Rodzaje cząstek przyspieszanych

Akceleratory cząstek naładowanych są przeznaczone do przyspieszania cząstek naładowanych. Pierwszą grupę tych cząstek stanowią cząstki elementarne – elektrony i protony. Drugą grupę stanowią jony wielu pierwiastków. Jony te mogą być zarówno jedno- jak i wieloładunkowe, czyli obdarzone ładunkiem będącym wielokrotnością ładunku elementarnego.
  W technice przyspieszania cząstek przyjęto dogodny zwyczaj polegający na wyrażaniu zarówno energii jak i masy cząstek identyczną jednostką. Jednostką tą jest 1 elektronowolt (1 eV). W praktyce stosuje się wielokrotności tej jednostki: keV, MeV, GeV i TeV. Podstawowe cząstki klasyczne, które są najczęściej przyspieszane w akceleratorach to:

-Elektrony. Ładunek elektronu e=1.6021917*10¹⁹ C. Znane są elektrony o ładunku ujemnym jak i dodatnim – pozytony. Elektrony są najlżejszymi cząstkami przyspieszanymi w akceleratorach. Masa spoczynkowa elektronu wynosi ok. 0.511 MeV.

-Protony. Oznaczamy symbolem p. Są jądrami wodoru o masie spoczynkowej 938 MeV. Proton obdarzony jest jednostkowym ładunkiem elementarnym. Protony należą do cząstek trwałych i zajmują drugie miejsce po elektronach pod względem częstości zastosowań.

-Deuterony. Oznaczamy je symbolem d. Są one jądrami deuteru, izotopu wodoru o liczbie masowej 2, ²H. Deuteron składa się z protonu i neutronu, wiec jego masa jest w przybliżeni dwukrotnie większa od masy protonu. Stosowane są one często w technikach akceleracyjnych, przede wszystkim ze względu na możliwość wywołania różnych reakcji jądrowych.

-Cząstki alfa. Oznaczamy je symbolem a, cząstki te są jądrami atomów helu ⁴He. Ich
masa spoczynkowa wynosi ok. 3733 MeV. Posiadają dodatni ładunek o wartości 2e.

-Ciężki jony. Pod tym pojęciem rozumiemy jony pierwiastków o liczbie masowej większej niż 2. W akceleratorach przyspieszane są zarówno jony dodatnie jak i ujemne.

Odzielne zagadnienie stanowi wytwarzanie neutronów, co zostanie omówione w dlaszej częsci opracowania.

Klasyfikacja i rozwój metod przyspieszania cząstek

  Od chwili odkrycia w roku 1919 zjawiska sztucznych przemian promieniotwórczych, aż do roku 1932 fizyka jądrowa dysponowała wyłącznie naturalnymi źródłami cząstek elementarnych o dużych energiach. Źródłami tymi były izotopy naturalnych pierwiastków promieniotwórczych, emitujące cząstki alfa. Początkowo stosowano do tego celu izotopy polonu i radu, otrzymując cząstki alfa o energiach odpowiednio 5,30 oraz 7,68 MeV. Przed fizyką doświadczalną stanęło więc zadanie zbudowania urządzeń, które mogłyby wytwarzać strumienie cząstek elementarnych o energiach wyższych niż energie naturalnych źródeł.
  W roku 1932 Cockcroft i Walton przy współpracy Rutheforda skonstruowali pierwszy akcelerator cząstek elementarnych . Akcelerator ten, nazwany działem elektronowym, składał się z komory przyspieszającej, wewnątrz której mieściło się źródło elektronów z żarzoną katodą oraz elektrod przyspieszających. Emitowane przez katodę elektrony były przyspieszane przez pole elektryczne, wytwarzane pomiędzy katodą a anodą , zasilaną niewielkim napięciem dodatnim. Przebiegające przez wodór wypełniający komorę, elektrony powodowały w pobliżu anody jonizację dużej liczby atomów gazu (powstawały protony). Protony były przyspieszane pomiędzy anodą a elektrodą przyspieszającą, do których przyłożone było napięcie 150 kV. Protony uzyskiwały więc energie 150 keV, po czy wydostawały się przez okienko komory. Prostopadle do wiązki protonów umieszczona była tarcza litowa. Z bombardowanej tarczy wyrzucane były cząstki o energii dochodzącej do 8.6 MeV. Cockcroft i Walton postawili hipotezę iż podczas bombardowania zachodzi reakcja przyłączenia protonu do atomu litu, wskutek którego powstawało jądro berylu. Jądro to było niestabilne i rozpadało się natychmiast na dwie cząstki a . Ponieważ energia takiej cząstki wyznaczona doświadczalnie wynosiła 8.6 MeV to rozpad berylu powodował wyzwolenie 17.2 MeV energii.
  Doświadczenie Cockcrafta i Waltona umożliwiło po raz pierwszy uzyskanie przemian jądrowych, dokonanych za pomocą cząstek naładowanych, sztucznie przyspieszonych przez akcelerator działający w oparciu o pole elektryczne. Kolejne akceleratory wyposażane były w generatory coraz wyższych napięć (min. często stosowany generator elektrostatyczny        Van der Graaffa) oraz generatory kaskadowe. Wszystkie te urządzenia to akceleratory liniowe wysokonapięciowe.  Oprócz wspomnianych generatorów kaskadowych Cockcrafta – Waltona i generatorów elektrostatycznych Van der Graaffa, jako źródła wysokiego napięcia można stosować transformatory, generatory rezonansowe, elektrostatyczne wirnikowe lub generatory Marxa. Podstawową wadą akceleratorów wysokonapięciowych liniowych, są bardzo wysokie wymagania izolacyjne stawiane komorze akceleracyjnej. Napięcia występujące w tego typu urządzeniach sięgają ok. 15 MV, co odpowiada energii cząstek równej 15 MeV.
  Od wady tej wolne są akceleratory liniowe wielkiej częstotliwości. Nazwa ta określa akcelerator, w którym cząstki przyspieszane biegną również po linii prostej, wewnątrz szeregu elektrod. Napięcie przyspieszające wielkiej częstotliwości przyłącza się kolejno do sąsiednich pierścieni tak, aby w chwili, gdy cząstka znajduje się w przerwie między pierścieniami, istniejące tam napięcie powodowało wzrost energii cząstek .W efekcie energia ta może dochodzić do wartości rzędu dziesiątek GeV. Wadą tego typu akceleratora są jego stosunkowo duże rozmiary ( przykładowo uzyskanie 35 GeV wymaga akceleratora o długości 3200 m).
  Następnym krokiem w rozwoju technik przyspieszania cząstek naładowanych było opracowanie kilku rodzajów akceleratorów określanych wspólnym mianem akceleratorów cyklicznych. Cząstki poruszają się w nich po torach spiralnych lub zbliżonych do kołowych. Zakrzywienie toru uzyskuje się za pomocą pola magnetycznego, skierowanego prostopadle do płaszczyzny toru, lub - mówiąc w języku technik przyspieszania – do płaszczyzny ich orbity. Do tego typu akceleratorów zaliczamy cyklotrony, betatrony, synchrotrony, mikrotrony oraz akceleratory pochodne, takie jak synchrocyklotrony, cyklotrony relatywistyczne.

