Download to read offline
Uploaded byPantelis Bouboulis
Επιταχυντές
Παρουσίαση για τα είδη τον τρόπο λειτουργίας των επιταχυντών
More Related Content
Επιταχυντές
- 1. Α. Επιταχυντές Πολιτιστικό Πρόγραμμα– Το σωματίδιο του Θεού
- 2. Ι. Εισαγωγή • Οιεπιταχυντές είναι μεγάλες διατάξεις οι οποίες επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια, πυρήνες ατόμων, πρωτόνια, ιόντα, κ.λ.π.) χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητικά πεδία. • Στο πεδίο της ερευνητικής φυσικής κατευθύνουν τα ταχέως κινούμενα σωματίδια πάνω σε άλλα ώστε να μελετηθεί το αποτέλεσμα της σύγκρουσης.
- 3. Ι. Εισαγωγή • Μετη βοήθειά τους μελετάμε τους νόμους της φυσικής σε μικροσκοπικό επίπεδο. • Επιπλέον, η συμπεριφορά αυτών των σωματιδίων σε τόσο μεγάλες ταχύτητες μας δίνει πληροφορίες για τη λειτουργία του σύμπαντος κατά τα πρώτα στάδια δημιουργίας του.
- 4. Ι. Εισαγωγή • Οιταχύτητες των σωματιδίων που εξέρχονται από έναν επιταχυντή πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός (c), η οποία αποτελεί το μέγιστο όριο ταχύτητας για ένα υλικό σωματίδιο. • Αυτές τις ταχύτητες τις ονομάζουμε συνήθως σχετικιστικές ταχύτητες.
- 5. Ι. Εισαγωγή • Γιανα μετρήσουμε την ισχύ ενός επιταχυντή δεν χρησιμοποιούμε την τελική ταχύτητα που μπορεί να δώσει σε ένα σωματίδιο (π.χ. 0.95 φορές της c). • Συνήθως χρησιμοποιούμε την ποσότητα ενέργειας (σε eV) που μπορεί να δώσει σε ένα σωματίδιο ώστε να το επιταχύνει.
- 6. Ι. Εισαγωγή • Υπάρχουνδύο κυρίως τύποι επιταχυντών: – Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές – Επιταχυντές Ταλαντούμενων πεδίων • Γραμμικοί επιταχυντές • Επιταχυντές κυκλικής τροχιάς
- 7. Ι. Εισαγωγή • Σήμεραυπάρχουν πάνω από 26000 επιταχυντές σωματιδίων παγκοσμίως. • Από αυτούς μόνο το 1% είναι επιταχυντές υψηλής ενέργειας που χρησιμοποιούνται για έρευνα στη σωματιδιακή φυσική.
- 8. Ι. Εισαγωγή • Οιπερισσότεροι (44%) είναι επιταχυντές που χρησιμοποιούνται για ιατρικούς σκοπούς (ραδιοθεραπεία). • Ένας μεγάλος αριθμός επιταχυντών (41%) χρησιμοποιούνται και στη βιομηχανία για εμφύτευση ιόντων (μια τεχνική που χρησιμοποιείται για μεταλλικό φινίρισμα, κ.λ.π.)
- 9. II. Γνώσεις Φυσικής •Ηλεκτρικές Δυνάμεις – Νόμος Coulomb • Μεταξύ δύο φορτισμένων σωματιδίων ασκείται ελκτική ή απωστική δύναμη, το μέτρο της οποίας ισούται με Qq F =k 2 , r
- 10. II. Γνώσεις Φυσικής •Δύναμη από μαγνητικό πεδίο σε κινούμενο φορτίο • Όταν ένα κινούμενο φορτίο εισέλθει σε μαγνητικό πεδίο, τότε ασκείται πάνω του μαγνητική δύναμη κάθετη στη φορά κίνησής του. F = q ⋅ v × B, F = qvB ⋅ηµ (θ ) ,
- 11. II. Γνώσεις Φυσικής •Κεντρομόλος Δύναμη m⋅v 2 F= R
- 12.
- 13. ΙΙΙ. Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές •Πρόκειται για γραμμικές διατάξεις που δημιουργούν ένα σταθερό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο επιταχύνει τα σωματίδια. • Δεν μπορούν να επιταχύνουν τα σωματίδια σε ιδιαίτερα υψηλές ενέργειες. • Οι πρώτοι επιταχυντές που κατασκευάστηκαν ήταν ηλεκτροστατικοί.
