Akselerator partikel adalah perangkat yang menciptakan berkas partikel atom atau subatom bermuatan listrik yang bergerak dengan kecepatan mendekati cahaya. Kerjanya didasarkan pada peningkatan energinya oleh medan listrik dan perubahan lintasan - oleh medan magnet.
Untuk apa akselerator partikel?
Perangkat ini banyak digunakan di berbagai bidang ilmu pengetahuan dan industri. Saat ini, ada lebih dari 30 ribu dari mereka di seluruh dunia. Untuk fisikawan, akselerator partikel berfungsi sebagai alat untuk penelitian mendasar tentang struktur atom, sifat gaya nuklir, dan sifat inti yang tidak terjadi di alam. Yang terakhir termasuk transuranium dan elemen tidak stabil lainnya.
Dengan bantuan tabung pelepasan, menjadi mungkin untuk menentukan muatan spesifik. Akselerator partikel juga digunakan dalam produksi radioisotop, radiografi industri, terapi radiasi, sterilisasi bahan biologis, dan radiokarbon.analisis. Instalasi terbesar digunakan dalam studi interaksi fundamental.
Masa hidup partikel bermuatan dalam keadaan diam relatif terhadap akselerator lebih kecil dari pada partikel yang dipercepat hingga mendekati kecepatan cahaya. Ini menegaskan relativitas interval waktu SRT. Misalnya, di CERN, peningkatan 29 kali lipat dalam masa pakai muon pada kecepatan 0,9994c telah dicapai.
Artikel ini membahas cara kerja akselerator partikel, perkembangannya, berbagai jenis dan ciri khasnya.
Prinsip percepatan
Terlepas dari akselerator partikel mana yang Anda ketahui, mereka semua memiliki elemen yang sama. Pertama, mereka semua harus memiliki sumber elektron dalam kasus kineskop televisi, atau elektron, proton, dan antipartikelnya dalam kasus instalasi yang lebih besar. Selain itu, mereka semua harus memiliki medan listrik untuk mempercepat partikel dan medan magnet untuk mengontrol lintasannya. Selain itu, vakum dalam akselerator partikel (10-11 mm Hg), yaitu jumlah minimum udara sisa, diperlukan untuk memastikan masa pakai balok yang lama. Dan, akhirnya, semua instalasi harus memiliki sarana untuk mendaftarkan, menghitung, dan mengukur partikel yang dipercepat.
Generasi
Elektron dan proton, yang paling umum digunakan dalam akselerator, ditemukan di semua bahan, tetapi pertama-tama mereka harus diisolasi darinya. Elektron biasanya dihasilkanseperti di kinescope - di perangkat yang disebut "pistol". Ini adalah katoda (elektroda negatif) dalam ruang hampa, yang dipanaskan ke titik di mana elektron mulai melepaskan diri dari atom. Partikel bermuatan negatif tertarik ke anoda (elektroda positif) dan melewati outlet. Pistol itu sendiri juga merupakan akselerator paling sederhana, karena elektron bergerak di bawah pengaruh medan listrik. Tegangan antara katoda dan anoda biasanya antara 50-150 kV.
Selain elektron, semua bahan mengandung proton, tetapi hanya inti atom hidrogen yang terdiri dari proton tunggal. Oleh karena itu, sumber partikel untuk akselerator proton adalah gas hidrogen. Dalam hal ini, gas terionisasi dan proton keluar melalui lubang. Dalam akselerator besar, proton sering diproduksi sebagai ion hidrogen negatif. Mereka adalah atom dengan elektron ekstra, yang merupakan produk ionisasi gas diatomik. Lebih mudah untuk bekerja dengan ion hidrogen bermuatan negatif pada tahap awal. Kemudian mereka dilewatkan melalui foil tipis yang menghilangkan elektron sebelum tahap akhir percepatan.
Percepatan
Bagaimana cara kerja akselerator partikel? Fitur utama dari salah satu dari mereka adalah medan listrik. Contoh paling sederhana adalah medan statis seragam antara potensial listrik positif dan negatif, mirip dengan yang ada di antara terminal baterai listrik. Sedemikianmedan, elektron yang membawa muatan negatif dikenai gaya yang mengarahkannya ke arah potensial positif. Dia mempercepatnya, dan jika tidak ada yang mencegahnya, kecepatan dan energinya meningkat. Elektron yang bergerak menuju potensial positif dalam kawat atau bahkan di udara bertabrakan dengan atom dan kehilangan energi, tetapi jika mereka berada dalam ruang hampa, mereka berakselerasi saat mendekati anoda.
