Επιταχυντές: Οι Τεχνολογίες και οι Χρήσεις τους Γιώργος Φανουράκης Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ηµόκριτος
Πως Βλέπουµε? Το φως ανακλάται (σκεδάζεται) στο αντικείµενο και εισέρχεται στα µάτια µας Ο εγκέφαλος επεξεργάζεται και ερµηνεύει τα οπτικά ερεθίσµατα x γ 25 cm γ 0.61 λ/n α Για n1.33 (υαλώδες υγρό), λ500 nm, ακτίνα κόρης α4 mm, γ 57x10-6 rad x14 µm Κύτταρα (~10µm) σαν κουκκίδες
Το µικροσκόπιο 2θ x 0.61 λ n sinθ Για n1.5, θ70 ο, λ500 nm x 0.3 µm 216 nm ~λ/2 Η διακριτική ικανότητα ανάλογη του λ!! ιακρίνουµελεπτοµέρειες στα κύτταρα (~10µm) και στα βακτήρια (0.8-3µm)
Περισσότερη λεπτοµέρεια Γιαναδιακρίνουµε ένααντικείµενο διάστασης r χρειαζόµαστε ακτινοβολία µήκους κύµατος λ <r Το ορατό φως προέρχεται από ατοµικές µεταβάσεις: Η ενέργεια ενός κβάντου φωτός (Planck) Ε h ν h 1 T E h c λ 1eV 1.6 10 19 Joule λ h c E h p 3 1.24 10 ev nm E (σε ev) Το µέσο του ορατού φάσµατος λ 500 nm Ε ~ 2.48 ev Αν χρησιµοποιήσουµε µικρότερου µήκους κύµατος φως, θα δούµε περισσότερηλεπτοµέρεια.
p p y y y z p y y h 2 Η αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg λ h p y λ
Περισσότερη λεπτοµέρεια Πως όµως θα µπορέσουµε ναπαρατηρήσουµεπιο µικρά αντικείµενα, όπως ιούς (17-300 nm) ;;;;;; Ο De Broglie έκανε την σύνδεση σωµάτιο-κύµακαιισχυρίστηκε πως: ένα υλικό σωµατίδιο είναι ένα κύµα µε λ h/p Ένα ηλεκτρόνιο µε ταχύτητα ~1% της ταχύτητας του φωτός έχει λ 0.7 nm
Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σκελετός µονοκύταρου οργανισµού Radiolaria (στο πλαγκτόν) x750 Ενέργειες kev Λέπια πεταλούδας σκόρου Cecropia x350, x15,000
Ακόµη µεγαλύτερη λεπτοµέρεια ; Ισχυρότεροι ; Επιταχυντές Σωµατιδίων Ενέργειες GeV λ 1 fm (10-15 m) Ενέργεια 14 TeV λ < 10-19 m µεγάλη ενέργεια δυνατότητα παραγωγής σωµατιδίων µε µεγάλη µάζα (Εmc 2 )
Ηδοµή της Ύλης ;? 10-15 m <10-18 m 10-10 m εν υπάρχει ένδειξη περαιτέρω δοµής 10-14 m
Οπιογνωστός(γραµµικός) επιταχυντής σωµατιδίων Η ενέργεια των ηλεκτρονίων είναι περίπου 20keV
Είδη Επιταχυντών Γραµµικοί Κυκλικοί Van de Graaf Cockroft-Walton (Radio Frequency Quadrupole - RFQ Drift Tube Linac -DTL Κύκλοτρον Συγχροκύκλοτρον Βήτατρον Μίκροτρον Σύγχροτρον
Van der Graaf Ηλεκτρόνια αφαιρούνται από την ζώνη στο κάτω µέρος µε εκκένωση κορώνας. Το θετικό φορτίο κινείται στον σφαιρικό θόλο όπου ηλεκτρόνια εξάγονται πάλι µε εκκένωση κορώνας. Ο θόλος φορτίζεται µε τάση εκατοµµυρίων Βολτ (10MV) Γίνεται χρήση της υψηλής τάσης για επιτάχυνση σωµατιδίων
Cockroft-Walton Αέριο υδρογόνο ιονίζεται και παράγει αρνητικά ιόντα (δύο ηλεκτρόνια και ένα πρωτόνιο) Τα ιόντα επιταχύνονται από θετικό δυναµικό µέχρι ενέργειες 750 kev (~30 φορές την ενέργεια της ηλεκτρονικής δέσµης σε µια τηλεόραση)