Rodzaje akceleratorów

Akceleratory liniowe

Akceleratory tego typu dzielimy na wysokonapięciowe elektrostatyczne, wysokonapięciowe elektrodynamiczne oraz akceleratory wysokiej częstotliwości.

Akceleratory wysokonapięciowe elektrostatyczne
Pod tą nazwą rozumiemy akceleratory cząstek naładowanych o torze prostoliniowym wyposażone w generator wysokiego napięcia, pracujący na zasadzie elektrostatycznej. Stosowane są dwa rodzaje generatorów elektrostatycznych, a mianowicie generatory typu Van der Graaffa oraz generatory Feliciego, zwane również generatorami o wirującej tarczy, lub generatorami wirnikowymi.

Generator wysokonapięciowy Van der Graaffa (rysunek powyżej) był wielokrotnie udoskonalany od czasu jego wynalezienia. Jednak jego podstawowa idea opiera się na następującym schemacie - pomiędzy dwoma walcami napięty jest pas transportowy wykonany z materiału izolacyjnego. Dolny walec pełni rolę napędową. W dolnej części generator umieszczone jest urządzenie do ładowania pas. W pobliżu pasa znajduje się ostrze pełniące rolę emitera. Pod działaniem silnego pola elektrycznego w otaczającym ostrze ośrodku gazowym powstają jony dodatnie i ujemne. Dodatni potencjał ostrza odpycha jony dodatnie, które osadzają się na pasie. Ładunki te rozkładają się równomiernie na powierzchni pasa, po czym wraz z pasem przemieszczają się ku górze.Wewnątrz kulistej elektrody, zwanej elektrodą wysokonapięciową zainstalowane jest drugie ostrze noszące nazwę kolektora. Kolektor zbiera dodatnie ładunki, znajdujące się na powierzchni pasa, po czym przekazuje je na powierzchnię elektrody wysokonapięciowe, która w ten sposób uzyskuje coraz wyższy potencjał (dodatni). Różne innowacje wprowadzone do budowy akceleratora Van der Graaffa pozwoliły na zwiększenie jego efektywności. Urządzenia tego typu charakteryzuje pewna wartość napięcia granicznego. Dla nowoczesnych generatorów sięga ono kilkudziesięciu MeV.
Do zasilania akceleratorów cząstek elementarnych wysokim napięciem oprócz generatorów elektrostatycznych Van der Graaffa stosowane są również generatory wirnikowe. Działanie generatora wirnikowego jest analogicznie do działania generatora typu Van der Graaffa. Podstawową zaletą tych urządzeń są bardzo niewielkie wymiary. Generatory wirnikowe wytwarzają napięcia poniżej 1 MeV.

