هر آنچه که باید درباره شتاب دهنده ذرات بدانید

یکی از مهم ترین ویژگی های این دستگاه این است به حدی می تواند به سرعت این ذرات، شتاب دهد که سرعتشان به نزدیکی سرعت نور برسد. بنابراین به طور ساده تر می توان گفت: شتاب دهنده ی ذرات، دستگاهی است که با استفاده از میدان الکترومغناطیسی، سرعت یا انرژی یون های باردار و ذرات را افزایش می دهند.

این دستگاه ها به دو نوع الکترواستاتیکی و الکترودینامیکی تقسیم می شوند. در حال حاضر، این دستگاه ها بزرگ ترین آزمایشگاه هایی هستند که به دست بشر ساخته شده اند.

اگر تمایل دارید اطلاعات خود را در مورد شتاب دهنده ذرات، افزایش دهید می توانید با ما در ادامه ی مطلب همراه باشید.

شتاب دهنده ذرات

اولین دستگاه شتاب دهنده ذرات، توسط کاکرافت و والتون در دهه ی 1930 میلادی ساخته شد. این دو دانشمند برای بررسی ساختار درونی هسته ها و همچنین افزایش انرژی ذرات، این دستگاه را اختراع کردند. این شتاب دهنده از نوع شتاب دهنده ی خطی بود که ولتاژی، معادل 200 هزار ولت داشت.

هدف از ساخت چنین دستگاهی، بررسی کردن پدیده‌ ی تونل ‌زنی گامو بود. از آنجایی که این دستگاه نتوانست این عملیات را با موفقیت سپری کند تصمیم گرفته شد که از نظر انرژی، ارتقا داده شود. این تصمیم گیری باعث شد که ساخت شتاب دهنده هایی با انرژی بالاتر تا به امروز نیز ادامه داشته باشد.

ذراتی که سرعتشان به وسیله ی این دستگاه، شتاب داده شده اند از انرژی جنبشی بسیار بیشتری از حالت سکون، برخوردار هستند. در حال حاضر از این پدیده، در زمینه های مختلف فیزیکی خصوصا اندازه گیری های فیزیک هسته ای، استفاده می شود. به این صورت که ابتدا، ذرات به وسیله ی شتاب دهنده ها به سمت جسم در حال تحقیق، شلیک می شوند و سپس، پراکنده می شوند.

سپس این ذرات توسط دوربین یا دکتور یا همان آشکارسازها اندازه گیری می شوند. به طور کلی، نحوه ی استفاده از دستگاه های شتاب دهنده به این صورت است که از میدان الکتریکی برای شتاب دادن پرتو ذرات و از میدان مغناطیسی برای حرکت دادن این ذرات در جهتی مشخص و تعیین شده استفاده می شود.

البته این دستگاه در زمینه های مختلف دیگری همچون فیزیک پزشکی و پزشکی هسته ای نیز کاربرد دارد. به عنوان مثال از برخی از شتاب دهنده های خاص در رادیو ایزوتوپ ‌های پت اسکن در بیمارستان ها و سایر مراکز درمانی استفاده می شود.

در حال حاضر، شتاب دهنده های زیادی در سراسر دنیا وجود دارند که شتاب دهنده ذرات سرن، بزرگ ترین شتاب دهنده ی دنیا شناخته می شود. به طور کلی، شتاب دهنده ها می توانند به دو صورت باشند، شتاب دهنده هایی که دائما به دور یک حلقه، می چرخند که به آن ها شتاب دهنده ی دایره ای می گویند. شتاب دهنده ی بزرگ هادرونی از این نوع است و شتاب دهنده های خطی.

شتاب دهنده های لیناک و واندوگراف، معروف ترین شتاب دهنده های خطی و شتاب دهنده های بتاترون، سیکلوترون، مایکروترون و سنکروترون، معروف ترین شتاب دهنده های دایره ای می باشند.

اهمیت شتاب دهنده ذرات

در چند سال اخیر، یکی از مهم ترین تغییر و تحولات واقعی در سراسر دنیا، در زمینه ی فیزیک ذرات بنیادی بود. این تغییر و تحولات سبب شد که دید انسان ها در مورد ماهیت ماده، تغییر کند. بدون شک، یکی از مهم ترین دلایل این تغییر و تحولات، تکامل سریع شتاب دهنده ذرات بود. با این تکامل، انرژی دستگاه شتاب دهنده ی ذرات بسیار زیاد شد که از آن برای بررسی ذرات بنیادی استفاده می شود. 

مهم ترین ویژگی این پدیده این است که می تواند سرعت الکترون ها و پروتون ها را تا نزدیکی سرعت نور، شتاب دهد. وقتی این ذرات تا این اندازه شتاب، پیدا می کنند سطح انرژی آن ها نیز تا چندین میلیون برابر، افزایش می یابد. به همین دلیل این ذرات شتاب داده شده از انرژی عظیمی برخوردار هستند. برای درک بهتر این موضوع، یک مثال ساده بیان می کنیم: شتاب دهنده ای در آزمایشگاه فرمی آمریکا وجود دارد که می تواند با شتاب ذرات باردار، انرژی آن ها را به یک تریلیون الکترون ولت (Tev) شتاب برساند.

بنابراین اگر از چنین شتاب دهنده ای استفاده کنیم و به پروتون های یک گرم هیدروژن موجود در آب، شتاب دهیم این ذرات دارای انرژی، حدود ۲۶ میلیارد کیلو وات ساعت، خواهند شد. یعنی انرژی برابر با انرژی شکاف  ۱۲۰۰ کیلوگرم اورانیوم و یا ۱۵ میلیون، بشکه نفت.

