Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Επιταχυντές

3,242 views

Published on

Παρουσίαση για τα είδη τον τρόπο λειτουργίας των επιταχυντών

Published in: Education
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Επιταχυντές

  1. 1. Α. ΕπιταχυντέςΠολιτιστικό Πρόγραμμα – Το σωματίδιο του Θεού
  2. 2. Ι. Εισαγωγή• Οι επιταχυντές 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. 3. Ι. Εισαγωγή• Με τη 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. 4. Ι. Εισαγωγή• Οι ταχύτητες 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. 5. Ι. Εισαγωγή• Για να 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. 6. Ι. Εισαγωγή• Υπάρχουν δύο κυρίως τύποι επιταχυντών: – Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές – Επιταχυντές Ταλαντούμενων πεδίων • Γραμμικοί επιταχυντές • Επιταχυντές κυκλικής τροχιάς
  7. 7. Ι. Εισαγωγή• Σήμερα υπάρχουν πάνω από 26000 επιταχυντές σωματιδίων παγκοσμίως.• Από αυτούς μόνο το 1% είναι επιταχυντές υψηλής ενέργειας που χρησιμοποιούνται για έρευνα στη σωματιδιακή φυσική.
  8. 8. Ι. Εισαγωγή• Οι περισσότεροι (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. 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. 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. 11. II. Γνώσεις Φυσικής• Κεντρομόλος Δύναμη m⋅v 2 F= R
  12. 12. ΙΙI. Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές
  13. 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. 14. ΙΙΙ. Ηλεκτροστατικοί Επιταχυντές• Η λειτουργία τους είναι σχετικά απλή. + -
  15. 15. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές
  16. 16. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές• Τα σωματίδια κινούνται λόγο ηλεκτρικών δυνάμεων που τους ασκούνται από κατάλληλα φορτισμένες πλάκες.
  17. 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. 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. 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. 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. 21. IV. Γραμμικοί Επιταχυντές• Ο μεγαλύτερος γραμμικός επιταχυντής (Stanford Linear Accelerator)
  22. 22. V. Επιταχυντές Κυκλικής Τροχιάς• 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. 23. V. Επιταχυντές Κυκλικής Τροχιάς• 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. 24. V. Επιταχυντές Κυκλικής Τροχιάς• Κατηγορίες επιταχυντών κυκλικής τροχιάς – Κύκλοτρο – Συγχροκύκλοτρο – Ισόχρονο Κύκλοτρο – Βήτατρο – Σύγχροτρο
  25. 25. V.1 Κύκλοτρο• Αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια σε σχήμα D, τοποθετημένα μέσα σε μαγνητικό πεδίο σταθερής έντασης.
  26. 26. V.1 Κύκλοτρο• Τα σωματίδια εισέρχονται στο κέντρο της διάταξης και εξέρχονται στο άκρο της (όπου μηδενίζεται το μαγνητικό πεδίο).
  27. 27. V.1 Κύκλοτρο• Το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των δύο πλακών D επιταχύνει τα σωματίδια σε κάθε πέρασμα
  28. 28. V.1 Κύκλοτρο• Το σταθερό μαγνητικό πεδίο καμπυλώνει την τροχιά των σωματιδίων.
  29. 29. V.1 Κύκλοτρο• Σε κάθε κύκλο η ακτίνα της κυκλικής τροχιάς αυξάνεται.• Έτσι η τελική τροχιά είναι ελικοειδής m⋅v 2 F= R
  30. 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. 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. 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. 33. V.2 Συγχροκύκλοτρο• Επινοήθηκε ώστε να λύσει το πρόβλημα αύξησης της μάζας των σωματιδίων.• Διατηρεί σταθερό το μαγνητικό πεδίο.• Μειώνει σταδιακά τη συχνότητα αλλαγής του ηλεκτρικού πεδίου.
  34. 34. V.2 Συγχροκύκλοτρο• Προβλήματα: – Απαιτείται μεγάλος μαγνήτης σταθερής έντασης. – Δεν δημιουργείται συνεχής ροή σωματιδίων, αλλά ριπές.
  35. 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. 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. 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. 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. 39. V.4 Σύγχροτρο• Για να 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. 40. V.4 Σύγχροτρο
  41. 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. 42. V.4 Σύγχροτρο
  43. 43. V.4 Σύγχροτρο• Μειονεκτήματα: – Το σύγχροτρο δεν μπορεί να δώσει συνεχή ροή σωματιδίων. Αντίθετα παράγει σύντομες ριπές.
  44. 44. V.4 Σύγχροτρο• Large Hadron Colider (CERN) – 27 km περίμετρος, 7 GeV ενέργεια, 99.9999991% της c.

×