Akceleratory wysokonapięciowe elektrodynamiczne
  Są to urządzenia których komora przyspieszająca zasilana jest również wysokim napięciem o wartości odpowiadającej energii końcowej przyspieszanych cząstek. Napięcie to uzyskuje się z generatorów pracujących na zasadach elektrodynamicznych, odmiennych od zasady działania generatorów elektrostatycznych. Podstawowymi rodzajami wysokonapięciowych akceleratorów elektrodynamicznych są akceleratory kaskadowe oraz akceleratory z transformatorami o izolowanym rdzeniu.
  Akceleratory kaskadowe, zwane również akceleratorami Cockcrofta-Waltona , są historycznie najstarszym rodzajem akceleratorów posiadającym jednak wiele zalet eksploatacyjnych. Układ elektryczny akceleratora tego typu został opracowany w roku 1920 i znany jest jako układ Greinachera. Generator kaskadowy składa się z identycznych stopni, zawierających kondensatory i prostowniki. Stopnie te noszą nazwę kaskad. Pierwszy stopień zasilany jest z wtórnego uzwojenia transformatora. Szczytowa wartość napięcia tego uzwojenia wynosi U. Jeżeli układ zbudowany jest z n kaskad to otrzymywane na wyjściu napięcie stałe wynosić będzie 2nU. Nowoczesne i znacznie udoskonalone wersje tego układu mogą wytwarzać napięcie do 5MeV.
  Akceleratory z transformatorami o izolowanym rdzeniu są oznaczane często skrótem ICT (insulating core transformer). Zwykłe transformatory wysokonapięciowe nie nadają się w technice przyspieszania do wytwarzania napięć wyższych niż       ok. 400 kV. Urządzenia takie są nieprzydatne z powodu trudności izolacyjnych, dużego ciężaru i dużych wymiarów oraz niemożliwości uzyskania większych napięć. W ITC rdzeń jest podzielony na szereg sekcji oddzielonych od siebie cienką folią izolacyjną. Silny strumień magnetyczny przepływający przez rdzeń, powoduje indukowanie w poszczególnych sekcjach napięć zmiennych o wartość do kilkuset kilowoltów. Uzwojenie każdej sekcji wyposażony jest w układ prostowniczy. Poszczególne układy prostownicze są połączone szeregowo, dając w wyniku napięcie nawet do kilku milionów volt.
  W technice przyspieszania cząstek stosuje się także inne źródła wysokich napięć. Należy wymienić tutaj akceleratory produkowane przez amerykańską firmę Radiation Dynamics – dynamitrony. Stosuje się także transformatory rezonansowe, transformatory Tesla oraz generatory Marxa wykorzystywane do generowania silnych impulsów wysokiego napięcia o bardzo dużym natężeniu prądu.

Akceleratory liniowe wielkiej częstotliwości (w.cz)
  W akceleratorach takich cząstki poruszają się po torach w przybliżeniu prostoliniowych. W zależności od rodzaju akceleratora przyrost energii cząstek następuje w polu elektrycznym w.cz., indukowanym synchronicznie z przebiegiem cząstek w szczelinach współosiowego układu cylindrycznych elektrod, lub w polu elektrycznym fali elektromagnetycznej stojącej lub bieżącej, indukowanej w falowodzie (rysunek).
 

Akceleratory elektronowe w. cz.
  Generatory wielkiej częstotliwości pracują na częstotliwościach rzędu nawet tysięcy MHz. Wykorzystuje się tu stosowane w technice mikrofalowej lampy generacyjne wielkiej częstotliwości zwane klistronami. Większość akceleratorów liniowych w.cz. zawiera jeden klistron i jedną lub dwie sekcje przyspieszające. Akceleratory takie przeznaczone są zazwyczaj do celów użytkowych, a ich maksymalna energia nie przekracza 50 MeV. Uzyskiwane są wartości przyrostu mocy ok. 10 MeV na 1 m długości falowodu. Jeżeli chodzi o akceleratory przeznaczone do zastosowań badawczych to ich energie zawierają się w zakresie 80–2000 MeV.

Akceleratory jonowe w. cz.
  Różnią się od akceleratorów elektronowych tego samego typu przede wszystkim budową struktur przyspieszających. Różnice te wynikają głównie z różnic w zachowaniu się dynamicznym cząstek lekkich i ciężkich. Urządzenia te są obecnie stosowane jako : wtryskiwacze, czyli akceleratory wstępne dużych synchrotronów protonowych, fabryki mezonów, akceleratory ciężkich jonów.
 
 

Cyklotrony i synchrotrony

Cyklotrony klasyczne
W cyklotronach klasycznych, źródło jonów umieszczone w części środkowej emituje wiązkę jonów, poruszających się wewnątrz dwóch półkolistych elektrod zwanych, zwanych duantami. Cząstki przyspieszone poruszają się po torze zbliżonym do spiralnego. Zakrzywienie ich torów uzyskuje się przez umieszczenie układu w polu magnetycznym, skierowanym prostopadle do płaszczyzny duantów (rysunek).