Tegangan antara posisi awal dan akhir elektron menentukan energi yang diperolehnya. Ketika bergerak melalui perbedaan potensial 1 V, itu sama dengan 1 elektron volt (eV). Ini setara dengan 1,6 × 10-19 joule. Energi nyamuk terbang adalah satu triliun kali lebih besar. Dalam kineskop, elektron dipercepat oleh tegangan lebih dari 10 kV. Banyak akselerator mencapai energi yang jauh lebih tinggi, diukur dalam mega-, giga-, dan teraelektronvolt.
Varietas
Beberapa jenis akselerator partikel paling awal, seperti pengganda tegangan dan generator Van de Graaff, menggunakan medan listrik konstan yang dibangkitkan oleh potensial hingga satu juta volt. Tidak mudah untuk bekerja dengan tegangan tinggi seperti itu. Alternatif yang lebih praktis adalah aksi berulang dari medan listrik lemah yang dihasilkan oleh potensial rendah. Prinsip ini digunakan dalam dua jenis akselerator modern - linier dan siklik (terutama dalam siklotron dan sinkrotron). Singkat kata, akselerator partikel linier melewatinya sekali melalui urutanmedan yang dipercepat, sedangkan dalam medan siklik, medan tersebut berulang kali bergerak sepanjang jalur melingkar melalui medan listrik yang relatif kecil. Dalam kedua kasus, energi akhir partikel bergantung pada efek gabungan medan, sehingga banyak "kejutan" kecil ditambahkan untuk memberikan efek gabungan satu besar.
Struktur akselerator linier yang berulang untuk menciptakan medan listrik secara alami melibatkan penggunaan tegangan AC daripada tegangan DC. Partikel bermuatan positif dipercepat menuju potensial negatif dan mendapatkan dorongan baru jika melewati yang positif. Dalam praktiknya, tegangan harus berubah dengan sangat cepat. Misalnya, pada energi 1 MeV, sebuah proton bergerak dengan kecepatan sangat tinggi 0,46 kecepatan cahaya, menempuh jarak 1,4 m dalam 0,01 ms. Artinya, dalam pola berulang sepanjang beberapa meter, medan listrik harus berubah arah pada frekuensi minimal 100 MHz. Akselerator linier dan siklik dari partikel bermuatan, sebagai aturan, mempercepatnya menggunakan medan listrik bolak-balik dengan frekuensi 100 hingga 3000 MHz, yaitu mulai dari gelombang radio hingga gelombang mikro.
Gelombang elektromagnetik adalah kombinasi medan listrik dan magnet bolak-balik yang berosilasi tegak lurus satu sama lain. Titik kunci dari akselerator adalah untuk mengatur gelombang sehingga ketika partikel datang, medan listrik diarahkan sesuai dengan vektor percepatan. Hal ini dapat dilakukan dengan gelombang berdiri - kombinasi gelombang berjalan dalam arah yang berlawanan dalam loop tertutup.ruang, seperti gelombang suara dalam pipa organ. Alternatif untuk elektron yang bergerak sangat cepat mendekati kecepatan cahaya adalah gelombang berjalan.
Pentahapan Otomatis
Efek penting saat berakselerasi di medan listrik bolak-balik adalah "autophasing". Dalam satu siklus osilasi, medan bolak-balik bergerak dari nol melalui nilai maksimum lagi ke nol, turun ke minimum dan naik ke nol. Jadi itu melewati nilai yang dibutuhkan untuk mempercepat dua kali. Jika partikel yang mempercepat tiba terlalu cepat, maka itu tidak akan terpengaruh oleh medan yang cukup kuat, dan dorongannya akan lemah. Ketika dia mencapai bagian berikutnya, dia akan terlambat dan akan mengalami dampak yang lebih kuat. Akibatnya akan terjadi autophasing, partikel akan sefasa dengan medan di setiap daerah percepatan. Efek lain adalah mengelompokkan mereka dari waktu ke waktu dalam rumpun daripada aliran terus menerus.
