شتاب دهنده ذرات چیست و چگونه کار می کند؟

شتاب دهنده ذرات چیست و چگونه کار می کند؟

برخورد دهنده اتمی یا شتاب دهنده ذرات (particle accelerators) چیست؟

برخورد دهنده های اتم که به عنوان شتاب دهنده ذرات نیز شناخته می شوند، دستگاه های قدرتمندی هستند که از میدان های الکترومغناطیسی برای به حرکت درآوردن ذرات باردار زیر اتمی به سمت انرژی های بالاتر استفاده می کنند. این ماشین‌ها در پروژه های علمی مختلف، از کشف اسرار جهان تا کاربردهای عملی در پزشکی و صنعت، نقش مهمی دارند.

چند نوع شتاب دهنده ذرات وجود دارد؟

دو نوع اصلی شتاب دهنده ذرات وجود دارد: سیکلوترون ها و شتاب دهنده های خطی.

سیکلوترون چگونه کار می کند؟

یک سیکلوترون از ولتاژهای متناوب با فرکانس بالا برای شتاب بخشیدن به ذرات در مسیرهای مارپیچی درون شتاب دهنده استفاده می کند. سپس این ذرات شتاب‌دار به سمت هدف هدایت می‌شوند که منجر به واکنش‌های هسته‌ای و تولید جریان‌های ذرات می‌شود. در حالی که زمانی عمدتاً برای مطالعه ذرات زیراتمی کوتاه مدت استفاده می شد، سیکلوترون ها اکنون در درمان سرطان و تولید ایزوتوپ های ساطع کننده پوزیترون برای اهداف پزشکی استفاده می شوند.

شتاب دهنده های خطی چطور؟

در مقابل، شتاب‌دهنده‌های خطی (linacs) ذرات یا یون‌های اتمی را به سرعت بالا در یک خط مستقیم در یک محفظه تخلیه می‌برند. این شتاب از طریق الکترودهای تامین شده با انرژی الکتریکی با فرکانس بالا در ولتاژهای بالا حاصل می شود. مسیر خطی یک Linac در مقایسه با مسیر دایره ای یک سیکلوترون از نظر انرژی مزایایی دارد. Linacها معمولاً در محیط‌های پزشکی برای تولید پرتوهای الکترونی پرانرژی برای درمان بیماری‌هایی مانند سرطان استفاده می‌شوند.

برخورد دهنده یون سنگین نسبیتی
نمای پایانی برخورد دو پرتو طلا در برخورد دهنده یون سنگین نسبیتی.

برخورد دهنده های اتم (Atom Smashers) یا شتاب دهنده های ذرات، ابزارهای قابل توجهی هستند که به پیشرفت در علم و فناوری ادامه می دهند. چه کشف اسرار کیهان و چه ارائه درمان های پزشکی دقیق، این ماشین ها قابلیت های باورنکردنی نبوغ انسان را به نمایش می گذارند.

در تلاش برای درک اجزای سازنده ماده، دانشمندان مدت‌هاست که اتم‌ها را به هم برخورد می دهند. اما این فرآیند چگونه کار می کند و اجزای کلیدی یک شتاب دهنده ذرات چیست؟

رونمایی از اسرار ماده

در دهه ۱۹۳۰، دانشمندان رازهای پرتوهای کیهانی را کشف کردند و متوجه شدند که وقتی این ذرات پرانرژی با اتم ها برخورد می کنند، ذرات کوچکتری آزاد می شوند. این کشف منجر به درک این موضوع شد که اتم ها تقسیم ناپذیر نیستند، بلکه شامل ذرات کوچکتر و بنیادی هستند. بنابراین شکار این بلوک های ساختمانی اساسی آغاز شد.

برخورد دهنده یون سنگین نسبیتی
نمای جانبی برخورد دو پرتو طلا در برخورد دهنده یون سنگین نسبیتی

در ابتدا، آزمایش‌هایی که شامل ذرات و اتم‌های بسیار پرانرژی بود، در بالای کوه‌ها انجام شد، جایی که پرتوهای کیهانی در آنجا شایع‌تر بودند. با این حال، ظهور شتاب دهنده های ذرات انقلابی در این زمینه ایجاد کرد و به دانشمندان اجازه داد تا این برخوردها را در محیط های کنترل شده آزمایشگاه تکرار کنند.

شتاب دهنده ذرات چگونه کار می کند؟

ساختار particle accelerator

باور کنید یا نه، یک شتاب دهنده ذرات در خانه خود دارید: لوله اشعه کاتدی تلویزیون (CRT) های قدیمی. مشابه شتاب‌دهنده‌های بزرگ‌تر، CRT‌ها الکترون‌ها را شتاب می‌دهند و آنها را روی مولکول‌های فسفر هدایت می‌کنند و تصاویری را که روی صفحه نمایش می‌بینید تولید می‌کنند.