Cząstki przyspieszane w cyklotronie klasycznym mogą osiągać energie poniżej pewnej wartości E_max. Wynika to z warunku stałej prędkości kątowej cząstek o różnych energiach, poruszających się w jednorodnym polu magnetycznym. Warunek ten jest w przybliżeniu spełniony tylko dla stosunkowo niewielkich energii. Jako praktyczne kryterium rozsynchronizowania procesu przyspieszania przyjmuje się taki przyrost energii kinetycznej cząstki, który jest równoważny przyrostowi masy spoczynkowej o ok. 1%. Poniższa tabela prezentuje wartości mas spoczynkowych poszczególnych cząstek i odpowiadające im E_max.
 
 

Cząstki	E0	Emax
protony	938 MeV	10 MeV
deuterony	1877 MeV	20 MeV
cząstki alfa	3733 MeV	40 MeV
elektrony	0.511 MeV	5 keV

Z kryterium tego wynika, że cyklotron klasyczny jest nieprzydatny do przyspieszania elektronów. Cyklotrony klasyczne mają obecnie znaczenie raczej historyczne. W związku ze wspomnianym wyżej ograniczeniem energii maksymalnej, cyklotrony klasyczne przekształcone zostały w cyklotrony izochroniczne, które zostaną omówione dalej.

Synchrocyklotrony
  Sposób przyspieszania cząstek w synchrocyklotronie został opracowany w roku 1945. Polega on na tym, że zjawisko relatywistycznego wzrostu masy kompensowane jest za pomocą zmian częstotliwości napięcia przyspieszającego. W synchrocyklotronie zwanym również cyklotronem z modulowaną częstotliwością, częstotliwość napięcia przyspieszającego jest funkcją czasu. Powoduje to, że cząstka pozostaje zsynchronizowana z polem przyspieszającym, gdy wzrasta jej masa relatywistyczna. Usuwane jest więc podstawowe ograniczenie energii osiąganych w cyklotronie klasycznym. Energie osiągane w synchrocyklotronach przewyższają znacznie energie w cyklotronach klasycznych i sięgają 1 GeV.

Cyklotrony izochroniczne
Metodę cyklotronową można wykorzystywać do przyspieszania cząstek relatywistycznych nie wprowadzając modulacji napięcia przyspieszającego, na której oparte jest działanie synchrocyklotronu. Metoda ta polega na całkowicie odmiennym rozkładzie pola magnetycznego. W cyklotronach izochronicznych, zwanych cyklotronami z azymutalną modulacją pola zastosowano zasadę silnego ogniskowania, która stworzyła możliwości przyspieszania cząstek relatywistycznych do bardzo wielkich energii. Azymutalną modulację pola realizuje się poprzez specyficzne ukształtowanie nabiegunników. Zamiast nabiegunników płasko–równoległych, jak w cyklotronie klasycznym, stosuje się nabiegunniki na których powstają wzgórza i doliny magnetyczne. Każdemu sektorowi stanowiącemu rodzinę odpowiada sektor stanowiący wzgórze. W praktyce stosuje się najczęściej trzy lub cztery pary takich sektorów; kształt takich sektorów może być spiralny bądź trójkątny. Tor cząstek w cyklotronie izochronicznym jest zdeformowany i różny od spiralnego jaki występuje w cyklotronie klasycznym. Dzięki tej deformacji orbit uzyskuje się stały czas obiegu cząstki, niezależny od promienia orbity, czyli od energii. Stąd właśnie wywodzi się nazwa cyklotronu izochronicznego, czyli cyklotronu o stałym czasie obiegu cząstek. Dzięki temu zbędna staje się modulacja częstotliwości napięcia przyspieszającego, które zastosowano w synchrocyklotronach.
 
 

