Akceleratory wielostopniowe (tandemy)

Podstawy wielostopniowego przyspieszania jonów przy zastosowaniu zmiany ich ładunku zostały opracowane w latach trzydziestych przez Dempstera (USA) oraz przez uczonych niemieckich Gerthsena i Petera. Tak np. Dempster przyspieszał protony za pomocą źródła wysokiego napięcia 22,5 kV do energii 45 keV. Opracowanie akceleratorów Van de Graaffa na napięcia rzędu kilku, a następnie kilkunastu MV stworzyło przesłanki szybkiego rozwoju tej interesującej techniki.

Zasada działania.

Zasada działania akceleratora dwustopniowego [1]

Na powyższym rysunku pokazano zasadę działania akceleratora dwustopniowego, zwanego popularnie tandemem. Wiązka dodatnich jonów wytwarzana jest w źródle znajdującym się na zewnątrz akceleratora. Wiązka ta przechodzi przez kanał zasilany gazem pod niskim ciśnieniem; wskutek oddziaływania jonów z tym gazem tworzą się jony ujemne przez przyłączenie, dodanie dwóch elektronów do początkowo dodatnich jonów. Wiązka jonów ujemnych zostaje z kolei skierowana do analizatora magnetycznego, który wyselekcjonowuje jony o ściśle określonym stosunku qjm. Jony są następnie wtryskiwane do komory przyspieszającej, której początek jest uziemiony. Elektroda wysokonapięciowa, połączona z drugim końcem komory przyspieszającej, ma w tym przypadku potencjał dodatni, np. rzędu kilku MV. Jony zostają przyspieszone do energii odpowiadającej tej wartości potencjału, po czym w części środkowej akceleratora przechodzą przez następny kanał „zdzierający", w którym zostają pozbawione elektronów i przemieniają się w jony dodatnie. Metoda ta nosi nazwę strippingu; elementem zdzierającym jest cienka folia metalowa lub węglowa, albo też gaz. Po przemianie na jony dodatnie wiązka zostaje ponownie przyspieszona do energii odpowiadającej potencjałowi elektrody wysokonapięciowej; prawy koniec komory przyspieszającej jest również uziemiony. W ten sposób napięcie U0 jest wykorzystywane dwukrotnie do nadania cząstkom energii podwójnej. Po wyjściu z akceleratora wiązka zostaje skierowana ponownie do analizatora magnetycznego, po czym pada na tarczę.

Zamiast układu dwustopniowego można oczywiście zastosować układ trójstopniowy lub czterostopniowy. Osiągalne energie są wówczas zależne od stopnia zjonizowania przyspieszanych jonów q (współczynnik ten może w przypadku maksymalnym osiągnąć wartość równą liczbie atomowej Z), a także od liczby stopni układu przyspieszającego

Przykładem akceleratora tandemowego jest ANTARES (Australian National Tandem Accelerator for Applied Research) [2].

Źródła

  1. Waldemar Schaff, Akceleratory cząstek naładowanych i ich zastosowania, PWN, Warszawa 1978, strony 66-72
  2. http://www.ansto.gov.au/research/facilities_and_equipment/antares.html