Arah sinar
Medan magnet juga memainkan peran penting dalam cara kerja akselerator partikel bermuatan, karena dapat mengubah arah gerakannya. Ini berarti bahwa mereka dapat digunakan untuk "membengkokkan" balok di sepanjang jalur melingkar sehingga mereka melewati bagian percepatan yang sama beberapa kali. Dalam kasus yang paling sederhana, partikel bermuatan yang bergerak tegak lurus terhadap arah medan magnet seragam dikenai gayategak lurus baik terhadap vektor perpindahannya maupun terhadap medan. Hal ini menyebabkan balok bergerak sepanjang lintasan melingkar yang tegak lurus bidang sampai meninggalkan area kerjanya atau gaya lain mulai bekerja padanya. Efek ini digunakan dalam akselerator siklik seperti siklotron dan sinkrotron. Dalam siklotron, medan konstan dihasilkan oleh magnet besar. Partikel, saat energinya tumbuh, berputar ke luar, berakselerasi dengan setiap revolusi. Dalam sinkrotron, tandan bergerak di sekitar cincin dengan jari-jari konstan, dan medan yang diciptakan oleh elektromagnet di sekitar cincin meningkat saat partikel berakselerasi. Magnet yang "membungkuk" adalah dipol dengan kutub utara dan selatan ditekuk berbentuk tapal kuda sehingga sinar dapat lewat di antara keduanya.
Fungsi penting kedua dari elektromagnet adalah untuk memusatkan sinar sehingga menjadi sesempit dan sekuat mungkin. Bentuk paling sederhana dari magnet pemfokusan adalah dengan empat kutub (dua utara dan dua selatan) saling berhadapan. Mereka mendorong partikel menuju pusat dalam satu arah, tetapi memungkinkan mereka untuk merambat dalam arah tegak lurus. Magnet quadrupole memfokuskan sinar secara horizontal, memungkinkannya keluar dari fokus secara vertikal. Untuk melakukan ini, mereka harus digunakan berpasangan. Magnet yang lebih kompleks dengan lebih banyak kutub (6 dan 8) juga digunakan untuk pemfokusan yang lebih presisi.
Saat energi partikel meningkat, kekuatan medan magnet yang membimbingnya meningkat. Ini membuat balok tetap pada jalur yang sama. Gumpalan dimasukkan ke dalam ring dan dipercepat untukenergi yang dibutuhkan sebelum dapat ditarik dan digunakan dalam percobaan. Retraksi dicapai dengan elektromagnet yang menyala untuk mendorong partikel keluar dari cincin sinkrotron.
Tabrakan
Akselerator partikel yang digunakan dalam pengobatan dan industri terutama menghasilkan sinar untuk tujuan tertentu, seperti terapi radiasi atau implantasi ion. Ini berarti bahwa partikel digunakan sekali. Selama bertahun-tahun, hal yang sama berlaku untuk akselerator yang digunakan dalam penelitian dasar. Tetapi pada tahun 1970-an, cincin dikembangkan di mana kedua sinar beredar dalam arah yang berlawanan dan bertabrakan di seluruh sirkuit. Keuntungan utama dari instalasi semacam itu adalah bahwa dalam tumbukan langsung, energi partikel langsung masuk ke energi interaksi di antara mereka. Ini kontras dengan apa yang terjadi ketika balok bertabrakan dengan material yang diam: dalam hal ini, sebagian besar energi dihabiskan untuk mengatur material target dalam gerakan, sesuai dengan prinsip kekekalan momentum.
Beberapa mesin berkas sinar bertabrakan dibuat dengan dua cincin yang berpotongan di dua tempat atau lebih, di mana partikel dari jenis yang sama bersirkulasi dalam arah yang berlawanan. Tabrakan dengan partikel dan antipartikel lebih umum. Sebuah antipartikel memiliki muatan yang berlawanan dari partikel terkait. Misalnya, positron bermuatan positif, sedangkan elektron bermuatan negatif. Ini berarti bahwa medan yang mempercepat elektron memperlambat positron,bergerak ke arah yang sama. Tetapi jika yang terakhir bergerak ke arah yang berlawanan, itu akan berakselerasi. Demikian pula, elektron yang bergerak melalui medan magnet akan menekuk ke kiri, dan positron akan menekuk ke kanan. Tetapi jika positron bergerak ke arahnya, maka lintasannya akan tetap menyimpang ke kanan, tetapi sepanjang kurva yang sama dengan elektron. Bersama-sama, ini berarti bahwa partikel-partikel ini dapat bergerak di sepanjang cincin sinkrotron karena magnet yang sama dan dipercepat oleh medan listrik yang sama dalam arah yang berlawanan. Banyak penumbuk paling kuat pada balok yang bertabrakan telah dibuat menurut prinsip ini, karena hanya satu cincin akselerator yang diperlukan.