Betatrony

  W akceleratorze przyspieszającym elektrony, zwanym betatronem, wykorzystuje się zjawisko wytwarzania przez zmienne pole magnetyczne wirowego pola elektrycznego. Betatron składa się z pierścieniowej komory przyspieszającej umieszczonej między biegunami elektromagnesu. Elektrony poruszają się po torach kołowych. W odróżnieniu od cyklotronu brak tu elektrod przyspieszających zasilanych napięciem o wielkiej częstotliwości. Pole magnetyczne elektromagnesów spełnia bowiem w betatronie podwójną rolę. Po pierwsze powoduje ono zakrzywienie elektronów i utrzymuje je na orbicie kołowej, a po drugie – indukuje napięcie, które nadaje elektronom przyspieszenie styczne do orbity. Podczas jednego obiegu po orbicie elektron uzyskuje stosunkowo niewielka energię, rzędu kilkunastu lub kilkudziesięciu elektronowoltów. Ponieważ jednak liczba obiegów można być duża i wynosić na przykład milion, energia końcowa sięga wartości kilku milionów lub dziesiątków milionów elektronowoltów. W rdzeniu magnetycznym, wzbudzanym przez uzwojenie zasilane prądem zmiennym, powstaje analogiczny jak w transformatorze zmienny strumień magnetyczny F . Przebieg zmian tego strumienia w czasie odpowiada przebiegowi prądu wzbudzającego. Rolę uzwojenia wtórnego, występującego w transformatorze elektrycznym, spełnia w betatronie komora przyspieszająca. Ściśle biorąc, “uzwojenie” to stanowi wiązka elektronów, krążących wewnątrz komory. Na elektrony poruszające się po orbicie kołowej wewnątrz komory przyspieszającej oddziałuje w betatronie pole magnetyczne, którego zadaniem jest wytwarzanie siły Lorentza, powodującej zakrzywienie toru elektronów.
  Betatron nie jest akceleratorem, za pomocą którego można przyspieszać elektrony do dowolnych energii. Na przeszkodzie stoją tu straty energii na promieniowanie, powstające podczas ruchu elektronów po torze kołowym. Straty te wzrastają wraz ze zwiększającą się energią elektronów. W związku z tym ograniczeniem zakres energetyczny współczesnych betatronów nie przekracza 50 MeV.
  Konstrukcje betatronów są zróżnicowane w zależności od ich przeznaczenia. Podstawowe zakresy zastosowań betatronów to radioterapia, radiografia oraz fotoaktywacja. Zastosowania te zostaną szerzej omówione w dalszej części opracowania.
 
 

Synchrotrony

  W omawianych dotychczas akceleratorach kołowych, praktycznie niemożliwe było przekroczenie granicy energetycznej, wynoszącej w przybliżeniu 1 GeV. W dziedzinie akceleratorów kołowych granicę tę udało się przekroczyć dopiero po opracowaniu synchrotronowej metody przyspieszania cząstek. Metoda ta została opracowana w okresie powojennym.
  Zasada działania synchrotronowej metody przyspieszania cząstek polega na nadawaniu tym cząstkom coraz większych energii podczas ruchu na orbicie o stałym promieniu. Pole magnetyczne synchrotronu musi mieć więc przebieg zmienny w czasie. Właściwe przyspieszanie cząstek uzyskuje się w synchrotronach za pomocą szczelin (rezonatorów) zasilanych napięciem wielkiej częstotliwości. W synchrotronach elektronowych z uwagi na to, że elektrony już przy stosunkowo niewielkich energiach uzyskują prędkości bliskie c, częstotliwość ich obiegu jest w przybliżeniu stała w czasie całego cyklu przyspieszania. Stąd również częstotliwość napięcia przyspieszającego może mieć wartość stałą. Natomiast w synchrotronach protonowych prędkość powoli rozpędzających się protonów –lub ciężkich jonów –zmienia się w czasie cyklu przyspieszania w stosunkowo szerokich granicach. Z tego względu oprócz zmiennego w czasie pola magnetycznego niezbędne jest również wprowadzenie zmiennej częstotliwości napięcia przyspieszającego, czyli modulacji tej częstotliwości.
  W synchrotronach dużą rolę odgrywa tzw. zasada samofazowania. Zasada ta polega mniej więcej na tym, że elektrony wstrzykiwane do synchrotronu po przyspieszeniu wstępnym, muszą się znaleźć w przestrzeni przyspieszającej z odpowiednią fazą, to znaczy wtedy, gdy pole przyspieszające narasta. Zjawisko samofazowania jest charakterystyczną cechą przyspieszania synchrotronowego.

Synchrotrony elektronowe
  Przyspieszona w synchrotronie wiązka elektronów emituje promieniowanie o pewnym charakterystycznym widmie. Widmo tego promieniowania jest bardzo szerokie. Rozciąga się od promieniowania widzialnego do częstotliwości rzędu 10¹⁵ Hz. W zależności od energii wiązki, maksimum natężenia przypada dla innej długości fali (np. dla 70 MeV jest to zakres widzialny). Natężenie promieniowania wysyłanego przez przyspieszane elektrony jest tak silne, że już przy energii 30 MeV jest ono widoczne gołym okiem. Zjawisko to umożliwia dokonywanie zdjęć fotograficznych toru wiązki. Promieniowanie synchrotronowe jest wykorzystywane w fizyce jądrowej oraz terapii chorób nowotworowych. O zastosowaniach akceleratorów będzie szerzej mowa w dalszej części opracowania. Warto wspomnieć, że promieniowanie synchrotronowe jest źródłem strat energetycznych.
  Pierwszy synchrotron elektronowy został zbudowany w Anglii w 1946 r. ( energia 8 MeV). Współczesne synchrotrony na energię np. 10 GeV mają promień ok. 100 m. Za poziom opłacalności uważa się wartość kilkunastu GeV.

