AKCEKERATORI

Pripremio: Dalibor Čavizović

Mikroskopi u subatomski svet

Deseti septembar 2008. godine je datum koji će zasigurno ući u udžbenike fizike elementarnih čestica. Tog dana je, u 10 časova i 28 minuta, stavljen u pogon do sada najveći cirkularni akcelerator Large Hadron Colider (LHC). Ovo je najveći svetski akceleratorski kompleks. U njegovoj komori se dva protonska zraka kreću u suprotnim pravcima da bi se, nakon nekoliko nedelja, po postizanju predviđene energije, u jednom momentu ukrstili tako izazvali sudari protona visokih energija. U izgradnji ovog kolosa je učestvovao veliki broj inženjera i fizičara iz celog sveta. Šta su uopšte akceleratori i zašto su unazad nekoliko decenija ulagani veliki napori i sredstva u njihovo građenje?

Tridesete godine 20. veka obeležene su istraživanjima u oblasti atomske i nuklearne fizike. Ubrzano se istraživala građa atoma i atomskih jezgara. Prvo je, krajem 19.veka, Bekerel otkrio da soli urana spontano emituju radioaktivno zračenje. Ova pojava je nazvana prirodna radioaktivnost. Tridesetih godina su Irena Žolio-Kiri i Frederic Žolio uspeli da, pomoću nuklearnih reakcija, proizvedu veštačke radioaktivne elemente: otkrivena je veštačka radioaktivnost. Otkriće neutrona i eksperimenti u kojima su oni korišćeni kao projektili za bombardovanje atomskih jezgara doveli su do otkrića nuklearne fisije za ovo otkriće Nobelovu nagradu su podelili hemičari Oto Han i Fric Štrasman, mada se smatra da je samu interpretaciju rezultata i ključne smernice zasnovane na teorijskim proračunima i dobrim procenama Otu Hanu dala fizičar Liza Majtner. Važnu ulogu u njihovom radu imali su i rezultati koje je u Italiji dobio Enriko Fermi bombardovanjem jezgra uranijuma sporim neutronima. Nedugo potom otkrivena je nuklearna fuzija. Čovečanstvo se našlo na pragu ostvarenja davnašnjeg alhemičarskog sna: pretvaranje jednog hemijskog elementa u drugi. Brzo je zapaženo da se pri cepanju jezgra atoma dobija ogromna energija, što je dodatno ubrzalo istraživanja u ovoj oblasti fizike i gotovo pravolinijski ih usmerilo ka potencijalnim vojnim primenama.

Patent ciklotrona koji je Lorens objavio 1934. godine.

Par duanata koji su bil i korišćeni u prvim ciklotronima. Izloženi su u Lawrence Hall of Science. Mesto odakle su ubrzane čestice izlazile vidi se na vrhu gornjeg duanta. Ovde se postavljala meta u koju su čestice udarale.

Da bi ispitivali osobine atomskih jezgara i složenih subatomskih čestica (čestica meta), fizičarima su potrebne odgovarajuće čestice (projektili) kojima bi gađali metu. Kada se projektil dovoljno približi svojoj meti, između njih počinju da deluju nuklearne sile. Usled dejstva ovih sila meta se razbija i nastaju nove čestice koje ukazuju na strukturu mete. No, pošto su nuklearne sile kratkog dometa, a između mete i česticeprojektila deluju i, najčešće odbojne, elektrostatičke sile, projektil je potrebno približiti meti na dovoljno malo rastojanje. Zato je čestice projektila neophodno ubrzati do velikih brzina i saopštiti im dovoljnu kinetičku energiju (koja se kreće od nekoliko stotina keV, do nekoliko stotina GeV). Da bi se zavirilo u atomsko jezgro ili svet subatomskih čestica, neophodno raspolagati lakim ali i dovoljno brzim česticama: elektronima, protonima, neutronima, jonima... Prirodni izvori radioaktivnog zračenja nisu pogodni kao izvori ovakvih čestica pošto im je energija relativno mala ili ih je teško kontrolisati. Pojavila se potreba za konstrukcijom specijalnih uređaja koji bi naelektrisane čestice ubrzavali i predavali im dovoljno veliku kinetičku energiju. Uređaji koji ubrzavaju naelektrisane čestice zovu se akceleratori čestica. U opštem slučaju, čestice ubrzava jako električno polje, dok se magnetnim poljem kontrolišu oblik i stabilnost njihove putanje.