- 14. ΙΙΙ. Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές •Η λειτουργία τους είναι σχετικά απλή. + -
- 15.
- 16. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές •Τα σωματίδια κινούνται λόγο ηλεκτρικών δυνάμεων που τους ασκούνται από κατάλληλα φορτισμένες πλάκες.
- 17. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές •Για να αλλάζει το φορτίο κάθε πλάκας περιοδικά, εφαρμόζουμε εναλλασσόμενο πεδίο κατάλληλης συχνότητας (AC). • Όσο αυξάνεται η ταχύτητα του σωματιδίου τόσο αυξάνεται και η συχνότητα εναλλαγής του φορτίου.
- 18. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές •Η συγκεκριμένη διάταξη δε μπορεί να επιταχύνει σωματίδια σε «σχετικιστικές ταχύτητες». • Για να επιτύχουμε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες χρησιμοποιούμε «κοιλότητες μικροκυμάτων» (microwave cavities), οι οποίες λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο.
- 19. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές •Οι γραμμικοί επιταχυντές (LINAC) χρησιμοποιούνται: – Στην ιατρική για ραδιοθεραπείες. – Ως διατάξεις που επιταχύνουν σωματίδια έως μια αρχική ταχύτητα και στη συνέχεια τα οδηγούν σε επιταχυντές υψηλότερης ενέργειας.
- 20. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές •Μειονεκτήματα: – Ιδιαίτερα μεγάλο μέγεθος. (Ο πιο μεγάλος γραμμικός επιταχυντής σήμερα έχει μήκος 3 Km) – Δημιουργούν μια ακτίνα από ριπές σωματιδίων (και όχι μια ακτίνα συνεχόμενης ροής). – Συνήθως δεν μπορούν να επιταχύνουν τα σωματίδια σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες. – Χρησιμοποιούνται κυρίως για επιτάχυνση ηλεκτρονίων
- 21. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές •Ο μεγαλύτερος γραμμικός επιταχυντής (Stanford Linear Accelerator)
- 22. V. Επιταχυντές ΚυκλικήςΤροχιάς • Τα σωματίδια κινούνται σε κυκλικές τροχιές. • Χρησιμοποιούνται ηλεκτρικά πεδία για να επιταχύνουν τα σωματίδια και μαγνητικά πεδία για να «κάμπτουν» τις τροχιές των σωματιδίων.
- 23. V. Επιταχυντές ΚυκλικήςΤροχιάς • Πλεονεκτήματα σε σχέση με τους γραμμικούς επιταχυντές. – Δημιουργία συνεχόμενης ροής σωματιδίων. – Μικρότερος όγκος (και κόστος) για συγκρίσιμη ισχύ επιτάχυνσης. • Μειονεκτήματα – Εξαιτίας της ακτινοβολίας Συγχρότρου δεν μπορούν να επιταχύνουν ηλεκτρόνια.
- 24. V. Επιταχυντές ΚυκλικήςΤροχιάς • Κατηγορίες επιταχυντών κυκλικής τροχιάς – Κύκλοτρο – Συγχροκύκλοτρο – Ισόχρονο Κύκλοτρο – Βήτατρο – Σύγχροτρο
- 25. V.1 Κύκλοτρο • Αποτελείταιαπό δύο ηλεκτρόδια σε σχήμα D, τοποθετημένα μέσα σε μαγνητικό πεδίο σταθερής έντασης.
- 26. V.1 Κύκλοτρο • Τασωματίδια εισέρχονται στο κέντρο της διάταξης και εξέρχονται στο άκρο της (όπου μηδενίζεται το μαγνητικό πεδίο).
- 27. V.1 Κύκλοτρο • Τοεναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των δύο πλακών D επιταχύνει τα σωματίδια σε κάθε πέρασμα
- 28. V.1 Κύκλοτρο • Τοσταθερό μαγνητικό πεδίο καμπυλώνει την τροχιά των σωματιδίων.
- 29. V.1 Κύκλοτρο • Σεκάθε κύκλο η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς αυξάνεται. • Έτσι η τελική τροχιά είναι ελικοειδής m⋅v 2 F= R
- 30. V.1 Κύκλοτρο • Προβλήματα: – Δημιουργία μεγάλου μαγνητικού πεδίου σταθερής έντασης. – Το κύκλοτρο (όπως όλοι οι επιταχυντές κυκλικού φορτίου παράγει ισχυρή ακτινοβολία όταν επιταχύνονται σωματίδια μικρής μάζας (π.χ. ηλεκτρόνια). – Αυτή η ακτινοβολία οδηγεί σε μεγάλες απώλειες ενέργειας.