Synchrotrony protonowe
  Opracowanie pierwszego synchrotronu protonowego rozpoczęto 1947 r. na Uniwersytecie w Birmingham. Budowę zakończono w roku 1953 i osiągnięto energię 0.9 GeV. Równocześnie rozpoczęto w USA pracę nad znacznie większymi synchrotronami. Zbudowane na podstawie tych prac synchrotrony zostały uruchomione w latach 1952 i 1954. Przyspieszały one protony do energii 3 GeV (1952 r.) i 6 GeV (1954r.). Ten ostatni został nazwany bewatronem. Za pomocą bewatronu odkryto między innymi antyproton. Poniższy rysunek prezentuje synchrotron protonowy z Laboratorium Fermiego, w którym wytwarza się antyprotony.

W kolejnych latach następuje stały postęp w dziedzinie budowy synchrotronów na coraz większe energie. Największe współczesne synchrotrony mogą przyspieszać protony do energii 1000 GeV oraz jądra śreniociężkie do energii 200 GeV na jeden nukleon (synchrotron w Batawii w USA). W dużych akceleratorach stosuje się raczej kilka stopni przyspieszania. Projekty nowych akceleratorów przewidują budowę urządzeń na energię kilkudziesięciu TeV.
 

Inne rodzaje akceleratorów

Mikrotrony
  Są to akceleratory służące wyłącznie do przyspieszania elektronów. W mikrotronach, pomiędzy nabiegunnikami elektromagnesu o budowie zbliżonej do elektromagnesów cyklotronu, elektrony poruszają się po orbitach kołowych, które niezależnie od wartości promienia mają jeden punkt styczny. W obszarze tego punktu umieszczony jest rezonator przyspieszający wielkiej częstotliwości. Podczas każdego obiegu elektrony przyspieszane są tylko raz.
  Mikrotronową zasadę przyspieszania elektronów opracował Weksler w roku 1944, a zastosowano ją dopiero na początku lat sześćdziesiątych. Mikrotrony umożliwiają osiągnięcie energii od 5 do 50 MeV. Stosuje się je głównie jako urządzenia badawcze oraz jako wtryskiwacze większych akceleratorów elektronowych (np. synchrotronów elektronowych). Zaletą mikrotronów jest prosta budowa i niewielkie rozmiary.

Akceleratory grupowe
  Metoda przyspieszania grupowego została opracowana przez wspomnianego wyżej radzieckiego specjalistę –Wekslera. Podstawową cechą tej metody jest przyspieszanie bardzo dużych grup cząstek, wykorzystując doświadczenia z dziedziny techniki plazmy i techniki laserowej. Zarówno w plazmie, jak i w ognisku dużego lasera mogą bowiem w określonych warunkach powstawać pomiędzy grupami cząstek pola elektryczne o bardzo dużym natężeniu, sięgających wartości 10⁸ V/cm. Okazuje się, że jeżeli do grupy elektronów dodać niewielką porcję cząstek o ładunku dodatnim, to siły odpychania kulombowskiego zostaną skompensowane. Przy przyspieszeniu grupowym ciężkie jony o ładunku dodatnim osiągają tyle razy większą energię od energii lekkich elektronów, ile razy masa jonów jest większa od masy elektronów. Dzięki temu skuteczne pole przyspieszającemoże być kilkakrotnie większe od pola zewnętrznego pola przyspieszającego. Przyspieszanie jonów w akceleratorach grupowych następuje w wyniku udziału przyciągających sił kulombowskich, działających pomiędzy elektronami danej grupy a dodatnimi ładunkami ciężkich jonów.
  Koncepcja przyspieszania grupowego została opracowana w roku 1956, jednak doczekała się urzeczywistnienia dopiero jedenaście lat później. Powodem było niewielkie zaawansowanie w technikach plazmy i laserowych.
 

Wytwarzanie neutronów

  Wytwarznie neutronów jest zagadnienniem zgoła odmiennym od wytwarzania wiązek cząstek naładowanych, ponieważ nieadekwatne okazują się metody bazujące na zjawiskach elektromagnetycznych, takich jak przyspieszanie silnym polem lub ogniskowanie cewkami kwadropulowymi.
  Neutrony można wytwarzać w typowych reakcjach jądrowych
        a+X -->Y+b
 gdzie a jest cząstką bombardującą, X -substancją tarczową, Y to pozostałe jądro a b to cząstlka emitowana podczas reakcji (neutron). Do wytworzenia cząstek a można stosować różne akceleratory cząstek naładowanych (protony, deutrony, jony He itd.). Jako tarczę stosuje się często beryl lub tryt. Do wytwarzania neutronów na dużą skale stosuje się generatory neutronów. Stosuję się w nich głównie akceleratory wysokonapięciowe, ale także np. cyklotrony izochroniczne przy zastosowaniu których uzyskuje się neutrony o energiach kilkunastu MeV i strumieniu rzędu 10¹²n/s.