Prvi akceleratori

Nastanak i razvoj akceleratora vezuje se za Univerzitet Berkli, SAD, gde je 1929. godine E Lorens napravio prvi ciklotron, prečnika od samo 4 inča. Ovaj uređaj spada u klasu cirkularnih akceleratora. Uskoro je usledila konstrukcija 9-inčnog ciklotrona koji je ubrzavao H2+ jone i uspevao da im preda kinetičku energiju do 1 MeV. Već naredne godine je usledila konstrukcija 11-inčnog i 27-inčnog ciklotrona, a u narednim godinama i većih mašina.

U isto vreme je, na Kembridžu u Velikoj Britaniji, u Kevendiš laboratoriji, 1932. godine razvijen Kokroft-Voltonov elektrostatički akcelerator. Pripada grupi linearnih akceleratora i mogao je da ubrza protone do energije od 0,7 MeV Osnova ovog akceleratora je Kokroft-Voltonov generator, multiplikator napona koji transformiše naizmenični ili jednosmerni impulsni signal niskog napona u konstantni signal visokog napona.

Prvi akceleratori sa godinom i mestom izrade, veličinom, oblikom putanje i česticama koje su ubrzavali .

Zašto sve veće energije?

Najčešći zahtev koji se postavlja konstruktorima akceleratora je da nove mašine mogu ubrzati čestice do energija koje su veće od onih koje su postizale prethodne generacije akceleratora. Zašto se grade sve snažniji akceleratori? Najčešći odgovor glasi da čestice sa većom energijom lakše razbijaju atomska jezgra i druge složene čestice, što omogućava posmatranje elementarnijih delova materije. Dublji razlog zapravo leži u talasno-čestičnoj dualnosti i činjenici da je rezolucija bilo kog “imaging” sistema reda veličine talasne dužine talasa koje ovaj sistem koristi. Naprimer, obični mikroskopi ne mogu da razluče detalje koji su manji od talasne dužine vidljive svetlosti. Elektronski mikroskopi imaju daleko veću rezoluciju jer je De Broglieva talasna dužina elektrona mnogo manja od talasne dužine fotona. Ali, da bismo mogli posmatrati ponašanje izuzetno malih delića materije kakvi su nukleoni i elementarne čestice, moraju se koristiti talasi odgovarajuće malih talasnih dužina, a to znači i velike energije. Stoga akceleratori namenjeni istraživanjima u ovim oblastima fizike moraju ubrzavati čestice do brzina veoma bliskih brzini svetlosti, odnosno predavati im veliku kinetičku energiju.

Podela akceleratora

U zavisnosti od oblika putanje ubrzavanih čestica, akceleratori se dele na cirkularne i linearne. Kod cirkularnih akceleratora se putanja čestica kontroliše i stabiliše primenom magnetnog ili kombinacijom magnetnog i električnog polja, a čestice ubrzava električno polje.

Kod linearnih akceleratora putanja čestice je pravolinijska, a čestice ubrzava električno polje. Stoga su ovi akceleratori tehnički jednostavniji. U zavisnosti da li su elektično i magnetno polje konstantni ili vremenski promenljivi, razlikuju se akceleratori sa konstantnim poljem i akceleratori sa vremenski promenljivim poljem. U oba slučaja, kinetička energija koju dobijaju čestice zavisi od dimenzija akceleratora, pa su savremeni akceleratori kilometarskih veličina. .

Kako akceleratori funkcionišu

U osnovi, svaka akceleratorska instalacija može se prikazati šematskim dijagramom.

Osnovni delovi su izvor čestica, akceleratorska komora, sistem za ubrzavanje čestica i njegovo usmeravanje i detektorski sistem. Vremenom, različite namene, tehnička rešenja i novija usavršavanja dovela su do pojava različitih tipova akceleratora.

