Acceleratoare de particule
Realizarea si studiul reactiilor nucleare nu pot fi facute decat daca particula-proiectil va primi o energie cinetica suficienta pentru a initia reactia. Ca urmare, se construiesc acceleratoare de particule capabile sa furnizeze energia necesara. Pot fi accelerate in mod direct doar particule cu sarcina, in acest scop utilizandu-se diverse combinatii de campuri electrice si magnetice, statice sau variabile, omogene sau neomogene. Dezvoltarea acceleratoarelor incepe dupa 1962, ca urmare directa a descoperirii reactiilor nucleare. In tab.1 sunt cuprinse principalele date privind acceleratoarele de particule.
Primul tip de accelerator este cel electrostatic sau direct. El se compune dintr-un generator de inalta tensiune (continua), o sursa de particule, un tub de accelerare si o tinta. Aceste parti componente pot fi gasite, cu mici modificari, la toate tipurile de acceleratoare. Generatorul de inalta tensiune, poate fi o masina electrostatica, un transformator ridicator de tensiune urmat de un grup de redresori, sau instalatii special construite, cum ar fi generatorul Van de Graaff sau generatorul de cascada, de tipul Cocroft-Walton. Tensiunea inalta pe care o furnizeaza generatorul se aplica unor electrozi ce formeaza un condensator. Unul dintre electrozi contine sursa de particule, iar pe celalalt se pune tinta formata din nucleele pe care dorim sa le bombardam. In cursul acelerarii particulele trec printr-un tub vidat, numit tub de accelerare. Tubul este astfel construit, incat particulele sa formeze un fascicul convergent pe tinta. Daca tensiunea inalta aplicata este V, atunci energia pe care o va castiga o particula in acceleratorul direct va fi E=qV, unde q este sarcina electrica pe care o poseda particula. Se vede ca pentru aceeasi tensiune de accelerare, energia particulei este cu atat mai mare, cu cat sarcina q este mai mare. Ca atare, accelerarea directa este convenabila mai ales pentru particulele grele, cu sarcina mare (ioni multiplu ionizati). Intensitatea fasciculului de particule aceelerat se masoara de obicei prin curentul electric corespunzator. Spre exemplu, un curent de protoni de 1 mA corespunde unui flux de 6*1016 particule pe secunda.
Tipul Denumirea Construit in . de . Camp magnetic Frecventa campului electric Raza de rotatie Particulele accelerate Performante in prezent
Acceleratori electrostatici (directi) Transformator de inalta tensiune 1926 G.Breit
--
-- liniar
Orice particula incarcata cu sarcina
5 MeV
~ 18 MeV
Tip Cockroft-Walton 1932 J.D. Cockroft E.I.S. Walton
--
-- liniar
Tip Van de Graaff 1929 Van de Graaff
--
-- liniar
Acceleratori liniari liniar 1931 D.H. Sloane
--
const
liniar Particule grele
20 GeV
Acceleratori de rezonanta ciclotronul 1934 E.O. Lawrence
const
const
variabil p, d,
ioni
~ 20 MeV
sincrociclotron (fazatron) 1946 J. R. Richardson
const
variabil
variabil
p, d,
~ 10 GeV
sincrotron 1946 F.K. Goward, D.E.Barnes
variabil
const
const
e
~ 680 MeV
Sincrofazotron (cosmotron) (sincroton de protoni)
1947 M.L. Oliphant variabil variabil const p, d
10 GeV protoni
Acceleratori prin inductie betatronul 1945 M.Kerst
variabil -- const. e ~ 300 MeV
a) Generatorul Van de Graaff este o masina electrostatica prin influenta, care permite producerea a milioane de volti. In fig 1 se poate vedea schema unui astfel de generator. El este format dintr-o sfera metalica, goala in interior, de raza R, ce formeaza o cusca Faraday si care prin intermediul colectorului (B) culege sarcinile de pe banda transportoare (C). Banda transportoare primeste, la randul ei, sarcina de la un generator obisnuit, de inalta tensiune (10 - 20 kV), prin intermediul unor varfuri ascutite (a). Pentru realizarea transportului, banda se confectioneaza din cauciuc sau un alt material izolant si este pusa in miscare de catre un motor electric, in sensul indicat in figura, cu viteza constanta v. Sursa de inalta tensiune se aplica (borna pozitiva) unui sistem de varfuri ascutite, plasate in fata benzii transportoare, care, pe partea cealalta, are un electrod la borna negativa. In jurul varfurilor se produce un fenomen de ionizare intens, datorita campului electric foarte mare ce exista in preajma lor. Ca urmare, pe banda transportoare se vor proiecta ionii pozitivi respinsi de varfurile ascutite (efect Corona), fiind astfel antrenate cu viteza uniforma v, si dusa in interiorul sferei. Ajungand in punctul B din interior, sarcina va fi colectata de catre sfera, prin intermediul sistemelor de perii legate electric de ea. Datorita efectului de cusca Faraday, sarcina se va raspandi pe suprafata sferei, de unde nu mai poate reveni. Sfera, avand o capacitate C (=4 0 R fata de Pamant), pe masura ce se va incarca cu sarcina electrica, isi va ridica tensiunea conform relatiei U=Q/C. Limita superioara pe care poate sa o atinga tensiunea este data pe deoparte de raza sferei, pe de alta parte de rigiditatea dielectrica a mediului in care este plasata sfera (limita de strapungere prin scanteie a mediului dielectric). Pentru aer, valoarea maxima a campului electric, in conditii normale, este de Ed=30kV/cm. Deoarece intensitatea campului la suprafata sferei va fi E=U/R , valoarea maxima a tensiunii ce poate fi atinsa este:
Umax =R*Ed
se vede ca tensiunea maxima creste cu cresterea razei sferei.
Pentru a mari tensiunea acceleratoare, se poate cupla doua generatoare Van de Graaff, incarcate cu sarcini opuse, dublandu-se astfel tensiunea. Acest ansamblu se numeste tandem. Un generator Van de Graaff cu raza sferei de 1 m, cu o banda de 50 cm latime, antrenata cu o viteza de 20 m/s va produce o tensiune maxima (teoretica) de 3 MV si un curent maxim de 0,5 mA.