شتاب دهنده های خطی در مقابل دایره ای

شتاب دهنده های ذرات در دو نوع اصلی وجود دارند: خطی و دایره ای. شتاب دهنده های خطی ذرات را به سمت مسیر مستقیم هدایت می کنند، در حالی که شتاب دهنده های دایره ای ذرات را در اطراف یک مسیر حلقه ای شکل به گردش در می آورند. هر دو نوع به یک هدف می رسند: شتاب دادن ذرات به سرعت های بالا.

عملکرد درونی شتاب دهنده های ذرات

همه شتاب دهنده های ذرات دارای اجزای مشترک هستند:

  • منبع ذرات: ذرات مورد نیاز برای شتاب دهی را فراهم می کند.
  • لوله مسی: پرتو ذرات را در خلاء هدایت می کند.
  • Klystrons: تولید امواج مایکروویو برای تسریع حرکت ذرات.
  • آهنرباها : پرتو ذرات را محدود و متمرکز می کند.
  • هدف: اجسامی که ذرات شتابدار با آنها برخورد می کنند.
  • آشکارسازها : داده های مربوط به نتایج برخورد را ضبط می کند.

 بررسی شتاب دهنده های خطی

شتاب‌دهنده خطی SLAC
نمای هوایی شتاب‌دهنده خطی SLAC: شتاب‌دهنده خطی SLAC زیرزمینی است و به رنگ سفید ترسیم شده است.

در شتاب دهنده های خطی مانند SLAC، ذرات از یک منبع ساطع می شوند، از طریق یک لوله مسی توسط امواج مایکروویو تولید شده توسط کلیسترون ها شتاب می گیرند و به سمت اهداف برای برخورد هدایت می شوند. آهنرباها در امتداد لوله، پرتو ذرات را کاملاً متمرکز نگه می دارند.

 کاوش در شتاب دهنده های دایره ای

نمودار شماتیک یک سیکلوترون
نمای شماتیک یک سیکلوترون

شتاب دهنده های دایره ای مشابه شتاب دهنده های خطی عمل می کنند اما از یک مسیر حلقه ای شکل استفاده می کنند. آهنرباهای درون حلقه، ذرات را در اطراف چندین گذر هدایت می کند و به تدریج سرعت آنها را افزایش می دهد. شتاب‌دهنده‌های دایره‌ای مدرن، مانند Fermilab، ویژگی‌های اضافی را برای عملکرد بهتر در خود جای داده‌اند.

شتاب دهنده فرمی (فرمیلب)
نمای هوایی از آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فرمی (فرمیلب)

رونمایی از اسرار ماده

شتاب دهنده های ذرات نقشی محوری در کشف اسرار جهان ایفا کرده اند. دانشمندان با برخورد دادن اتم ها به یکدیگر، به کشف ذرات و نیروهای اساسی که جهان ما را شکل می دهند، ادامه می دهند.

درک سیستم های خلاء و خنک کننده در شتاب دهنده های ذرات

چرا سیستم های خلاء حیاتی هستند؟

حفظ خلاء در شتاب دهنده ها به دو دلیل اصلی ضروری است:

  1. جلوگیری از جرقه و اتلاف انرژی: امواج مایکروویو موجود در هوا می توانند باعث ایجاد جرقه، آسیب رساندن به موجبرها و ساختارهای شتاب دهنده شوند.
  2. جلوگیری از اتلاف انرژی: برخورد بین پرتو و مولکول های هوا می تواند منجر به اتلاف انرژی شود.

linac

پمپ های دوار چه کاربردی در سیستم شتاب دهنده ها دارند؟

ترکیبی از پمپ های دوار و تله های سرد سطح خلاء کم (یک میلیونم جو) را تضمین می کند. پمپ های چرخشی عملکردی مشابه فن ها دارند و هوا را از بین می برند، در حالی که تله های سرد با استفاده از گازهای مایع مانند نیتروژن، سطح خود را خنک می کنند تا مولکول های هوا و گرد و غبار را جذب و حذف کنند.