Sinar di sinkrotron tidak bergerak terus-menerus, tetapi digabungkan menjadi "rumpun". Panjangnya bisa beberapa sentimeter dan diameter sepersepuluh milimeter, dan mengandung sekitar 1012 partikel. Ini adalah kerapatan kecil, karena zat dengan ukuran ini mengandung sekitar 1023 atom. Oleh karena itu, ketika balok berpotongan dengan balok yang datang, kecil kemungkinan partikel akan berinteraksi satu sama lain. Dalam prakteknya, tandan terus bergerak di sepanjang ring dan bertemu lagi. Kevakuman dalam di akselerator partikel (10-11 mmHg) diperlukan agar partikel dapat bersirkulasi selama berjam-jam tanpa bertabrakan dengan molekul udara. Oleh karena itu, cincin juga disebut akumulatif, karena bundel sebenarnya disimpan di dalamnya selama beberapa jam.
Daftar
Akselerator partikel sebagian besar dapat mencatat apa yang terjadi ketikaketika partikel mengenai target atau sinar lain yang bergerak ke arah yang berlawanan. Dalam kineskop televisi, elektron dari pistol menyerang fosfor di permukaan bagian dalam layar dan memancarkan cahaya, yang dengan demikian menciptakan kembali gambar yang ditransmisikan. Dalam akselerator, detektor khusus semacam itu merespons partikel yang tersebar, tetapi biasanya dirancang untuk menghasilkan sinyal listrik yang dapat diubah menjadi data komputer dan dianalisis menggunakan program komputer. Hanya elemen bermuatan yang menciptakan sinyal listrik dengan melewati material, misalnya dengan atom yang menarik atau mengionisasi, dan dapat dideteksi secara langsung. Partikel netral seperti neutron atau foton dapat dideteksi secara tidak langsung melalui perilaku partikel bermuatan yang mereka gerakkan.
Ada banyak detektor khusus. Beberapa dari mereka, seperti penghitung Geiger, hanya menghitung partikel, sementara yang lain digunakan, misalnya, untuk merekam trek, mengukur kecepatan, atau mengukur jumlah energi. Detektor modern memiliki berbagai ukuran dan teknologi dari perangkat kecil yang dipasangkan dengan muatan hingga ruang besar berisi gas yang diisi dengan kabel yang mendeteksi jejak terionisasi yang dibuat oleh partikel bermuatan.
Sejarah
Akselerator partikel terutama dikembangkan untuk mempelajari sifat-sifat inti atom dan partikel elementer. Dari penemuan reaksi antara inti nitrogen dan partikel alfa oleh fisikawan Inggris Ernest Rutherford pada tahun 1919, semua penelitian dalam fisika nuklir hinggaTahun 1932 dihabiskan dengan inti helium yang dilepaskan dari peluruhan unsur radioaktif alami. Partikel alfa alami memiliki energi kinetik 8 MeV, tetapi Rutherford percaya bahwa untuk mengamati peluruhan inti berat, mereka harus dipercepat secara artifisial ke nilai yang lebih besar. Saat itu rasanya sulit. Namun, perhitungan yang dibuat pada tahun 1928 oleh Georgy Gamow (di Universitas Göttingen, Jerman) menunjukkan bahwa ion dengan energi yang jauh lebih rendah dapat digunakan, dan ini mendorong upaya untuk membangun fasilitas yang menyediakan sinar yang cukup untuk penelitian nuklir.