Linearni akcelerator se sastoji od vakuumirane pravolinijske cevi, duž čije ose je postavljeno više šupljih cilindričnih elektroda. Između elektroda se nalaze procepi malih dužina. Elektrode su naizmenično povezane za polove visokofrekventnog generatora naizmeničnog napona i to tako da su parne elektrode povezane na jedan, a neparne na drugi pol. Čestice koje se ubrzavaju u komoru se injektuju iz izvora koji je smešten na jednom kraju cevi. Jako električno polje između izvora i prve elektrode ubrzava čestice i fokusira ih tako da se one kreću duž ose komore. Unutar elektrode polje ne postoji, pa se tu čestice ne ubrzavaju. Ubrzavanje čestice se odvija između dveju susednih elektroda, pa frekvencija generatora mora biti tako usklađena sa kretanjem čestice da ona uvek ulazi u prostor između elektroda kada je u njemu električno polje ubrzavajuće. Pošto se brzina čestice stalno povećava, dužina naredne elektrode mora biti veća od prethodne i to toliko da bi čestica provela isto vreme u svakoj od elektroda. Po izlasku iz poslednje elektrode čestica je postigla određenu kinetičku energiju i usmerava se ka meti.

Kokroft-Voltonov multiplikator napona, korišćen kod prvih akceleratora čestica, kakvi su se koristili u projektima vezanim za razvoj atomske bombe. Multiplikator sa slike je izložen u National Science Museum , u Londonu. Napravila ga je kompanija “ Filips” 1937. godine

Akceleratori ovog tipa se koriste za ubrzavanje elektrona, protona, lakih pozitivno naelektrisanih jona. Kinetička energija čestice zavisi od dužine akceleratorske komore (tj. broja elektroda) pa se grade do dužine od nekoliko kilometara. Pomoću linearnih akceleratora se uglavnom ubrzavaju joni i elektroni.

Ciklotron se sastoji od dve šuplje elektrode (duanti) priključene na generator naizmeničnog napona pa u procepu između njih postoji električno polje. Unutar elektrode elektrostatičkog polja nema, što je slučaj i sa bilo kojim drugim šupljim provodnikom. Duanti se nalaze u homogenom magnetnom polju čije su linije normalne na ravan kretanja čestica koje se u njima ubrzavaju. Izvor čestica je u sredini procepa između duanata. Ako je čestica pozitivna, ona ubrzava ka duantu vezanom za negativni pol generatora. Unutar duanta nema električnog polja, ali postoji magnetno, te se usled dejstva Lorencove sile čestica kreće brzinom stalnog intenziteta ali po kružnoj putanji. Frekvenca generatora je tako podešena da se polaritet duanata promeni kad čestica izađe iz duanta, pa je električno polje ponovo ubrzava i ona uleće u drugi duant većom brzinom. Ovde se ona ponovo kreće kružnom trajektorijom ali putanja ima veći poluprečnik. Pošto je poluprečnik putanje čestice linearno proporcionalan njenoj brzini, ugaona brzina čestice je konstantna pa ona svaku polukružnu putanju prelazi za isto vreme. Zato je frekvenca generatora konstantna i jednaka je periodu obrtanja čestice. Kada se čestici preda dovoljna količina energije (koja je ograničena dimenzijom duanata), ona se uključivanjem spoljašnje elektrode izbacuje sa kružne putanje i, posle izlaska iz duanta, usmerava ka meti.

Ciklotron može ubrzati čestice do nerelativističkih brzina. Ako bi čestica postigla relativističku brzinu, njena ugaona brzina ne bi više bila konstantna pa bi nestala sinhronizacija između napona na duantima i kretanja čestice.

Sinhrociklotron je akcelerator koji omogućava ubrzanje čestica do relativističkih brzina. Osnovna razlika ovog akceleratora u odnosu na ciklotron je u tome što se frekvencija električnog polja između duanata sporo menja te je usklađena sa frekvencijom obrtanja čestice koja se smanjuje zbog relativističkog porasta mase.