توجه کنید که تمام این انرژی عظیم را می توان فقط از طریق شتاب دادن به پروتون های یک گرم هیدروژن آب، به دست آورد. با این مثال، به راحتی می توان درک کرد که دستگاه های شتاب دهنده، تا چه اندازه، قدرت دارند.

شتاب دهنده خطی LINAC چیست و چه کاربردهایی دارد؟

وظیفه ی شتاب دهنده ی خطی این است که انرژی جنبشی لازم، برای یون های باردار الکتریکی و ذرات را فراهم می آورد. این دستگاه، پتانسیل الکتریکی نوسانی لازم را در جهت یک خط راست، بر ذرات و یون ها، وارد می کند. این نوع شتاب دهنده ذرات، از قسمت های مختلفی تشکیل شده است که از جمله ی آن ها می توان به منبع ذرات، استوانه ی خلا و الکترودهای استوانه ای با طول های مختلف اشاره نمود.

هر کدام از این قسمت ها کارکرد خاص خود را دارند. به عنوان مثال، منبع ذرات دارای طراحی های متفاوتی است که مهم ترین فاکتورهای تعیین کننده ی طراحی آن، نوع و شکل ذرات می باشد. به این صورت که اگر ذرات مورد نظر، الکترون، باشند از کاتد گرم یا سرد یا فوتوکاتد و یا تابش رادیویی برای شتاب دهی آن استفاده می شود اما اگر این ذره، پروتون باشند طراحی منبع ذرات، تغییر می کند. برای اینکه این ذرات را از منبع اصلی به سمت استوانه، شلیک کرد نیاز به یک منبع با ولتاژ بسیار بالا می باشد.

استوانه ی خلا، قسمت دیگری از این شتاب دهنده ذرات است که این قسمت نیز کاربردهای خاص خود را دارد. اما مهم ترین ویژگی اش این است که با توجه به کاربردش، دارای طول های متفاوتی است.

مثلا اگر از این شتاب دهنده ذرات در زمینه های پزشکی و تولید پرتو X استفاده شود، طول آن بین نیم تا 5/1 متر می باشد. یا اگر بخواهید از آن به عنوان یک شتاب دهنده ی غیر خطی استفاده کنید طول آن به 10 متر نیز می رسد. اما اگر از آن ها در زمینه های فیزیک بنیادی و بررسی های هسته ای استفاده شود طول آن به هزاران متر می رسد.

در داخل این لوله ها الکترودهای استوانه ای شکلی وجود دارند که طول آن ها نیز بسته به کارکردشان، متفاوت است. از مهم ترین پارامترهای تعیین کننده ی طول الکترودها می توان به توان منبع ذرات، فرکانس و نوع ذرات، اشاره کرد. این الکترودها از ابتدا تا انتهای لوله، کشیده می شوند. اگر این الکترودها نزدیک منبع باشند از طول کمتری برخوردار هستند هر چه فاصله ی آن ها از این منبع بیشتر باشد طولشان نیز بیشتر می شود. 

از دیگر عواملی که بر طول الکترودها تاثیر می گذارند جرم ذرات شتاب گیرنده است. بنابراین به دلیل اینکه الکترون از جرم کمتری نسبت به پروتون برخوردار است لذا الکترودهایی که برای شتاب دادن الکترون، مورد استفاده قرار می گیرند کوتاه تر از الکترودهای مورد نیاز پروتون است. منابع فرکانس رادیویی، مهم ترین تامین کننده ی انرژی مورد نیاز الکترودهای استوانه ای می باشند. 

شتاب دهنده ی دایره ای چیست؟

این دستگاه، شتاب را با استفاده از یک میدان مغناطیسی و در یک مسیر دایره ای یا شبیه دایره، بر ذرات مورد نظر وارد می کند. سنکروترون ها یک نوع از شتاب دهنده های دایره ای هستند. این دستگاه شامل یک کاواک مشدد الکترومغناطیس است که به موجب آن، ذرات، شتاب داده می شوند. البته در حال حاضر، بزرگ ترین و قوی ترین شتاب دهنده ی دایره ای دنیا، شتاب دهنده ی هادرونی (LHC) یا همان شتاب دهنده  سرن است که این شتاب دهنده ذرات در مرز فرانسه و سوییس قرار دارد.

مهم ترین دستاوردی که با استفاده از این شتاب دهنده ذرات به دست آمد کشف ذره ی هیگز در سال 2012 بود که این ذره به نام ذره ی خدا معروف شده است. بعد از کشف این ذره، این دستگاه، برای مدتی خاموش شد تا ارتقا یابد و بعد از آن با توانی دو برابر سال 2012، شروع به کار کرد. این ﺁزمایشگاه به قدری بزرگ است که حدود 12 هزار دانشمند فیزیک ذرات نظری و تجربی از سراسر دنیا در آن مشغول به کار هستند تا بتوانند ناشناخته های بیشتری، کشف کنند.

نکته ی قابل توجه در مورد این شتاب دهنده ی بزرگ دنیا این است که این آزمایشگاه به عنوان بزرگ ترین مرکز تحقیقات و سازه ای دنیا شناخته می شود که هدف آن، بررسی بنیادی ترین ذرات موجود در طبیعت می باشد.

3