Akcelerator liniowy

Akcelerator liniowy- zwany często „liniakiem” (LINAC - LINear ACcelerator) akcelerator, w którym cząstka przyspieszana porusza się po linii prostej. Zmniejsza to straty energii na promieniowanie elektromagnetyczne występujące przy zakrzywieniu toru cząstki naładowanej.
Rozróznia się akceleratory liniowe z przyspieszającym napięciem wielkiej częstotliwości oraz akceleratory liniowe ze stałym napięciem przyspieszającym.


Akcelerator liniowy z przyspieszającym napięciem wielkiej częstotliwości

1.Akcelerator liniowy wysokiej częstotliwości z falą bieżącą. W akceleratorze tym do przyspieszania cząstek o prędkości bliskiej prędkości światła (przeważnie elektronów) wykorzystuje się bieżącą fale elektromagnetyczną. Taka fala powstaje w falowodzie, gdy oporność falowodu na jego końcu wywołuje pochłanianie fali rozchodzącej się bez odbicia. Wektor pola elektr. Fali porusza się z prędkością fazową wzdłuż osi akceleratora.





Rys.1 Schemat układu przysłon falowodu akceleratora liniowego wielkiej częstotliwości z falą bieżącą.

Jeśli cząstka porusza się synchronicznie (z prędkością równa prędkości fazowej rozchodzenia się fali), to podlega ona stale przyspieszaniu w kierunku osi falowodu. W zwykłych falowodach o ściankach głdkich prędkość fazowa rozchodzenia się fali jest większa od prędkości światła i dlatego zawsze jest większa od prędkości cząstki. Prędkość fazową w falowodzie można regulować przez zastosowanie układu przesłon takiego jak na rys.1. elektrony wchodzące do akceleratora muszą mieć energię kilkuset keV(kiloelektronowolt), aby mogły

podlegać dalszemu przyspieszeniu. Istotną cecha akceleratora tego typu jest brak ograniczenia energii przyspieszanych cząstek. W Stanford (USA) został zbudowany liniowy akcelerator o energii 20 GeV (gigaelektronowolt), (przewiduje się zwiększenie energii do 40GeV). Długość jego wynosi 3 km.


2.Akcelerator liniowy wysokiej częstotliwości z falą stojącą stosowany jest do przyspieszania protonów lub ciężkich jonów. Zasadę pracy tego akceleratora wyjaśnia rys.2. cząstka porusza się po linii prostej i na odcinkach między elektrodami jest przyspieszana w polu elektr. wysokiej częstotliwości. Aby na cząstkę nie działało pole hamujące, cząstka w części pola ekranowana jest przez elektrody przelotowe, wewnątrz których nie ma pola elektr. długość i rozmieszczenie elektrod przelotowych są tak dobrane, że gdy pole przyspieszające ma kierunek prędkości cząstki, znajduje się ona między elektrodami, natomiast w półokresie, w którym pole działa hamująco, cząstka znajduje się wewnątrz rur. Pole przyspieszające można wytworzyć różnymi sposobami . W początkowym okresie rozwoju tej techniki elektrody przyspieszające łączono z zaciskami generatora wielkiej częstotliwości, tak jak na rys.2




Akceleratory liniowe ze stałym napięciem przyspieszającym


1.Generator kaskadowy Cockcrofta-Waltona- jest to pierwszy historycznie typ akceleratora, użyty przez Cockcrofta i Waltona do przyśpieszenia protonów, za pomocą których przeprowadzili oni rozbicie jądra litu w reakcji 7Li(p,a)4He. Składa się on z kilku jednostek prostowniczych pracujących w układzie Greinachera. Maksymalne napięcie przyśpieszające w tego typu generatorach nie przekracza 1.5 MV. Chociaż w pierwszym generatorze tego rodzaju, zastosowanym do badań w dziedzinie fizyki jądrowej, napięcie przyśpieszające było o wiele mniejsze, sprawdzono za jego pomocą słuszność trzech niezwykle doniosłych przewidywań. Po pierwsze, stwierdzono, że w wyniku bombardowania przyśpieszonymi cząstkami jąder pewnych pierwiastków można spowodować rozbicie tych jąder na fragmenty. Następnie stwierdzono słuszność prawa Einsteina E=mc2 przez porównanie obliczonej wartości defektu masy cząstek wejściowych i wyjściowych reakcji z wyzwoloną energią kinetyczną produktów reakcji. Po trzecie, stwierdzono, że przenikanie cząstek bombardujących przez wał potencjału jądra odbywa się na innych zasadach, niż przewidywała to elektrodynamika klasyczna.



2.Akcelerator elektrostatyczny Van de Graffa- akcelerator liniowy, w którym do przyspieszania cząstek (elektronów, protonów, ciężkich jonów) stosuje się pole elektrostatyczne. Cząstka o ładunku elektr. Ze (Z- liczba atomowa, e- ładunek elementarny) przechodząc w polu elektr. między punktami o różnicy potencjału U doznaje przyrostu energii

E = Uze

W pierwszym historycznie akceleratorze linoniowym elektrostatycznym Cockrofta-Waltona napięcie to uzyskiwano z elektr. generatora kaskadowego. Obecnie szerzej stosuje się akcelerator liniowy elektrostatyczny van de Graffa, w którym stałe napięcie (rzędu kilku MV) uzyskuje się przez elektrostatyczne ładowanie kuli metalowej (elektroda zbiorcza) ładunkami przenoszonymi z naładowanego ostrza przez ruchomą taśmę, wykonaną z materiału izolacyjnego


3. Tandem- jest to akcelerator typu Van de Graffa, w którym uzyskuje się podwojenie energii w stosunku do klasycznego akceleratora Van de Graffa dzięki zmianie ładunku cząstki w trakcie procesu przyspieszania. Rys.4 ilustruje zasadę działania tandemu dwustopniowego. Wiązka dodatnich jonów znajdującego się na zewnątrz akceleratora przechodzi przez kanał z gazem pod niskiw cisnieniem. W wyniku odziaływania z cząstkami gazu jony przyłączją po dwa elektrony. Wytworzone w ten sposób jony ujemne odchylane są w analizatorze magnetycznym, dzięki czemu tylko jony o określonym stosunku są wstrzyknięte do rury akceleracyjnej. Jony te przyspieszane są do potencjału elektrody dodatniej, utrzymywanego przez zwykły układ ładowania akceleratora Van de Graffa (elektroda ujemna jest uziemiana). Tu wewnatrz elektrody, jony jony ujemne przechodzą przez nowy kanał „zdzierający” (gaz lub cienka folia metalowa), gdzie pozbawione są elementów i przeładowywane na jony dodatnie. Po wyjściu z kanału jony te mogą być dalej przyspieszane w drugiej rurze akceleracyjnej. W ten sposób wytwoprzone napięcie Uo jest wykorzystane dwukrotnie do nadania cząstkom energii 2eUo. Wiązka jonów dodatnich przechodzi po wyjściu przez pole magnesu zmieniający kierunek wiązki o 90o, skierowuje ją do magnesu rozdzielającego, skąd trafia na poszczególne stanowiska doświadczalne. Akceleratory typu tandem dwu- i wielostopniowe umożliwiają uzyskiwanie cząstek pojedynczo naładowanych o energiach rzędu dwudziestu i więcej MV.