مدیریت گرما با سیستم های خنک کننده

نمودار شماتیک تفنگ الکترونی لیناک SLAC
نمودار شماتیک تفنگ الکترونی لیناک SLAC

جریان های الکتریکی که از لوله های مسی عبور می کنند گرمای قابل توجهی را در شتاب دهنده ها ایجاد می کنند. خنک سازی موثر برای موارد زیر حیاتی است:

حفره در لوله مسی
حفره در لوله مسی
  1.  جلوگیری از آسیب ساختاری: گرمای بیش از حد می تواند لوله مسی را ذوب کند و منجر به آسیب ساختاری شود.
  2.  نگهداری مهر و موم های خلاء: انبساط لوله های مسی ناشی از حرارت باعث شکستن مهر و موم های خلاء می شود.
نمودار کلیسترون، موجبر و لوله مسی لیناک
نمودار کلیسترون، موجبر و لوله مسی لیناک

Linac SLAC از لوله های آب خنک برای ساختار شتاب دهنده و آهنرباها استفاده می کند. آب خنک کننده برای دفع گرما به برج های خنک کننده بالای زمین منتقل می شود. آهنرباهای ابررسانا از نیتروژن مایع یا هلیوم برای خنک کردن استفاده می کنند، در حالی که مکان های زیرزمینی نوسانات دمایی فصلی را کاهش می دهند.

کاربرد آهنرباها، اهداف و آشکارسازها در شتاب دهنده های ذرات

چگونه آهنرباها پرتو ذرات را شکل می دهند؟

آهنرباها، چه آهنرباهای الکتریکی معمولی و چه ابررساناها، به صورت استراتژیک در امتداد لوله شتاب دهنده قرار می گیرند. وظیفه اصلی آنها محدود کردن و متمرکز کردن پرتو ذرات است. با چیدمان آهنرباها با قطب های مخالف، پرتو در امتداد یک مسیر باریک هدایت می شود و پتانسیل برخورد را در منطقه هدف افزایش می دهد.

اهداف در آزمایشات چه نقشی دارند؟

اهداف بسته به ماهیت آزمایش متفاوت است. آنها می توانند از ورقه های فلزی نازک تا تسهیل برخورد بین پرتوهای ذرات مختلف، مانند الکترون ها و پوزیترون ها، در آشکارسازها متغیر باشند.

آهن ربا
آهن ربا برای محدود کردن پرتو ذرات استفاده می شود.
آهن ربا ها
آهنرباها با قطب های مخالف مرتب شده اند تا پرتو ذرات را محدود کنند.

اهمیت آشکارسازها

آشکارسازها به عنوان اجزای حیاتی در شتاب دهنده ها قرار دارند و ذرات و تشعشعات را پس از برخورد می گیرند. این آشکارسازها در اشکال مختلف، از محفظه حباب و ابر گرفته تا آشکارسازهای الکترونیکی حالت جامد وجود دارند. به عنوان مثال، SLAC دارای آشکارساز بزرگ SLAC (SLD) است، یک دستگاه بشکه ای شکل عظیم با قابلیت های چند لایه.

ساختار آشکارساز SLD

آشکارساز SLD از لایه های مختلفی تشکیل شده است که هر کدام هدف مشخصی را انجام می دهند:

Inside SLD
Inside SLD
  1.  آشکارساز راس: موقعیت مسیرهای ذرات را مشخص می کند.
  2.  محفظه رانش: موقعیت ذرات باردار را ردیابی می کند و حرکت آنها را آشکار می کند.
  3.  آشکارساز Cerenkov: تشعشعات ساطع شده از ذرات با حرکت سریع را تشخیص می دهد و سرعت آنها را تعیین می کند.
  4. کالری سنج آرگون مایع: اکثر ذرات را متوقف می کند و انرژی آنها را اندازه گیری می کند.
  5.  گرماسنج آهن گرم: میون ها، نوعی ذره زیر اتمی را شناسایی می کند.
  6.  کویل مغناطیسی: دو کالریمتر را از هم جدا می کند.

نگهداری خلاء و سیستم های خنک کننده

سیستم های خلاء

شتاب دهنده ها برای جلوگیری از جرقه و اتلاف انرژی در اثر برخورد با مولکول های هوا به محیط خلاء نیاز دارند. پمپ‌های دوار و تله‌های سرد برای حفظ این سطح خلاء کم استفاده می‌شوند و عملکرد کارآمد را تضمین می‌کنند.

لوله های خنک کننده از طریق ساختار مسی لیناک
لوله های خنک کننده از طریق ساختار مسی لیناک

 سیستم های خنک کننده

گرمای قابل توجهی که توسط جریان های الکتریکی در لوله مسی شتاب دهنده ایجاد می شود، خنک سازی موثر را ضروری می کند. لوله های خنک شده با آب و آهنرباهای ابررسانا با استفاده از نیتروژن مایع یا هلیوم خنک می شوند و برج های خنک کننده و تاسیسات زیرزمینی عملکرد بهینه سیستم را تضمین می کنند.