Peristiwa lain pada periode ini menunjukkan prinsip-prinsip pembuatan akselerator partikel hingga hari ini. Eksperimen pertama yang berhasil dengan ion yang dipercepat secara artifisial dilakukan oleh Cockcroft dan W alton pada tahun 1932 di Universitas Cambridge. Menggunakan pengganda tegangan, mereka mempercepat proton menjadi 710 keV dan menunjukkan bahwa yang terakhir bereaksi dengan inti lithium untuk membentuk dua partikel alfa. Pada tahun 1931, di Universitas Princeton di New Jersey, Robert van de Graaff telah membangun generator elektrostatik sabuk potensial tinggi pertama. Pengganda tegangan Cockcroft-W alton dan generator Van de Graaff masih digunakan sebagai sumber listrik untuk akselerator.
Prinsip akselerator resonansi linier ditunjukkan oleh Rolf Wideröe pada tahun 1928. Di Universitas Teknologi Rhine-Westphalian di Aachen, Jerman, ia menggunakan tegangan bolak-balik tinggi untuk mempercepat ion natrium dan kalium menjadi energi dua kalimelebihi yang dilaporkan oleh mereka. Pada tahun 1931 di Amerika Serikat, Ernest Lawrence dan asistennya David Sloan dari University of California, Berkeley menggunakan medan frekuensi tinggi untuk mempercepat ion merkuri menjadi energi lebih dari 1,2 MeV. Karya ini melengkapi akselerator partikel berat Wideröe, tetapi berkas ion tidak berguna dalam penelitian nuklir.
Akselerator resonansi magnetik, atau siklotron, dirancang oleh Lawrence sebagai modifikasi dari instalasi Wideröe. Murid Lawrence Livingston mendemonstrasikan prinsip siklotron pada tahun 1931 dengan menghasilkan ion 80 keV. Pada tahun 1932 Lawrence dan Livingston mengumumkan percepatan proton hingga lebih dari 1 MeV. Kemudian pada tahun 1930-an, energi siklotron mencapai sekitar 25 MeV, dan generator Van de Graaff mencapai sekitar 4 MeV. Pada tahun 1940, Donald Kerst, menerapkan hasil perhitungan orbital yang cermat pada desain magnet, membangun betatron pertama, akselerator elektron induksi magnetik, di Universitas Illinois.
Fisika modern: akselerator partikel
Setelah Perang Dunia II, ilmu percepatan partikel menjadi energi tinggi mengalami kemajuan pesat. Ini dimulai oleh Edwin Macmillan di Berkeley dan Vladimir Veksler di Moskow. Pada tahun 1945, keduanya secara independen menggambarkan prinsip stabilitas fase. Konsep ini menawarkan cara untuk mempertahankan orbit partikel yang stabil dalam akselerator siklik, yang menghilangkan batasan energi proton dan memungkinkan untuk membuat akselerator resonansi magnetik (syncrotron) untuk elektron. Autophasing, penerapan prinsip stabilitas fase, telah dikonfirmasi setelah konstruksisinkrosiklotron kecil di Universitas California dan sinkrotron di Inggris. Tak lama kemudian, akselerator resonansi linier proton pertama diciptakan. Prinsip ini telah digunakan di semua sinkrotron proton besar yang dibuat sejak saat itu.
Pada tahun 1947, William Hansen, di Universitas Stanford di California, membangun akselerator elektron gelombang berjalan linier pertama menggunakan teknologi gelombang mikro yang dikembangkan untuk radar selama Perang Dunia II.
Kemajuan dalam penelitian dimungkinkan dengan meningkatkan energi proton, yang mengarah pada pembangunan akselerator yang semakin besar. Tren ini telah dihentikan oleh tingginya biaya pembuatan magnet cincin besar. Yang terbesar beratnya sekitar 40.000 ton. Cara-cara untuk meningkatkan energi tanpa menambah ukuran mesin didemonstrasikan pada tahun 1952 oleh Livingston, Courant dan Snyder dalam teknik pemfokusan bergantian (kadang-kadang disebut pemfokusan kuat). Synchrotron berdasarkan prinsip ini menggunakan magnet 100 kali lebih kecil dari sebelumnya. Pemfokusan seperti itu digunakan di semua sinkrotron modern.
Pada tahun 1956, Kerst menyadari bahwa jika dua set partikel disimpan dalam orbit yang berpotongan, mereka dapat diamati bertabrakan. Penerapan ide ini membutuhkan akumulasi balok yang dipercepat dalam siklus yang disebut penyimpanan. Teknologi ini memungkinkan untuk mencapai energi interaksi maksimum partikel.