Sinhrotronje ciklični kružni rezonantni akcelerator. U njemu se čestice ubrzavaju na kružnoj putanji konstantnog radijusa. Pri tome je frekvencija električnog polja koje ubrzava čestice konstantna ali se povećava jačina magnetnog polja kako bi orbita čestice ostala stabilna. Zbog stabilne orbite čestica, tehnički je lakše metu postaviti unutar akceleratorske komore. Kod ovih akceleratora postoje relativno veliki gubici energije čestica usled njihovog ubrzanog kretanja.

Betatronje indukcioni cirkularni akcelerator u kojem se elektroni ubrzavaju delovanjem vrtložnog električnog polja koje nastaje elektromagnetnom indukcijom. Elektroni se kreću u vakuumskoj cevi toroidalnog oblika (komori betatrona) postavljenoj između polova elektromagneta posebnog oblika. Magnetno polje ovde ima dvostruku ulogu: indukuje vrtložno električno polje i obezbeđuje kretanje elektrona stalno po istoj kružnoj putanji. Da bi indukovalo električno polje, magnetno polje mora biti vremenski promenljivo. Da bi putanja elektrona bila stabilna, magnetno polje mora na određeni način biti nehomogeno pa polovi elektromagneta imaju poseban oblik. Elektroni ubrzani u betatronu mogu imati energiju i do nekoliko desetina MeV-a. Prvi betatron je konstruisan 1940. godine.

Sinhrofazotronje ciklični akcelerator. Vakuumska cev duž koje su postavljene elektrode ima oblik torusa pa je putanja čestice kružna. Elektrode su, slično kao kod linearnog akceleratora, naizmenično povezane sa polovima generatora naizmeničnog napona, te se čestice ubrzavaju između elektroda. Kružno kretanje omogućeno je delovanjem magnetnog polja na čestice. Magnetno polje potiče od elektromagneta postavljenih oko cevi. Konstrukcija sinhrofazotrona omogućava da čestice mogu više puta obići krug, tj. više puta se ubrzava u istom međuelektrodnom prostoru. Stoga se čestice mogu ubrzati do velikih energija (nekoliko stotina GeV). Uticaj relativističkih efekata na sinhronizaciju kretanja čestice i ubrzavajućeg električnog polja, kao i na stabilnost putanje čestice, eliminiše se korišćenjem generatora sa promenljivom frekvencijom i elektromagneta čije se magnetno polje menja na odgovarajući način. Torusne cevi su postavljene u tunele ispod zemlje dužine i do nekoliko desetina km.

Kolajderi su akceleratori u kojima se ubrzavaju i čestice projektili i čestice mete. Time se postižu znatno veće energije sudara, što je pogodno za eksperimentalna istraživanja u fizici elementarnih čestica. Kolajderi su posebno pogodni za istraživanje sudara naelektrisanih čestica sa antičesticama. One se uvode u različite kanale za ubrzavanje koji se nalaze u istom električnom i magnetnom polju. Pošto su im naelektrisanja suprotnih znakova, kreću se u suprotnim smerovima. Kada dostignu dovoljnu energiju, zraci se ukrste i čestice se međusobno sudaraju.

U ovu grupu akceleratora spada i LHC. Namenjen je ispitivanju pretpostavki i ograničenja Standardnog modela. Mnogi fizičari veruju da će LHC moći da potvrdi postojanje Higsovog bozona, poslednje neopservirane čestice čiju egzistenciju predviđa Standardni model, a koja objašnjava mnoge osobine koje imaju ostale elementarne čestice, kao što je npr. masa elementarnih čestica. LHC može da ubrza protone do energije od 7 TeV i postigne ukupnu energiju sudara dvaju protona od 14 TeV. Predviđeno je da se na njemu izvrše brojni eksperimenti pa poseduje i brojne detektorske sisteme.

