برای مثال هنگامی که الکترون تا انرژی 10000 الکترون ولت شتاب گرفته باشد،در اثر برخورد با اتمها می تواند داخلی ترین الکترون های آن اتم را از قید هسته اش جدا کند. هم چنین در مورد پروتون ها و الکترون ها،می خواهیم بدانیم آیا از ذرات بنیادی تری ساخته شده اند یا نه. پس باید بوسیله دستگاهی مانند شتاب دهنده،یک ذره مناسب را با شدت با یک الکترون و پروتون به طور سر به سر برخورد دهیم.در اثر این برخورد الکترون می تواند شکافته شده و ذرات جدید دیگری کشف شوند. بایداشاره کرد که ذره ای که قرار است شتابدار شود،ذرات باردار مانند الکترون،پروتون،آلفا،بتا و گاما خواهند بود. چون کار کردن با این ذرات ساده تر است و قابل دسترس تر هستند.ذراتی وجود دارند که در کسری از ثانیه متلاشی شده و از بین می روند و شرایط نگهداری آنها بسیار سخت است.
بنابراین هدف یک شتاب دهنده این است که به ذرات باردار تا انجا که ممکن است انرژی(انرژی جنبشی) دهد. هر چه قدر این انرژی بیشتر باشد ما می توانیم قید های بیشتری(جعبه های فلزی محکمتری) را از بین ببریم و بنابراین به ذرات بار ارزشتری دست پیدا کنیم.
اما شتاب دهنده ها چگونه به ذرات باردار شتاب و انرژی می دهند؟ بسیار ساده است،بر اساس 2 اصل مهم فیزیک: اصل اول - اگر یک ذره باردار ساکن در میدان الکتریکی قرار گیرد،میدان بر ذره نیرو وارد کرده و باعث می شود که ذره شتاب بگیرد. اگر بین دو صفحه رسانا مانند خازن میدان اعمال شود،این میدان به بارهای الکتریکی موجود درصفحات نیرو وارد کرده و باعث می شود که بارهای مثبت در یک صفحه و بارهای منفی در صفحه دیگرجمع شوند. در حقیقت بارهای مثبت در جهت میدان شتاب گرفته و با شدت به صفحه مقابل برخورد میکنند و بارهای منفی در جهت عکس میدان شتاب می گیرند. از این اصل در ساخت شتابدهنده های خطی استفاده می شود. اصل 2- بر یک ذره باردار متحرک از طرف میدان مغناطیسی نیرویی عمود بر جهت میدان و عمود بر جهت سرعت ذره وارد می شود. این نیرو باعث می شود که ذره از مسیر مستقیم خود منحرف شده و مسیری دایره ای شکل را طی کند.از این اصل در ساخت شتابدهنده های دایره ای شکل(چرخه ای) استفاده می شود.


انواع شتاب دهنده:
همان طور که در بالا اشاره شد در ساخت شتاب دهنده ها از دو اصل فیزیک استفاده می شود،بنابراین در حالت کلی دو نوع شتاب دهنده خواهیم داشت: خطی و چرخه ای.


شتاب دهنده های خطی:در شتاب دهنده های خطی،ذرات باردار در امتداد یک خط راست شتاب می گیرند.پس هر چه قدر طول بیشتر و میدان الکتریکی قوی تر باشد،ذرات شتاب بیشتری خواهند گرفت. اما طول آنها یک محدودیت به حساب می آید،زیرا در مسافتهای بالا اولا ثابت نگه داشتن میدان الکتریکی بسیار مشکل است و ثانیا به علت انحنای زمین،ذرات مسیری منحنی را طی خواهند کرد که باعث بروز مشکلاتی خواهد شد. مولد واندوگراف و شتاب دهنده لوله -سوقی و موجبر از نوع شتاب دهنده خطی هستند.برای مثال شتاب دهنده خطی 20 جیگا الکترون ولتی استانفورد،از نوع موجبر،دارای طول 3.2 کیلومتر است. مولد واندوگراف در سال 1931 توسط واندوگراف ساخته شد و می توانست به ذرات انرژی در حدود 30 مگا الکترون ولت بدهد.در شتاب دهنده های موجبر،ذرات درون لوله تخلیه شده ای از هوا در اثر یک میدان الکتریکی متغیر سینوسی،شتاب می گیرند.


شتاب دهنده های چرخه ای: تمام شتاب دهنده های نسل جدید و امروزی چرخه ای هستند. در این دستگاه ها ذرات باردار در هر سیکل یا در هر دور یک انرژی اضافی توسط میدانهای مغناطیسی متغیر دریافت می کنند. مانند سنگی که در انتهای یک طناب قرار گرفته شده و شما با چرخاندن طناب در هر دور شتاب و قدرت بیشتری به سنگ می دهید و سنگ می تواند مسافت بیشتری را طی کند. بنابراین در اینگونه شتابدهنده ها محدودیت بر روی خلا لوله ها و شدت میدان مغناطیسی است. لوله هایی که ذرات باردار در آنها حرکت کرده و شتاب می گیرند باید در حد بسیار خوبی تحت خلا باشند،زیرا برخورد ذرات باردار با مولکولهای هوا از سرعت و انرژی آنها خواهد کاست و حتی باعث انحراف آنها خواهد شد. سیکلوترون.سنکروسیکلوترن وسنکروترون از جمله شتاب دهنده های چرخه ای هستند. برای مثال سنکروترون آزمایشگاه ملی بروکهاون که قطری برابر 252 متر دارد،به ذرات شتابی برابر 33 جیگا الکترون می دهد و یا سنکروترون آزمایشگاه ملی باتاوایا در ایلینویز که قطری برابر 2 کیلومتر دارد،به پروتون ها انرژی در حدود400 جیگا الکترون ولت می دهد.


در حال حاضر عظیم ترین شتاب دهنده جهان که در آزمایشگاه سرن(در مرز بین سویس و فرانسه) قرار دارد و از نوع چرخه ای به حساب می آید، انرژی در حدود چندین گیگا الکترون ولت و یا حتی ترا الکترون ولت تولید میکند. وظیفه اصلی این شتاب دهنده،شبیه سازی لحظه خلقت عالم است. در لحظه خلقت که همه چیز در حد شاید یک نقطه بسیار چگال بوده است،بعد از مدت زمان بسیار کوتاهی برخی ذرات بسیار ناپایدار از بین رفته(با هم ترکیب شده) و ذرات دیگری که پایداری بیشتری دارند را تشکیل می دهند. هدف این شتاب دهنده این است که با برخورد بسیار پر انرژی ذرات بنیادی، عمل عکس لحظه خلقت را در کسری از ثانیه به وجود آورد. یعنی ذرات به ظاهر بنیادی ما به ذرات ناپایدار و ناشناخته متلاشی شوند و دوباره به ذرات پایدارتر تشکیل شوند.البته این لحظه در کسری از ثانیه شاید در حد 1 میلیاردم ثانیه صورت می گیرد.ذرات به وجود آمده در آشکارسازهای این دستگاه از خود ردی برجا می گذارند که دانشمندان از روی خواص آنها می توانند پی ببرند چه نوع ذره ای بوده است.در اینجا نقش آشکارسازها مشخص می شود،چون هیچ ذره بارداری حتی الکترون در حال حرکت با چشم قابل مشاهده نیست و ما فقط می توانیم رد آنرا در آشکارساز ببینیم.