Parçacık hızlandırıcı

Kullanım alanları

Yüksek enerjili parçacık demetleri hem fen bilimlerindeki temel ve uygulamalı araştırmalarda hem de temel araştırmayla ilgisi olmayan birçok teknik ve sinai alanda yarar sağlamaktadır. Dünya çapında yaklaşık 26,000 hızlandırıcının varolduğu tahmin edilmekte. Bunların arasından, %44’ü radyoterapi, %41’i iyon yerleştime, %9’u sınai işlem ve araştırmalarda ve %4’ü biyomedikal ve diğer düşük enerji kullanımı gerektiren araştırmalarda kullanılırken, yalnızca yaklaşık %1’lik bir kısmı 1 milyar elektronvolt’un (GeV) üzerindeki araştırma makinelerini oluşturuyor.Yukarıdaki sütun grafiği, uygulamalarına göre endüstriyel hızlandırıcıların sayısının azalışını gösteriyor. Yukarıdaki sayılar sunum veya piyasa araştırmalarından, yayınlanmış üretim ve satış verilerinin yanı sıra birçok imalatçıdan alınmış verilerin de içinde bulunduğu çeşitli kaynaklardan elde edilmiş olan 2012 yılı istatistiklerine dayanmaktadır.

Yüksek enerji fiziği

En yüksek parçacık enerjilerine sahip olan en büyük hızlandırıcılar Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı(RHIC) ve 2009 yılının Kasım ayı ortalarında faaliyete geçen CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı(LHC)dır.  BU hızlandırıcılar deneysel parçacık fiziği için kullanılmaktadırlar.
Devimbilim, maddenin yapısı, uzay ve zaman gibi en temel araştırmalarda, fizikçiler mümkün olan en yüksek enerjilerde en basit şekilde bulunan etkileşim tiplerini ararlar. Bu hızlandırıcılar, genel anlamda birçok GeV’in parçacık enerjilerini ve elektron ve pozitron olarak örneklendirilen leptonları ve madde kuarkları veya alan kuantumları için fotonlar ve gluonlar gibi en basit parçacık tiplerini de beraberinde getirir. Kuarklar renk hapsinden dolayı deneysel olarak tek başlarına bulunamadıklarından mevcut olan en basit deneyler öncelikle leptonların birbirleriyle daha sonra kuark ve gluonlardan oluşan nükleonlarla etkileşimleriyle gerçekleşir. Bilim adamları, kuarkların birbirleriyle çarpışmalarını incelemek için nükleonları çarpıştırır. Bu da yüksek enerjide yapıldığı zaman yapısında bulunan kuark ve gluonların iki temel etkileşimi olarak kabul edilebilir. Bu yüzden temel parçacık fizikçileri, genel olarak yüzlerce veya daha fazla GeV’in olduğu mümkün olan en yüksek enerjilerde birbirleriyle veya hidrojen veya ağır hidrojen gibi en basit parçacıklarla etkileşime giren elektron, pozitron, proton ve antiproton demetlerini oluşturan makineleri kullanmayı tercih ediyorlar. Nükleer fizikçiler ve kozmologlar, Büyük Patlamanın ilk anlarında gerçekleşmiş olabileceği gibi çok yüksek sıcaklık ve yoğunluklarda yoğunlaşmış maddenin ve çekirdeklerin özelliklerini, etkileşimlerini ve yapılarını incelemek için çıplak atom çekirdek demetlerini veya atomdan ayrılmış elektronları kullanabilirler. Bu incelemeler sıklıkla çekirdek başına birkaç GeV’in olduğu enerji çokluğunda demir veya altın gibi atomlardan oluşan ağır çekirdeklerin çarpışması şeklinde gerçekleşir.
Fisyon reaktörlerinde üretilen nötron zengini izotoplardan farklı olarak, parçacık hızlandrıcılar tıbbi ve araştırma izotopları üretebilen proton demetleri üretebilirler. Diğer bir taraftan, son çalışmalar, hidrojen izotoplarını hızlandırarak nasıl 99Mo yapılacağını ortaya koydu. Ancak bu yöntemin hala trityum üretebilecek bir reaktöre ihtiyacı var. Los Alamos’taki LANSCE bu tip makinelerin bir örneğidir.

Sinkrotron radyasyonu

Tek başlarına önem taşımalarına ek olarak, yüksek enerjili elektronların, atomik yapı, kimya, yoğun madde fiziği, biyoloji ve teknoloji çalışmalarında da birçok fayda sağlayan sinkrotron radyasyonu aracılığıyla yüksek enerjili fotonların aşırı parlak ve eş fazlı ışık demetlerini salmaları sağlanabilir. Yakın bir zamanda kehribar içindeki böceklerin 3 boyutlu ayrıntılı görüntüsünü yakalayabilen Fransa’nın Grenoble şehrindeki ESRF buna örnektir. Bu yüzden makul miktarda enerji tüketip (GeV) yüksek yoğunlukta çalışabilen elektron hızlandırıcılara olan talep oldukça fazla.