Zastosowania wiązek promieniowania
 

Zastosowania akceleratorów w badaniach naukowych

  Od początku powstania akceleratorów były one stosowane do bombardowania różnych obiektów doświadczalnych za pomocą strumieni przyspieszonych cząstek. Ponieważ cząstki mają właściwości falowe, akcelerator umożliwia badania szczegółów budowy jądra atomowego za pomocą wiązki przyspieszonych cząstek. Badania te obejmują zarówno struktury jądrowe jak i subjądrowe.

Mikroskopia elektronowa
  Zdolność rozdzielcza zwykłego mikroskopu optycznego jest uzależniona od długości fali światła padającego na dany obiekt. Przy zastosowaniu światła widzialnego (najmniej 0.4 m m) można oglądać w mikroskopie optycznym obiekty do ok. 0.025 m m. Stosując zamiast światła widzialnego wiązkę elektronową posiadającą również właściwości falowe, można uzyskać powiększenie rzędu setek tysięcy razy. Długość fali de Broglie’a jest dla elektronów ponad 10⁵ razy mniejsza od długości fali świetlnej. Dzięki temu mikroskopy elektronowe mogą być stosowane do badania struktur o wymiarach rzędu pojedynczych atomów.

Wytwarzanie nowych cząstek i pierwiastków
  Nadając przyspieszonym cząstkom odpowiednio duże energie, można nie tylko badać za ich pomocą strukturę jądra atomowego i jego fragmentów, ale także wytwarzać zupełnie inne cząstki. Nowe, wtórne cząstki powstają dzięki energii cząstek pierwotnych. Zanim zdołano zbudować pierwsze duże akceleratory cząstek naładowanych, odkryto w promieniowaniu kosmicznym wiele nowych rodzajów cząstek elementarnych. Jednak promieniowanie kosmiczne posiada dwie podstawowe wady: jego natężenie jest niewielkie i występuje w niekontrolowany sposób. Konieczne więc było zbudowanie sztucznych źródeł promieniowania, które odznaczałoby się dużą intensywnością i dawałoby możliwość kontrolowania energii cząstek. W akceleratorach udało się wytworzyć wiele nowych cząstek (min. piony, miony, kaony, neutrina), oraz wiele nowych pierwiastków.

Podstawowe metody badawcze
  Do najbardziej rozpowszechnionych metod badawczych fizyki jądrowej należą rozpraszania różnych cząstek na jądrach. Umożliwiają one zarówno badanie samego procesu rozpraszania jak i związanych z nią reakcji. W reakcjach tych występują prawa zachowania różnych wielkości takich jak energia, pęd, parzystość itd. Z praw zachowania wynikają odpowiednie reguły wyboru. W zależności od energii i długości fali rozpraszanej można otrzymać informacje o zachowaniu się jądra, własnościach jego powierzchni oraz o budowie wewnętrznej. Najczęściej wykonuje się doświadczenia z rozpraszaniem protonów i neutronów. Doświadczenia z rozpraszaniem typu (p,p), (n,n), (n,p) dostarczają cennych informacji o siłach jądrowych. Stosuje się również metody rozpraszania elektronów na jądrach.

Akceleratory w fizyce wielkich energii
  Badania nad cząstkami elementarnymi wyodrębniły się z badań nad jądrem atomowym w oddzielną gałąź fizyki, nazwaną fizyką wielkich energii. Dziedzina ta zajmuje się badaniem obiektów, które wydają się być pod jakimś względem bardziej elementarne od jąder atomowych. W doświadczeniach przeprowadzonych za pomocą akceleratorów cząstek elementarnych zdobyto i zdobywa się nadal olbrzymi materiał doświadczalny, którego nagromadzenie znacznie przewyższa rozwój teorii. Odkryto wiele nieznanych wcześniej cząstek niezwykle szybko rozpadających się oraz stwierdzono istnienie symetrii w obrębie świata tych cząstek, co pozwoliło na utworzenie ich systematyki. Próby wyjaśnienia nowych prawidłowości doprowadziły do powstania teorii kwarków. Rozpoczęto też badania dotyczące różnych rodzajów oddziaływań między różnymi rodzajami cząstek, podjęto próby unifikacji natury oddziaływań.

Odkrycia nowych cząstek
  Przykładem jednego z najciekawszych zastosowań akceleratorów na bardzo wielkie energie jest odkrycie antyprotonu. Istnienie antyprotonu można było przewidzieć teoretycznie. Odkrycie zostało dokonane na Uniwersytecie w Berkley (1955 rok) przy pomocy wspomnianego wcześniej bewatronu przyspieszającego protony do energii 6 GeV. Innym ważnym wydarzeniem było odkrycie atomu mionium –cząstki elementarnej składającej się z dodatniego mionu m⁺ i elektronu. Dokonał tego Hughs w roku 1960. Ponieważ mionium jest najprostszym układem w którego skład wchodzą obie cząstki: mion i elektron, zbadanie tego układu dostarczyło istotnych informacji dotyczących wzajemnych związków tych cząstek. Innym powodem zainteresowania mionium było to, że jest to układ wodoropodobny. Przykładem kolejnego odkrycia, było odkrycie cząstki J/Yprzez Tinga i Richtera w 1974 roku. Za to osiągnięcie obaj uczeni otrzymali Nagrodę Nobla.

