Bir elektrostatik olan Van de Graaff hızlandırıcısıın çizimi
Salınan alanları kullanan,the Ising/Widerøe doğrusal hızlandırıcı kavramının çizimi (1928)
Parçacık hızlandırıcı yüklü parçacıkları yüksek hızlara çıkarmak ve
demet halinde bir arada tutmak için elektromanyetik alanları kullanan araçların
genel adıdır. Büyük hızlandırıcılar parçacık fiziğinde çarpıştırıcılar olarak
kullanımıyla bilinirler. (ör; CERN’deki LHC, Brookhaven Ulusal
Laboratuvarı’ndaki RHIC, ve Fermilab’daki Tevatron) Diğer tip parçacık
hızlandırıcılar, kanser hastalıklarında parçacık tedavisi, yoğun madde fiziği
çalışmalarında senkrotron ışık kaynağı olmaları gibi birçok farklı uygulamalarda
kullanılırlar. Şu an dünya çapında faal olan 30,000’den fazla hızlandırıcı
bulunmaktadır.
İki temel hızlandırıcı tipi bulunmaktadır. Elektrostatik hızlandırıcılar ve
zamanla değişen alan hızlandırıcılar. Elektrostatik hızlandırıcılar parçacıkları
hızlandırmak için statik elektrik alanlarından yararlanırlar. Bu tipe küçük
çapta bir örnek olarak basit bir televizyon alıcısındaki katot ışın tüpü
verilebilir. Örnekler Cockcroft-Walton jeneratörü ve Van de Graaff jeneratörü
ile de çoğaltılabilir. Bu hızlandırıcılarda, parçacıkların kazanacağı kinetik
enerji elektriksel göçme ile sınırlıdır. Diğer bir taraftan, zamanla değişen
alan hızlandırıcılar ise parçacıkları hızlandırmak ve bu göçme probleminin
üstesinden gelmek için radyofrekans elektromanyetik alanları kullanırlar. İlk
kez 1920 yılında geliştirilen bu tip, günümüz hızlandırıcıların konseptini ve
büyük ölçekli tesislerin temelini oluşturmaktadır.
İlk işlevsel doğrusal parçacık hızlandırıcısı, betatron ve siklotronu ortaya
atıp geliştiren Rolf Wideroe, Gustav Ising, Leo Szilard, Donald Kerst ve Ernest
Lawrence bu alanın öncüleri kabul edilirler.
Çarpıştırıcılar atomaltı dünyanın yapısı hakkında bilgi verdiğinden, 20.
yüzyılda hızlandırıcılar genel olarak atom çarpıştırıcı olarak adlandırılırdı.
İyon tesislerinin bunların dışında kaldığı çoğu hızlandırıcılar aslında atomaltı
parçacıkları harekete geçirse de bu terim genel olarak parçacık hızlandırıcı
denildiği zaman genel olarak akla gelen isimdir.
Kullanım alanları
Paris Jussieu Campus bodrum katındaki Van de Graaff jeneratöründen çeşitli deneylere kadar uzanan ışın huzmesi yolu
Uygulamalarına göre endüstriyel parçacık hızlandırıcılarının sayısının giderek azalması
İsrail Rehovot’ta artık kullanılmayan Koffler parçacık hızlandırıcı
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.
Elektrostatik Parçacık Hızlandırıcıları
Science Museum (London)de bulunan,A Cockcroft-Walton generator (Philips, 1937)
-
A 1960s single stage 2 MeV linear Van de Graaff hızlandırıcısı, burada bakım
için açıldı.
Tarihsel olarak, ilk hızlandırıcılar yüklü parçacıkları hızlandırmak için tek
statik yüksek voltajın basit teknolojisini kullandılar. Diğer tüm çeşitleri
sayıca geride bırakan elektrostatik hızlandırıcılar bugün hala son derece
popüler iken, 30 MV’lik pratik voltaj limitinden dolayı düşük enerji çalışmaları
için daha uygunlar(hızlandırıcı yüksek voltaja müsade eden sülfür, hexafluorür
gibi yüksek yalıtkan güce sahip bir gaza konur). Parçacıkların yükü terminalin
içindeyken saklanılabilirse, aynı yüksek voltaj tandem hızlandırıcıda 2 kez
kullanılabilir, bu atom çekirdeklerinin; ilk olarak extra elektron eklenmesi
veya eksi yüklü anyonik kimyasal bir bileşiğin şekillendirilmesi ve daha sonra
ışığın terminali yürüten yüksek voltaj içindeki elektronları soymak için ince
bir folyoya koyulup artı yükle yüklenmesi ile mümkündür. Elektrostatik
hızlandırıcılar parçacıkları düz bir hat boyunca hızlandırmasına rağmen,
“doğrusal hızlandırıcı terimi” genellikle statik elektrik alanlarını kullanan
hızlandırıcılardan ziyade salınımlı elektrik alanlarını kullanan
hızlandırıcılarla ilişkilendirilmiştir. Bu yüzden, 2 olgu arasındaki farkı
belirginleştirmek adına düz bir hatta hazırlanmış olan pek çok hızlandırıcı
“doğrusal” değil “elektrostatik” olarak adlandırılmıştır.
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 yarı çapın 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.
Senkrosiklotron ve Eşsüreli Siklotronlar
Klasik bir siklotron enerji limitinin arttırılması için modifiye
edilebilir. Tarihsel olarak ilk deneme, parçacıkları demetler halinde
hızlandıran senkrosiklotrondu. Sürekli manyetik B alanını kullanır fakat
dışarıya doğru ilerlerken onların bağımlı siklotron rezonans
frekansnlarını birleşirerek parçacıkları uyum içinde tutmak için
hızlandırıcı alanın frekansını düşürür. Bu girişim bükülme, geniş çaplı
büyük bir mıknatıs ve yüksek enerji tarafından gerek duyulan geniş
yörünge üzerindeki sabit alandan dolayı düşük ışıma yoğunluğundan
muzdariptir. İsochronous siklotranların geliştirildiğinden beri
Senkrosiklotronlar yapılmadı.
Göreceli parçacıkları hızlandırma problemine İkinci girişim ise
eşsüreli siklotrondur. Böyle bir yapıda, hızlanan alanın frekansı
mıknatıs kutupları manyetik alanı çap ile arttırmak için
şekillendirilerek tüm enerjiler için sabit tutulur. Böylece, tüm
parçacıklar eşzamanlı aralıklarla hızlandırılırlar. Daha yüksek enerjiye
sahip parçacıklar her yörüngede klasik siklotrondan daha kısa mesafe
seyahat ederler, böylece hızlanan alanla yörüngede kalırlar. Eş zamanlı
siklotronun avantajı yüksek yoğunluklu sürekli ışımalar yaymasıdır, ki
bu da bazı adaylar için elverişlidir. Temel dezavatajları ise ihtiyaç
duyulan mıknatısın maliyeti, büyüklüğü ve yapının daha dış köşesindeki
yüksek manyetik alan değerlerine ulaşmadaki zorluklardır. Eşzamanlı
siklotronlar geliştirildiğinden bu yana senkrosiklotronlar
üretilmemiştir.