Düşük enerjili makineler ve parçacık tedavisi

Parçacık hızlandırıcıların günlük hayatta görebileceğimiz örnekleri televizyon alıcısındaki katot ışın tüpü ve röntgen jeneratörleridir. Bu düşük enerji hızlandırıcıları aralarında birkaç bin voltluk bir doğru akım (DC) voltajıyla yalnızca bir çift elektrot ile çalışır.
Bir röntgen jeneratöründe hedef elektrotlardan biridir. İyon yerleştirici olarak adlandırılan düşük enerjili bir parçacık hızlandırıcı entegre devrelerin üretiminde kullanılır.
Düşük enerjilerde, hızlandırılmış çekirdek demetleri tıpta da kanser tedavileri için parçacık tedavisi adı altında kullanılır.
Düşük enerjilerde parçacıkları nükleer tepkimelere yol açacak yeterli hıza çıkarmaya elverişli demetler, Cockcroft-Walton jeneratörü ve Alternatif Akımı (AC) yüksek voltajlı Doğru Akıma dönüştüren gerilim çoğaltıcıları veya kayışlarla taşınmış olan statik enerjiyi kullanan Van de Graaff jeneratörlerdir.

Salınımlı Alan Parçacık Hızlandırıcıları

Elektriksel boşalıma maruz bırakılmış yüksek voltaj limitinden dolayı, parçacıkları daha yüksek enerjilere çıkarmak için düşük fakat salınımlı yüksek voltaj kaynaklarını da kapsayan teknikler kullanılır. Elektrotlar parçacıkların hızlandırılırken yörüngelerinin atlamasına sebep olan manyetik alanla yüzleşip yüzleşmediklerine bağlı olarak  parçacıkları bir hatta veya çemberde hızlandırmak için de düzenlenebilirler.

Doğrusal Parçacık Hızlandırıcılar

Bir doğrusal parçacık hızlandırıcısında(linac), parçacıklar sonunda hedef ilgi alanı içeren  düz bir hatta hızlandırılırlar. Genellikle, parçacıklar dairesel hızlandırıcılara enjekte edilmeden önce,  parçacıklara düşük enerjili başlangıç dürtmesi sağlarlar. Dünya’daki en uzun doğrusal parçacık hızlandırıcısı 3 km uzunluğundaki Stanford Doğrusal Hızlandırıcısı’dır (SLAC). SLAC bir elektron-pozitron çarpıştırıcısıdır. 
Doğrusal yüksek enerji hızlandırıcıları dönüşümlü yüksek enerji alanının uygulandığı anotların çizgisel düzenini kullanır. Parçacıklar bir anota yaklaşırken, anota uygulanan bir zıt kutup yükü tarafından hızlandırılırlar. Anottaki bir deliğin içerisinden geçerlerken, kutuplaşma başlar, böylece; anot onları püskürtür ve sonraki anota doğru hızlandırılmış olurlar. Doğal olarak, parçacık kümelerinin akışı hızlandırılır, bu yüzden dikkatle kontrol edilen bir AC voltajı her bir anota bu süreci her bir küme için sürekli tekrar edilmesi adına uygulanır.
Parçacıklar ışık hızına eriştiği için elektrik alanlarının anahtarlama hızı o kadar yüksek olur ki radyo frekansında çalışırlar ve bu yüzden, mikrodalga boşlukları basit anotlar yerine yüksek enerjili makinalarda kullanılır.
Doğrusal hızlandırıcılar tıpta da radyoterapi ve radyocerrahi için de geniş ölçüde kullanılır. Medikal seviye doğrusal parçacık hızlandırıcıları elektronları bir klistron ve 6-30 MV’lik enerjiye sahip bir ışık üreten bir bükücü bir mıknatıs düzeneği kullanarak hızlandırırlar. Elektronlar direkt kullanılabilirler ya da x-ışınlarından bir ışık üretmek amacıyla çarpıştırılabilirler. Üretilen ışın demetinin güvenilirliği, rahatlığı ve tamlığı daha eski bir tedavi aracı olan Cobalt-60 terapisinin yerini almıştır.