ΟεπιταχυντήςTandem Στον επιταχυντή Tandem αφού παραχθούν θετικά ιόντα σε µια ή περισσότερες πηγές ιόντων, αυτά επιταχύνονται σε δύο στάδια: Το πρώτο επιταχύνει αρνητικά ιόντα µέχρι το µέσο του όγκου του επιταχυντή. Εκεί απαλλάσσονται από τα ηλεκτρόνια τους περνώντας από πολύ λεπτά φύλλα άνθρακα. Στο δεύτερο στάδιο τα θετικά ιόντα σπρώχνονται από το ηλεκτρικό πεδίο προς το τέλος του όγκου. Η συνολική επιτάχυνση εξαρτάται από το φορτίο των ιόντων και την τάση του επιταχυντή: Συνολική ενέργεια q(1) x V+ q(2)x V
ΟεπιταχυντήςTandem του ΙΠΦ 5.5 ΜV + + Α + + C D Ε Β + Scale 1m +
Ο Επιταχυντής TANDEM του ΙΠΦ
Η διάταξη του εργαστηρίου Tandem
ΟΓραµµικός Επιταχυντής + + - - + + - - - - + + - - + + + + - - + + - - - - + + - - + + Σωλήνες ολίσθησης
ΟΓραµµικός Επιταχυντής του Fermilab Ένας γραµµικός επιταχυντής χρησιµοποιείται σαν δεύτερο στάδιο επιτάχυνσης στον επιταχυντή Τέβατρον του Fermilab. Αρνητικά ιόντα υδρογόνου επιταχύνονται µε ένα Cockroft-Walton επιταχυντή στα 750 kev και µετά µπαίνουν σε γραµµικό επιταχυντή (150 µέτρα µήκος) όπου εναλλασσόµενα ηλεκτρικά πεδία τα επιταχύνουν στα 400 MeV.. Πριν πάνε στο επόµενο στάδιο τα αρνητικά ιόντα διέρχονται από φύλλο άνθρακα τους αφαιρεί τα ηλεκτρόνια, οπότε µένουν µόνο θετικά φορτισµένα πρωτόνια.
Το Κύκλοτρο οπρώτοςκυκλικόςεπιταχυντής µεταλλικά D v max q B R m Μαγνητικό πεδίο Β 1 2 ( q B R) E max 2 mv υψηλή τάση (εναλλασσόµενη) E κιν q U r F q ( r r κενό v B) επιτάχυνσης m v r 2 q B πρωτόνια v Fk m r max t S v 2 m 2 π r v π q m B t ~10 MeV ( B0.5Τ και R0.3m)
Όταν αυξάνονται οι ταχύτητες... r m v q B p q B εν αλλάζει στις σχετικιστικές ταχύτητες t π q m B ν ω 2π 1 t q B 2 π m ν q B 2 π m γ Καθώς η ταχύτητα αυξάνει πρέπει να ελαττώσουµε την συχνότητα συγχροκύκλοτρον ήπροτιµούµενακρατήσουµε την ακτίνα σταθερή αυξάνουµε το µαγνητικό πεδίο σύγχροτρον
Το Βήτατρον Έστω ένας ηλεκτροµαγνήτης που δηµιουργεί µαγνητικό πεδίο (νόµος του Ampere): Η µαγνητική ροή που θα διέρχεται από κύκλο ακτίνας R είναι: φπr 2 B, όπου Β η µέση µαγνητική επαγωγή. Εάν η ροή (το µαγνητικό πεδίο δηλαδή) µεταβάλλεται µε το χρόνο, ένα ηλεκτρόνιο που κάνει τον κύκλο θα δέχεται δύναµη: V (-e) d φ F ee ( e) 2 π R 2 π R dt 1 2 er db dt Εάντοπεδίοστοκενότουηλεκτροµαγνήτη είναι Β g, επειδή Fdp/dt και rp/eb F dp dbg 1 er B B dt dt g 2 ΗσυνθήκηΒήτατρον
Το πρώτο Βήτατρον Ο καθηγητής Donald Kerst έφτιαξε τον πρώτο επιταχυντής στον κόσµο που χρησιµοποιούσε µαγνητική επαγωγή, στο Πανεπιστήµιο του Illinois το 1940.
Πως χρησιµοποιούνται οι επιταχυντές στην Σωµατιδιακή Φυσική
γραµµικοί επιταχυντές κυκλικοί σταθερού στόχου κυκλικοί συγκρουόµενων δεσµών
ΟΕπιταχυντήςLEP Ηενέργειατωνηλεκτρονίωνκαιποζιτρονίωνήτανπερίπου100GeV
CERN Το Ευρωπαϊκό Ερευνητικό Εργαστήριο για την Σωµατιδιακή Φυσική στην Γενεύη. LHC
LEP
Συγκρούσεις Ηλεκτρονίων - Ποζιτρονίων Η εξαϋλωση παράγει Ενέργεια µίνι Big Bang γ γ e - e + Ηλεκτρόνιο (ύλη) E mc 2 γ γ Ποζιτρόνιο (αντιύλη) Παράγονται σωµατίδια και αντισωµατίδια
LHC
Συγκρούσεις Πρωτονίων-Πρωτονίων Παράγονται σωµατίδια και αντισωµατίδια γ γ p πρωτόνιο γ E mc 2 γ p πρωτόνιο Ηδιαθέσιµη ενέργειαείναι15 TeV!!!
