شتاب دهنده چیست؟
در فیزیک ذرات بنیادی تحول واقعی رخ داد که مدیون تکامل سریع شتاب دهنده ها و تکنولوژی آزمایشگاهی است.
در مطلب قبل دانستید که فیزیک ذرات بنیادی یا به طور خلاصه فیزیک ذرات، بخشی از فیزیک است که در آن به بررسی ذرات نهایی یعنی کوچکترین و بنیادی ترین چیزهای دنیا پرداخته می شود. ذراتی که مواد یا ضد مواد یا فوتون‌ها و یا ... از آنها تشکیل شده اند، حال در ادامه به بررسی شتاب دهنده ها و تکنولوژی آزمایشگاهی می پردازیم.
شتاب دهنده، دستگاهی است که در آن ذرّات باردار (مانند: ذرات بنیادی، هسته اتم‌ها یا اتم‌های یونیزه شده، مولکول‌ها یا قسمت‌های مولکول) به وسیلهٔ میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی تا سرعت‌های بسیار زیادی شتاب‌داده می‌شوند. به طوری که سرعت بسیاری از آنها، حتی تا نزدیکی‌های سرعت نور می‌رسد. انرژی جنبشی ذره در این حالت به این ترتیب، به اندازه چندین برابر انرژی در حال سکون آن می‌باشد.
از شتاب دهنده‌ها در زمینه‌های مختلفی از فیزیک، از جمله در اندازه‌گیری های متعددی در فیزیک هسته‌ای استفاده می‌شود: یعنی از طریق شلیک ذرّات، توسط شتابدهنده به سوی جسم در حال تحقیق (Target) و پراکندشدن آنها و اندازه‌گیری، توسط یک دوربین یا به طور بهتر آشکارساز (Detector). در حال حاضر، بزرگ‌ترین شتابدهنده در جهان در سرن قرار دارد. مشهورترین شتاب دهنده‌های خطی یا لیناک و شتابدهنده واندگراف هستند.
شتاب دهنده‌ها به دو دسته تقسیم می شوند:
خطی دایره‌ای شتاب دهنده‌های دایره‌ای عبارت هستند از:
بتاترون،
سیکلوترون
مایکروترون
سنکروترون
شتاب دهنده‌های ایستابرقی (الکتروستاتیکی) که در آن یون های منفی هیدروژن از پتانسیل زمین تا پتانسیل زیاد شتاب می‌گیرند و سپس با گذار از محفظه‌ای گازی یا برگه‌ای نازک، هر دو الکترونِ یون از آن کنده می‌شوند و پروتون باقی‌مانده دوباره شتاب می‌گیرد و به پتانسیل زمین می‌رسد را شتابدهنده دومرحله‌ای می‌گویند. افزایش در انرژی شتاب دهنده ها که هنوز ابزار عمده بررسی ذرات بنیادی هستند، به چند دلیل نقش مهمی را ایفا می کنند.
افزایش در انرژی شتاب دهنده امکان می دهد که انواع جدیدی ذرات بنیادی با جرم های بزرگ تر به دست آیند. در انرژی های پایین، این نوع ذرات از نظر قوانین بقای انرژی و اندازه حرکت نمی توانند تشکیل شوند. شتاب دهنده ها را می توان با میکروسکوپ های عظیم مقایسه کرد که بررسی فضا را در فاصله های خیلی کوتاه قابل مقایسه با طول موج دو بروی ( لویی-ویکتور-پی یر-ریمون دوک دو بروی فیزیکدان فرانسوی و برندهٔ جایزه نوبل فیزیک است) برای ذرات شتابدار امکان پذیر می کنند. برای مثال: ذرات دارای انرژی 1TeV=103GeV با طول موج دو بروی مانند زیر مشخص می شوند. چنین ذراتی را می توان برای کاوش ناحیه هایی از فضا به کوچکی 10-6 cm به کار برد، در چنین فضایی ممکن است نظم های جدیدی از فیزیک دنیای ریز، که در فاصله های بزرگ دیده نمی شوند، تجلی یابند.
افزایش در انرژی ذرات با تغییر نوع اندرکنش میان آنها و نیز تغییر در مشخصه فرایندهای شناخته شده همراه است. معلوم می شود که برخی از نمودهای این پدیده ها در انرژی های بالا خیلی واضح تر ظاهر می شوند.
به عنوان مثال: ماهیت مشترک اندرکنش های ضعیف و الکتر مغناطیسی توسط آزمایش های انجام شده با ذرات پر انرژی اثبات شده است.
در سال های اخیر، شتاب دهنده هایی طراحی شده اند که حتی در مقایسه با شتاب دهنده سر پوخف عظیم به نظر می رسند. با این شتاب دهنده ها می توان انرژی مورد نیاز برای تشکیل ذرات جدید را حدود دو مرتبه بزرگی افزایش داد.
اختلاف میان شتاب دهنده ها
برای بدست آوردن این اختلافات در آزمایش ها با شتاب دهنده های (عادی) یا شتاب دهنده ها با هدف ثابت، فرایندهای اندرکنش ذرات شتابدار را با هدف ساکن مورد بررسی قرار می دهند. در این حالت، تنها بخش کوچکی از انرژی پروتون ها یا الکترون های شتاب گرفته را می توان برای تشکیل ذرات جدید مورد استفاده قرار داد. زیرا ذرات بمباران کننده هدف اندازه حرکت اولیه خیلی بزرگی دارند و مطابق قانون بقای اندازه حرکت، این اندازه حرکت را باید ذراتی که در ضمن اندرکنش تشکیل می شوند با خود ببرند. طبیعی است، این ذرات دارای انرژی جنبشی نسبتا زیادی خواهند بود. به این ترتیب بخش بزرگی از انرژی اولیه به انرژی جنبشی محصولات واکنش هسته ای تبدیل می شود و تنها بخش نسبتا کوچکی از این انرژی می تواند برای تشکیل ذرات جدید به کار رود.
انواع شتاب دهنده ها
سیکلوترون‌ها
سنکروسیکلوترون
سیکلوترون ایزوکرونی
سنکروترون‌ها
شتاب دهنده بتا
اگر چه اکثر انواع شتاب دهنده‌ها از نوع‌های مختلفی است که طرح عمومی آنها در اینجا مورد بحث قرار گرفت، ولی شتاب دهنده‌های متعدد دیگری نیز در برخی از مراکز تحقیقاتی جهان قرار دارندکه با وجودی که از انواع فوق هم هستند ولی در نوع خود کم نظیر یا منحصر به فرد محسوب می‌شوند. سیکلوترون آگور هم نتیجه همکاری مشترک دو شرکت گرونتیگس در هلند و اورسی در فرانسه می‌باشد. سیکلوترون تریمف یک شتاب دهنده غول پیکر است که یون‌های هیدروژن باردار منفی را تا ۷۵ درصد سرعت نور شتاب می‌دهد.
شتاب دهنده‌ها در فیزیک پزشکی و به ویژه در پزشکی هسته‌ای کاربردهای مهمی دارند. به طور مثال برای تولید برخی رادیوایزوتوپ‌ها در پت اسکن از شتابدهنده‌های مخصوصی در بیمارستان‌ها و مراکز مربوطه استفاده می‌شود.
منبع: https://fa.wikipedia.org
مرکز یادگیری سایت تبیان، مرجان سلیمانیان