- 31. V.1 Κύκλοτρο • Προβλήματα: – Το κύκλοτρο δεν μπορεί να επιταχύνει σωματίδια μεγάλης μάζας (π.χ. πρωτόνια) σε σχετικιστικές ταχύτητες. – Σε τέτοιες ταχύτητες η μάζα των σωματιδίων αυξάνεται. – Επομένως, χρειάζεται να μεταβληθεί η ένταση του μαγνητικού πεδίου ή η συχνότητα αλλαγής του ηλεκτρικού πεδίου για να συνεχιστεί η επιτάχυνση.
- 32. V.1 Κύκλοτρο • Παράδειγμα – Ένα απλό κύκλοτρο μπορεί να επιταχύνει ένα πρωτόνιο σε ενέργεια 15 MeV (περίπου το 10% της ταχύτητας του φωτός).
- 33. V.2 Συγχροκύκλοτρο • Επινοήθηκεώστε να λύσει το πρόβλημα αύξησης της μάζας των σωματιδίων. • Διατηρεί σταθερό το μαγνητικό πεδίο. • Μειώνει σταδιακά τη συχνότητα αλλαγής του ηλεκτρικού πεδίου.
- 34. V.2 Συγχροκύκλοτρο • Προβλήματα: – Απαιτείται μεγάλος μαγνήτης σταθερής έντασης. – Δεν δημιουργείται συνεχής ροή σωματιδίων, αλλά ριπές.
- 35. V.3 Ισόχρονο Κύκλοτρο •Επινοήθηκε ώστε να λύσει το πρόβλημα αύξησης της μάζας των σωματιδίων (όπως το συγχροκύκλοτρο). • Διατηρεί σταθερή τη συχνότητα εναλλαγής του ηλεκτρικού πεδίου. • Το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται σταθερά όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο της διάταξης.
- 36. V.3 Ισόχρονο Κύκλοτρο •Πλεονεκτήματα: – Δημιουργεί συνεχή ροή σωματιδίων και όχι ριπές όπως το συχροκύκλοτρο. – Μπορεί να επιταχύνει σωματίδια ακόμη και σε σχετικιστικές ταχύτητες.
- 37. V.3 Ισόχρονο Κύκλοτρο •Προβλήματα: – Δυσκολία κατασκευής του απαιτούμενου μαγνητικού πεδίου, το οποίο • Θα πρέπει να μεταβάλλεται ανάλογα με την απόσταση από το κέντρο της διάταξης και • Να είναι ιδιαίτερα ισχυρό στα άκρα της διάταξης.
- 38. V.3 Ισόχρονο Κύκλοτρο •Παράδειγμα: – Το ισόχρονο κύκλοτρο PSI μπορεί να δώσει δέσμη πρωτονίων ενέργειας 590 MeV (περίπου το 80% της ταχύτητας του φωτός).
- 39. V.4 Σύγχροτρο • Γιανα επιτύχουμε ακόμη μεγαλύτερη επιτάχυνση (μερικών GeV) μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα σύνγχροτρο. • Το σύγχροτρο επιταχύνει τα σωματίδια μέσα σε ένα δακτύλιο σταθερής ακτίνας. • Το μαγνητικό πεδίο μέσα σε αυτό το δακτύλιο αυξάνεται σταδιακά (με το χρόνο) για να επιταχυνθούν τα σωματίδια.
- 40.
- 41. V.4 Σύγχροτρο • Πλεονεκτήματα: – Το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου είναι πολύ μικρότερο. – Η τροχιά των σωματιδίων δεν είναι ανάγκη να είναι τελείως κυκλική (μπορεί να γίνεται και σε πολυγωνική γραμμή).
- 42.
- 43. V.4 Σύγχροτρο • Μειονεκτήματα: – Το σύγχροτρο δεν μπορεί να δώσει συνεχή ροή σωματιδίων. Αντίθετα παράγει σύντομες ριπές.
- 44. V.4 Σύγχροτρο • LargeHadron Colider (CERN) – 27 km περίμετρος, 7 GeV ενέργεια, 99.9999991% της c.