Čemu služe

Zraci visokoenergetskih čestica su važan alat u fundamentalnim i primenjenim istraživanjima, ali su veoma korisni i u industriji i medicini. Važnu ulogu u fundamentalnim istraživanjima strukture materije, prostora i vremena imaju visokoenergetske interakcije. Fizičari koji se bave istraživanjem elementarnih čestica koriste mašine koje ubrzavaju snopove elektrona, pozitrona protona i antiprotona, koji intereaguju ili međusobno ili sa lakšim jezgrima na najvećim raspoloživim energijama, najčešće nekoliko stotina GeV U nuklearnoj fizici i kosmologiji koriste se snopovi atomskih jezgara da bi se ispitale osobine ili samih jezgara ili osobine kondenzovane materije ekstremno velike gustine i visokih temperatura. U te svrhe koriste se teška jezgra (gvožđe ili zlato) koja imaju energiju od nekoliko GeV po nukleonu. U ispitivanjima strukture atoma, hemiji, kondenzovanom stanju materije, biologiji i tehnici koriste se koherentni UV i rentgenski zraci koje emituju visokoenergetski elektroni koji se naglo uspore na nekoj meti (sinhrotronsko zračenje). Kao izvori ovakvih elektrona koriste se betatroni. Ovi uređaji imaju primenu i u industriji, posebno u nekim postupcima obrade materijala.

Jonski implanter, instrument koji se koristi za dopiranje poluprovodničkih kristala, za proizvodnju mikroelektronskih komponenti i naprava (narastanje dopiranih oblasti na balk poluprovodnika, tranzistorskih elektroda, oblasti u kojima dominira neki drugi poluprovodnički materijal vrši se jonskim implanterom), obradu metala i površina raznih materijala, zapravo je niskoenergetski akcelerator. Primenjuje se u istraživačkim laboratorijama i u direktnoj proizvodnji. Teška jezgra ubrzana na energije ispod GeV po nukleonu, kao i UV i rendgenski zraci nastali sinhrotronskim zračenjem imaju značajnu ulogu u medicini. Ovde su široko rasporostranjeni linearni akceleratori, posebno u radioterapiji i radiohirurgiji. Oni najčešće ubrzavaju elektrone do energije od 6 MeV do 30 MeV Ovi elektroni mogu da se koriste direktno ili da se u sudarima sa metom proizvedu rendgenski zraci. Akceleratori se koriste i za proizvodnju izotopa (kraćeg ili dužeg vremena života) koji se dalje koriste u tehnologiji, farmaceutskoj industriji i medicini.

Očigledno je da su akceleratori odavno prešli iz sfere čisto istraživačkih mašina u oblast mašina koje se u industriji i medicini. Osim toga, izgradnju velikih savremenih akceleratora prati i brz razvoj novih materijala i novih tehnologija. Zbog toga je gradnja velikih akceleratorskih postrojenja uglavnom međunarodni projekat ili ga mogu izvesti samo velike i bogate zemlje. U skorije vreme veliki akceleratori napravljeni su u Nemačkoj (elektronprotonski kolajder HERA, čija komora u obliku kružnog prstena prečnika 6336 m elektrone ubrzava do 27,5 GeV a protone do 920 GeV), SAD, Japanu (elektron- pozitronski kolajder KEKB, izgrađen 1999. godine, cirkularni akcelerator prečnika 3 km, pozitrone ubrzava do 8 GeV a elektrone do 3,5 GeV), ali i u Rusiji (dva nešto skromnija elektron-pozitronska kolajdera izgrađena u Novosibirsku: VEPP-4M izgrađen 1994. godine, cirkularni kolajder prečnika 366 m koji i elektrone i pozitrone ubrzava do 6 GeV i noviji VEPP-2000, izgrađen 2006. godine, takođe cirkularni kolajder prečnika 24 m koji elektrone i pozitrone ubrzava do 1,0 GeV) i Kini (BEPC, elektron-pozitronski kolajder prečnika 240 m, sagrađen 1989. godine, elektrone i pozitrone ubrzava do 2,2 GeV). Za razliku od velikih istraživačkih mašina, za manje industrijske akceleratore i akceleratore namenjene primeni u medicini u svetu rastu potrebe.

Dalibor Čavizović