Dairesel veya Devirli Hızlandırıcılar

Dairesel hızlandırıcıda, parçacıklar yeterli enerjiye ulaşana kadar dairede dönerler. Parçacıkların rotası temel olarak elektro mıknatıslar kullanılarak  daireye dönüştürülür.   Dairesel hızlandırıcıların çizgisel hızlandırıcılara avantajı parçacık belirsiz bir şekilde hareket ettiğinden halka topolojisinin sürekli hızlandırmaya olanak sağlamasıdır. Bir başka avantajı ise aynı güçlerdeki dairesel hızlandırının çizgisel hızlandırıcıdan çok daha küçük olmasıdır. (çizgisel bir hızlandırıcı dairesel bir hızlandırıcıyla aynı güce sahip olmak için aşırı derecede uzun olmak zorundadır)
Enerjiye ve hızlandırılan parçacığa bağlı olarak, dairesel hızlandırıcılar senkroton radyasyon salan parçacıklardan dolayı muzdariptirler. Herhangi bir yüklü parçacık hızlandırıldığında parçacıklar senkroton radyasyon ve ikincil yayılım salarlar. Dairenin içinde hareket eden bir parçacık daima dairenin merkezine doğru hızlandığı için, sürekli olarak dairenin tanjantına doğru ışıma yapar. Bu ışıma senkroton ışığı olarak adlandırılır ve önemli ölçüde hızlanan parçacığın hacmine bağlıdır. Bu sebepten dolayı, pek çok yüksek enerji elektron hızlandırıcıları çizgisel parçacık hızlandırıcılarıdır( linac). Ancak, belirli hızlandırıcılar (senkrotronlar) özellikle senkroton ışığı (X-Ray) üretmek için dizayn edilmişlerdir.
Genel olarak dairesel hızlandırıcılar ve parçacık ışınları için önemli bir prensip:partikül yörünge eğimi partikül yüklerinin orantılı ve manyetik alan için değil, aynı (tipik relativistik) ivme ile ters orantılı olmasıdır.
Özel görecelilik kuramı maddenin her zaman boşluktaki ışık hızından daha yavaş hareket ettiğini gerektirdiği için, yüksek enerji hızlandırıcılarda, enerji arttıkça, parçacık hızı limit olarak ışık hızına ulaşır, ancak asla ona erişemez. Bu yüzden, parçacık fizikçileri genelde hız bağlamında değil, parçacığın genellikle elektro voltlarla (eV) ölçülen enerjisi veya momentumu bağlamında düşünürler. Dairesel hızlandırıcılar ve genel olarak parçacık ışımaları için önemli bir prensip parçacık yörüngesinin kavisinin parçacık yüküne ve mıknatıs alanına orantılı olmasıdır, ancak momentuma ters orantılıdır.

Siklotronlar

En eski işlevsel dairesel hızlandırıcılar 1929’da Ernest O. Lawrence tarafından Berkeley Kaliforniya Üniversitesi’nde icat edilen siklotronlardı. Siklotronlar parçacıkları hızlandırmak için D-oyuğu şeklinde bir çift anota ve yörüngelerini dairesel bir şekilde oluşturmak için geniş bir çiftkutup mıknatısa sahiptirler. C Işık hızından küçük oldukları sürece, siklotron frekansı denilen bir frekansta yörünge oluşturmaları, tekdüze ve hareketli B mıknatıs alanındaki yüklü parçacıkların  ayırıcı bir özelliğidir. Bu, ışık sürekli olarak dışa doğru döndüğü için bir siklotronun hızlanan D’sinin güç kaynağını hızlandıran bir radyo frekansı tarafından süregelen bir frekansla kontrol edilebileceği anlamına gelir. Parçacıklar mıknatısın merkezine enjekte edilir ve dış kısmında en güçlü enerjilerinde dışarıya çıkarılırlar.
Siklotronlar parçacıkların daha geniş hale gelmesi sayesinde, göreceli etkilerden dolayı yüksek enerji limitine ulaşırlar, böylece siklotron frekasnları hızlanan RF ile senkronun dışında kalır. Bu yüzden, basit siklotronlar protonları yalnızca 15 milyon elektro volt (15 MeV kabaca C’nin yüzde 10 hızına denk gelir)  enerjiye kadar çıkabilir. Bunun sebebi protonların faaliyetteki elektrik alanıyla sürecin dışına çıkmasıdır. Daha fazla hızlandırılırsa, ışıma yarıçapın dışına doğru yönelmeye deam eder fakat,  parçacıklar hızlanan RF ile uyum içerisinde daha büyük bir daireyi tamamlamak için yeterince hız kazanamayacaktır. Göreceli etkileri uygun hale getirmek için, manyetik alan eşsüreli siklotronlarda yapılıyormuş gibi daha yüksek bir yarıçapa arttırılmalıdır. Eş süreli siklotronların bir örneği, kabaca ışık hızının yüzde 80’ine denk gelen 590 MeV’lik enerjide protonlar sağlayan  İsviçre’deki PSI Halka Siklotronu’dur. Bu tarz bir siklotronun avantajı şu anda 2.2 Ma olan çıkarılmış ulaşılabilir maximum proton akımıdır. Bu enerji ve akım şu anda var olan en hızlı hızlandırıcının gücüne denk gelen 1.3 MV’lik ışıma gücüne eşittir.