elektringųjų dalelių greitintuvai

didysis hadronų greitintuvas

elektrngųjų dalẽlių greitintùvai, įrenginiai didelės kinetinės energijos elektringųjų dalelių (atomų branduolių, jonų, elektronų, protonų ir kitų elementariųjų dalelių) pluoštams gauti greitinant daleles nuolatiniu ar kintamuoju elektriniu lauku. Aukštosios įtampos greitintuvuose dalelės greitinamos elektriniu lauku naudojant aukštosios įtampos šaltinius. Rezonansiniuose greitintuvuose dalelės greitinamos aukšto dažnio kintamuoju elektriniu lauku tolydžio didinant jų energiją (energija suteikiama porcijomis).

Indukciniuose elektringųjų dalelių greitintuvuose daleles greitina sūkurinis elektrinis laukas, kuriamas kintamojo magnetinio lauko. Pagal dalelių trajektorijos formą elektringųjų dalelių greitintuvai yra tiesiniai (greitinamosios dalelės juda tiesia trajektorija) ir cikliniai (dalelės juda spiraline arba apskrita trajektorija magnetiniam laukui keičiant dalelių skriejimo kryptį). Elektringųjų dalelių greitintuvai t. p. skiriami pagal greitinamąsias daleles (elektronų, protonų ir kiti greitintuvai), jų pluošto fokusavimo būdą (vienalytės ir kintamojo ženklo fokusuotės greitintuvai) ir kitus požymius. Svarbiausi aukštosios įtampos elektringųjų dalelių greitintuvai yra elektrostatinis greitintuvas su Van de Graaffo generatoriumi (pirmasis sukurtas 1931), greitintuvas su pakopiniu generatoriumi (tokiu elektringųjų dalelių greitintuvu pagreitintais protonais J. D. Cockcroftas ir E. Th. S. Waltonas 1932 sukėlė branduolinę reakciją) ir tandeminis greitintuvas (jame to paties aukštosios įtampos šaltinio elektrinis laukas greitina du kartus: iš pradžių neigiamuosius jonus, po to, nuo jų atplėšus elektronus, greitina teigiamąsias daleles). Aukštosios įtampos greitintuvais dalelės pagreitinamos iki kelių arba kelių dešimčių MeV energijos, palyginti su kitais elektringųjų dalelių greitintuvais, jiems būdinga maža pagreitintų dalelių energijos sklaida. Iki didesnės energijos dalelės greitinamos cikliniais ir tiesiniais rezonansiniais greitintuvais. Visų ciklinių ir rezonansinių elektringųjų dalelių greitintuvų prototipas yra ciklotronas (jo idėją 1929 iškėlė ir pirmąjį ciklotroną 1931 sukūrė E. O. Lawrence’as Kalifornijos universitete, Jungtinės Amerikos Valstijos). Ciklotrono veikimas grindžiamas tuo, kad nereliatyvistiniu greičiu judanti dalelė nuolatiniame elektriniame lauke, statmename dalelės judėjimo krypčiai, skrieja apskritimine trajektorija pastoviu, vadinamu ciklotroniniu, dažniu, kuris nepriklauso nuo dalelės energijos (jai didėjant didėja tik trajektorijos apskritimo spindulys). Ciklotrono vakuuminėje greitinimo kameroje, esančioje tarp elektromagneto polių, yra du perpjauto tuščiavidurio disko formos elektrodai (duantai), pjūvio pusėje esančiomis angomis nukreipti vienas į kitą ir prijungti prie aukšto dažnio (apie 10 MHz), lygaus ciklotroniniam dažniui, elektrinės įtampos generatoriaus. Duantų viduje apskritiminėmis trajektorijomis sinchroniškai su elektrinio lauko kitimu skrieja greitinamos dalelės. Jų energija didinama daug kartų, t. y. kiekvieną kartą joms skriejant per tarpą tarp elektrodų, kai tarp elektrodų yra greitinamasis elektrinis laukas. Greitinamojo elektrinio lauko dažnis ir magnetinio lauko stipris yra pastovūs, todėl ciklotronu dalelės gali būti pagreitinamos tik iki nereliatyvistinio greičio (t. y. daug mažesnio už šviesos greitį vakuume), vadinasi, nėra tokio reliatyvistinio masės padidėjimo, kuris sutrikdytų dalelių judėjimo ir