Maddenin Yapisi - Hızlandırıcılar - Forum27 - Türkiye'nin En Büyük Forumu
Maddenin Yapisi - Hızlandırıcılar
18 March 2009, 03:18
Hızlandırmak için elektron veya proton bulmak, oldukça kolay. Bazı metaller ısıtıldıklarında, bir kısmı zaten serbest dolaşmakta olan dış kabuk elektronlarının kinetik enerjisi artıyor ve bunlardan bazıları, metal yüzeyinden kaçıp bir elektron ışını oluşturuyorlar. Proton ise, hidrojeni iyonlaştırmak suretiyle elde edilebiliyor.
Daha sonra bu yüklü parçacıklar, bir elektrik alanının içine yönlendirilip, alanın uyguladığı kuvvetle (qE) ivmelendirilebilir. Üzerlerine uygun frekansta elektromanyetik dalga gönderildiğinde, dalganın elektrik alanı bileşeni, yolu üzerinde rastladığı parçacıklara itme kuvveti uygular. Kuvvetin yönü, pozitif yüklü parçacıklar için elektrik alanının yönüyle aynı, negatif yüklü olanlar için ise ters yöndedir. Dalganın tepesine ya da dibine rastlayan parçacıklara en büyük, orta kısmına rastlayanlara ise daha küçük kuvvetler uygulanır. Sonuç olarak parçacıklar, yüklerinin işaretine bağlı olarak, bir veya diğer yönde süpürülmektedir.
Manyetik alan bileşeni parçacıklara, hareketlerine dik yönde kuvvet uyguladığından, parçacıklar doğru üzerinde değil, spiraller üzerinde kayarlar. Dolayısıyla, manyetik alan kuvvetlerinin kinetik enerji artışına bir katkısı, genelde zaten olamadığı gibi, burada da yoktur. Parçacıklar, ana hareket yönlerine dik düzlemde de hız bileşenlerine sahip olabildiklerinden, zamanla bu düzlemde bir dağılma gösterirler.
Dolayısıyla arada bir ve özellikle de çarpıştırma öncesinde, bir araya getirilmeleri gerekir. Bu amaçla tüp boyunca, ara konumlarda yerleştirilmiş, odaklayıcı 'manyetik mercek'ler bulunur. Daha ağır olan protonları hızlandırmak, elektronlara oranla daha zordur.
Parçacıkların yolları üzerinde atom veya moleküllere rastlayıp çarparak hız kaybetmemeleri için, hızlandırma işinin, vakumlanmış bir tüpün içinde yapılması gerekir. Eğer tüp bir doğru şeklinde ise, bu doğrusal bir hızlandırıcı olur. Parçacıkların ne kadar yüksek enerjilere çıkması isteniyorsa, tüpün de o kadar uzun olması gerekir. Bu durum, tüpün yerleştirileceği tünelin maliyetini arttırır. Bunun alternatifi, ek bir manyetik alan uygulamak suretiyle, parçacıkları dairesel yörüngeler üzerinde döndürerek hızlandırmaktır. Bu seçeneğe göre inşa edilen dairesel hızlandırıcılara, hızlandırma işlemi için kullanılan alan türlerine ve şekillerine bağlı olarak, 'siklotron' veya 'senkrotron' denir.
Parçacıkları R yarıçapındaki bir tüpün içinde tutabilmek için; manyetik alanın ilgili parçacık üzerinde ve parçacığın hareketine dik yönde etki ettirdiği kuvvetin (qvxB/c), merkezkaç kuvvetine (mv2/R) eşit olması gerekir.
Bu eşitliğin verdiği yarıçap değeri (R=mvc/qB) sabit kalmak zorunda olduğundan, parçacıklar hızlandıkça, onları yörüngelerinde tutmayısa çalışan manyetik alanın şiddeti arttırılmak durumundadır. Dolayısıyla, dairesel tüp üzerindeki bazı konumlarda, güçlü elektromıknatıslar bulunur. Dairesel hızlandırıcıların maliyetini yükselten unsur da budur.
Hızlandırılan parçacık demetleri; ya sabit hedeflerle çarpıştırıldıkları 'sabit hedef,' ya da kafa kafaya getirilerek çarpıştırıldıkları 'ışın çarpıştırma' deneylerinde kullanılır. Parçacıklar hızlandırılma sürecinde, ivmelendirilen her yüklü parçacığın yaptığı gibi, ışıyarak enerjilerinin bir kısmını kaybederler. Kayıp miktarı, parçacıklar hızlandıkça giderek artar ve dairesel hızlandırıcılarda, ek bir merkezkaç ivmesinin de varlığı nedeniyle, daha yüksektir. Buna karşılık doğrusal hızlandırıcılarda, hızlandırılmış olan demetlerin, başarıyla çarpıştırılamamaları halinde, hızlandırılmaları için harcanmış olan çabanın tümüyle boşa gitmesi söz konusudur. Halbuki dairesel hızlandırıcılarda, demetleri daha sonraki turlardan birinde tekrar bir araya getirmek imkanı vardır.
Doğrusal hızlandırıcılar, sabit hedef deneylerinde kullanıldıkları gibi, ışın çarpıştırmalarında da kullanılabilirler. Bazen ön hızlandırıcı olarak kullanılırlar ve hızlandırdıkları parçacıklar dairesel hızlandırıcıya aktarılırlar. Dairesel hızlandırıcılar da keza; doğrusal bir tüpe aktarımla sabit hedef deneylerinde veya doğrudan ışın çarpıştırıcı olarak kullanılabilirler. Tabii, çarpışmadan geriye kalan veya çarpışma sırasında ortaya çıkan ürünlerin belirlenmesi, deneylerin ana hedefidir. Bu amaçla çok çeşitli parçacık belirleyicileri (dedektör) kullanılmak durumundadır. Sabit hedef deneylerindeki hedef çoğu zaman, bu belirleyicinin içindeki bir malzemedir.