لوله های خنک کننده از طریق آهنربا
لوله های خنک کننده از طریق آهنربا

 قدرت شتاب دهنده های ذرات: کامپیوتر و الکترونیک

چگونه کامپیوترها و الکترونیک عملکرد شتاب دهنده را تسهیل می کنند؟

نمای زاویه باز اتاق کنترل یک شتاب دهنده ذرات
نمای زاویه باز اتاق کنترل یک شتاب دهنده ذرات

رایانه ها و سیستم های الکترونیکی نقش های مختلفی را در شتاب دهنده های ذرات ایفا می کنند، از جمله:

  • کنترل تجهیزات: مدیریت منابع ذرات، کلیسترون ها و آهنرباهای مورد استفاده برای شتاب دهی.
  • بیم مانیتورینگ: نظارت مداوم بر فعالیت پرتو ها.
  • مدیریت داده: جمع آوری، ثبت و تجزیه و تحلیل داده های تجربی.
  • نظارت ایمنی: نظارت بر سیستم های ایمنی و شروع خاموشی های اضطراری در صورت لزوم.

شتاب دهنده های ذرات از ریزپردازنده های پرسرعت با حافظه و ذخیره سازی گسترده استفاده می کنند. این سیستم ها اغلب با هم شبکه می شوند و تجزیه و تحلیل داده ها گاهی به ابررایانه ها سپرده می شود.

 تضمین ایمنی شتاب دهنده های ذرات: محافظت، نظارت و منبع تغذیه

محافظت در برابر خطرات تشعشع

حلقه اصلی در داخل یک تونل بتنی در زیر زمین قرار دارد.
حلقه اصلی در داخل یک تونل بتنی در زیر زمین قرار دارد.

وجود محافظ به دلیل اتلاف انرژی و خطرات تشعشعی مرتبط با ذرات شتاب‌دار بسیار مهم است. سازه های شتاب دهنده اغلب در زیر زمین در داخل تونل های بتنی برای محافظت از محیط قرار می گیرند. اتاق های کنترل و کارگران نیز با بتن محافظت شده اند. آشکارسازهای تشعشع و نظارت مداوم کارگران ایمنی را بیشتر تضمین می کنند.

سیستم های مانیتورینگ

دوربین های مدار بسته و آشکارسازهای تشعشع در سراسر تأسیسات شتاب دهنده برای نظارت بر تجهیزات و سطوح تشعشع مستقر شده اند و از پرسنل و تجهیزات محافظت می کنند.

زیرساخت منبع تغذیه

شتاب دهنده های ذرات به برق قابل توجهی نیاز دارند که اغلب از شرکت های برق محلی یا ژنراتورهای در محل تامین می شود. حلقه‌های ذخیره‌سازی با حفظ پرتوهای شتاب‌دار در زمان عدم استفاده، به مدیریت مصرف انرژی کمک می‌کنند.

کشف اسرار زیراتمی: فرمیون ها، بوزون ها و نیروها

درباره ذرات زیراتمی چه آموخته ایم؟

مدل استاندارد اتم
مدل استاندارد اتم

فیزیکدانان اکتشافات قابل توجهی در مورد ساختار ماده از طریق شتاب دهنده ها انجام داده اند. این شامل:

  • فرمیون ها: ذرات زیر اتمی که ماده و پادماده را تشکیل می دهند که به لپتون ها و کوارک ها طبقه بندی می شوند.
  • بوزون: ذراتی که واسطه نیروهای اساسی مانند نیروهای هسته ای قوی و ضعیف، الکترومغناطیس و گرانش هستند.
  •  نگاه به آینده: جهت گیری های آینده در فیزیک ذرات

سوالات حل نشده و اکتشافات آینده

با وجود پیشرفت قابل توجه، چندین سوال در مدل استاندارد اتمی بی پاسخ مانده است:

  • جفت کوارک: وجود سه جفت کوارک سؤالاتی را در مورد لزوم وجود چند جفت برای تشکیل ماده ایجاد می کند.
  • جرم ذرات: منشا جرم ذرات، از جمله جرم اتم ها و ماده، همچنان یک راز باقی مانده است.
  • اختلاف جرم کوارک: درک اینکه چرا کوارک بالایی نسبت به کوارک های دیگر پرجرم تر است، یک چالش است.

با پرداختن به این سؤالات، تحقیقات آتی با هدف تعمیق درک ما از فیزیک ذرات و نیروهای اساسی حاکم بر جهان است.

howstuffworks

lindahall

cern

۰ ۰ رای ها
امتیازدهی به مقاله
اشتراک در
اطلاع از
guest
0 نظرات
بازخورد (Feedback) های اینلاین
مشاهده همه دیدگاه ها
www.novin.com
Generic selectors
Exact matches only
Search in title
Search in content
Post Type Selectors

شتاب دهنده ذرات چیست و چگونه کار می کند؟

فهرست