elektrinio lauko kitimo sinchroniškumą. Ciklotronais greitinami protonai ir kitos didelės masės dalelės. Didžiausia pagreitintų protonų energija apie 30 MeV. Dėl spartaus reliatyvistinio elektronų masės didėjimo ciklotronai netinka elektronams greitinti. Reliatyvistiniam masės didėjimui kompensuoti naudojami įvairūs būdai: greitinimo metu keičiamas elektrinio lauko dažnis (sinchrociklotrone, arba fazotrone), magnetinio lauko stipris. Izochroninių ciklotronų magnetinis laukas stiprėja didėjant dalelės orbitos spinduliui ir sudėtingai kinta azimuto kryptimi, jais galima greitinti daleles iki reliatyvistinių greičių, pvz., gauti iki 1000 MeV energijos protonų pluoštus. Dar didesnės energijos dalelėms gauti naudojami žiedo formos greitintuvai be magneto žiedo viduryje, į juos injektuojamos iki tam tikros pradinės energijos pagreitintos dalelės (sinchrotronas elektronams greitinti, sinchrofazotronas ir protonų sinchrotronas protonams greitinti; sinchrotrone greitinimo metu kinta magnetinis laukas ir elektrinio lauko dažnis). Elektronų energijos didinimą sinchrotronu iki kelių GeV ir daugiau labai riboja didėjantys energijos nuostoliai dėl sinchrotroninio spinduliavimo. Šito trūkumo neturi tiesiniai rezonansiniai elektronų greitintuvai. Mažesnės energijos elektronų greitintuvai yra ciklinis indukcinis greitintuvas – betatronas – ir ciklinis rezonansinis greitintuvas – mikrotronas. Atsiranda naujų greitinimo būdų. Naudojami kolektyviniai elektringųjų dalelių greitinimo metodai, kai daleles greitina ne išorinis elektrinis laukas, o kitų elektringųjų dalelių telkiniai, pvz., reliatyvistinių elektronų pluoštas, plazminė banga. Didžiausi greitinimo įrenginiai yra Europos branduolinių tyrimų centre (CERN) Šveicarijoje ir Jungtinių Amerikos Valstijų Nacionalinė E. Fermi laboratorijoje Batavijoje, prie Čikagos. Tai suderintai veikiančių ir iki vis didesnės energijos daleles greitinančių elektringųjų dalelių greitintuvų sistemos, kuriose sukuriami, laikomi (kaupimo žieduose), greitinami bei naudojami ir gamtoje nesančių dalelių (antiprotonų, pozitronų) pluoštai. Naudojant elektringųjų dalelių greitintuvus su priešiniais dalelių pluoštais (vadinamais kolaiderius) galima tirti labai pagreitintų dalelių sąveiką visai dalelių kinetinei energijai tampant jų sąveikos energija ir išvengiant nuostolių dėl masės centro judėjimo. Tiesiniais elektringųjų dalelių greitintuvais elektronai ir protonai pagreitinami iki 6,5 TeV. Vis didesnės energijos elektringųjų dalelių greitintuvų kūrimo pagrindinis tikslas yra materijos sandaros pažinimas ir naujų mokslo ir technologijos naudojimo galimybių atskleidimas.

Pirmieji elektringųjų dalelių greitintuvai buvo gana nedideli laboratoriniai prietaisai (pirmasis ciklotronas buvo 28 cm skersmens), didieji šiuolaikiniai elektringųjų dalelių greitintuvai yra sudėtingi įrenginiai, kuriuose taikomi naujausi technologijos laimėjimai – CERN didysis protonų kolaideris pastatytas 27 km ilgio tunelyje, 175 m gylyje, kuriame magnetinis laukas kuriamas daugiau kaip 1300 skystuoju heliu aušinamais superlaidžiaisiais elektromagnetais. Didieji elektringųjų dalelių greitintuvai yra unikalūs įrenginiai, įvairios mažesnės energijos elektringųjų dalelių greitintuvai gana plačiai paplitę. Naudojami atomo branduolio, elementariųjų dalelių fizikos, sąveikos labai mažais atstumais tyrimams, įvairios paskirties izotopams gaminti, įvairių sričių (mikroelektronikos, chemijos, farmacijos, medicinos, žemės ūkio) technologijose.

2489