Χρήσεις των επιταχυντών Οι πιο συνήθεις χρήσεις των επιταχυντών περιλαµβάνουν: Ιατρικές εφαρµογές: π.χ. διάγνωση και θεραπεία καρκίνου Στην έρευνα µεταλλεύµατος και πετρελαίου, χρησιµοποιώντας νετρόνια παραγόµενα µε µικρούς επιταχυντές. Φορτισµένες δέσµες για διαµόρφωση τσιπς ηµιαγωγών. Ισχυρές πηγές ακτίνων Χ για αποστέιρωση ιατρικού εξοπλισµού και τροφίµων. Φορτισµένες δέσµες για ανάλυση υλικών και παραγωγή ισοτόπων. Χρονολόγηση ραδιοάνθρακα.
Χρήσεις των επιταχυντών World wide inventory of accelerators, in total 15,000. The data have been collected by W. Scarf and W. Wiesczycka (See U. Amaldi Europhysics News, June 31, 2000) Category Ion implanters and surface modifications Accelerators in industry Accelerators in non-nuclear research Radiotherapy Medical isotopes production Hadron therapy Synchrotron radiation sources Nuclear and particle physics research Number 7,000 1,500 1,000 5,000 200 20 70 110
Ηδέσµη ιόντωντουtandem του Ι.Π.Φ. χρησιµοποιείται σε: Πειράµατα Πυρηνικής Φυσικής και Αστροφυσικής. Ερευνητές του ΙΠΦ και συνεργάτες από Πανεπιστήµια της Ελλάδας και του εξωτερικού σχεδιάζουν και εκτελούν πειράµατα όπου µελετώνται ενδιαφέρουσες, από πλευράς πυρηνικής φυσικής και αστροφυσικής, πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Π.χ. Μετρήσεις των αντιδράσεων 19 F(p,γ) 16 O και 27 Al(p,γ) 28 Si σε ενέργειες 0.2-3.6 MeV και 0.2-2 MeV (σχετικές µε τους κύκλους CNO και Mg-Al) Πειράµατα Βιοφυσικής. ιάφορα πειράµατα σε συνεργασία µε το ινστιτούτο Βιολογίας για την µελέτη των επιπτώσεων της ακτινοβολίας σε βιολογικά συστήµατα και το DNA. Εφαρµογές στην Φυσική Στερεού. Τεχνικές όπως το PIXE και το RBS εφαρµόζονται για να εξάγουµε πληροφορίες για την δοµή και σύσταση υλικών όπως και για την µελέτη των κρυσταλλικών ανωµαλιών που δηµιουργούνται µε τηνακτινοβόλησηυλικών.
Χρήση του Βήτατρον στη ραδιογραφία The need for a compact yet portable X-Ray device in the oil and gas and other industries was found to be needed due to the use of thicker and more dense materials. The Portable Betatron is a compact circular electron accelerator producing a high energy directional x-ray beam. It contains no moving parts except small airflow fans, and no circulating liquids, the Betatron is easy to assemble, operate and maintain, and is far less costly than other NDT accelerators such as Linacs. The Betatron produces radiographs of very high contrast, sensitivity and resolution, meeting the tightest inspection standards. It replaces Cobalt-60 Gamma isotope sources, which may not give acceptable quality levels and require costly replenishment. Radiation levels outside the main beam are low so safe working distances are moderate. After demarcation of dose rate boundaries, the Betatron may be used at external sites or in fabrication shops with little or no additional shielding. The Betatron is capable of producing high quality radiographic inspections on many items thought impractical utilizing any method of NDE. Due to its portability the Betatron can easily be transported and maintained at most any work site. The following is a short list of the many items and components inspected utilizing the Portable Betatron at there respective work site: Large Forgings, castings, valves, beams, ship s hulls, pressure vessels, engine blocks, billets, thick welds, dense metals, composites, military hardware, munitions/propellants, reinforced concrete buildings and bridges. The Betatron has been utilized at gas processing facilities to determine the rate or rates of internal erosion/corrosion on heavy walled valves and fittings, up to 12" in thickness, during regular operational hours. This resulted in no down time on behalf of the operator and determined the validity of process components.