Akceleratory w fizyce ciężkich jonów
  W odróżnieniu od reakcji wywołanych przez przyspieszone protony lub neutrony, w których jądro tarczy oddziałuje tylko z jednym nukleonem, badania rekcji z ciężkimi jonami dostarczają informacji o bezpośrednim oddziaływaniu całych zespołów nukleonów. Duże energie konieczne są w tych badaniach ze względu na wysoką barierę kulombowską, którą musi pokonać bombardujący jon, ażeby wejść w bezpośredni kontakt z bombardowanym jądrem. Duże zainteresowanie wiązkami ciężkich jonów wynika z możliwości wytwarzania pierwiastków superciężkich oraz z możliwości badania krótkożyciowych układów jądrowych zbudowanych z 300 do 500 nukleonów. Obecnie kładzie się bardzo silny nacisk na rozwój akceleratorów jąder atomowych (osiąga się wartości energii kilkuset GeV/nukleon co odpowiada dziesiątkom TeV na jądro).
 
 

Zastosowania wiązek promieniowania w medycynie i radiobiologii

Zastosowania radioterapeutyczne
  Jako urządzenie do rutynowych napromieniowań terapeutycznych znalazły zastosowanie trzy rodzaje akceleratorów : liniowe akceleratory wysokonapięciowe typu Van der Graaffa , betatrony oraz liniowe akceleratory wielkiej częstotliwości. Pierwszy typ akceleratora jest już w praktyce nieużywany. Najszerzej używane są liniowe akceleratory w.cz.
  Biologiczne oddziaływanie promieniowania określa się za pomocą jonizacji, która zachodzi pod działaniem promieniowania w tkankach. Jednostką jonizacji jest 1 rad –dawka, przy której w każdym gramie substancji absorbowane jest 100 ergów energii. W celu zmniejszenia żywotności komórek niezbędne są dawki 20...30 krad. Już przy znacznie mniejszych dawkach powstają w tkankach gwałtowne zmiany, w szczególności przestają goić się rany pooperacyjne. Ogólne napromieniowanie ciała dawką powyżej 15 rad może stanowić niebezpieczeństwo dla zdrowia. Przy dawkach ogólnych ok. 700 radów następuje śmierć w ciągu dwóch –trzech tygodni na skutek porażenia organów krwiotwórczych (szpiku kostnego), a przy dawkach powyżej 1000 radów –śmierć w ciągu kilku dni, przede wszystkim w wyniku uszkodzenia mózgu i błony śluzowej jelit.
  Napromieniowanie wyrażone w radach określa dawkę fizyczną, a nie biologiczną. Oddziaływanie biologiczne zależy nie tylko od wartości jonizacji, ale również od jej rozkładu w tkankach. Gęsty, zjonizowany ślad działa na komórki silniej niż kilka luźnych śladów o tej samej średniej koncentracji jonizacji. Koncentracja ta jest proporcjonalna do ilości energii traconej przez cząstkę na jednostkę długości drogi (keV/mm), czyli od tzw. współczynnika liniowego przekazywania energii (WLPE). Promieniowanie X 200 kV ma WLPE =3 keV/m m, protony o energii 130 MeV –0.6 keV/mm, a jądra odrzutu od neutronów w reakcji rozszczepienia –30...50 keV/mm.
  Biologiczna efektywność napromieniowania jest zależna od sposobu napromieniowania. Gdy pomiędzy kolejnymi napromieniowaniami mija czas co najmniej rzędu kilku dni, tkanka nadąż z regeneracją. Zdolność regeneracji zależy od rodzaju tkanki. Stosunkowo szybko ustępują porażenia mięśni i skóry, podczas gdy np. tkani nerwowe prawie nie regenerują się. Do napromieniowania nowotworów złośliwych stosuje się zwykle dawki 200...500 radów przez dłuższy czas.
 

Sterylizacja radiacyjna
  Rozwój sterylizacj radiacyjnej został spowodowany przez rozpowszechnienie w medycynie wyrobów jednorazowych oraz sterylnych rodków opatrunkowych. Przy zastosowaniu tego rodzaju sterylizacji, proces wyjaławiania przebiega praktycznie na zimno, dzięki czemu można sterylizować wszystkie farmaceutyki i materiały medyczne nie znoszące obciążenia cieplnego. Dzięki przenikliwoci wysokoenergetycznej wiązki elektronów lub promieniowania gamma, sterylizację można realizować po zapakowaniu wyrobu. Sam proces może przebiegać w sposób ciągły, co jest szczególnie porządane przy produkcji wielkoseryjnej. Sterylizacja następuje tu jako ostania faza produkcyjna, dlatego też wszystkie fazy poprzednie mogą być niesterylne. Nie bez znaczenia jest również niska cena sterylizacji radiacyjnej, niekiedy nawet kilkakrotnie niższa od kosztów sterylizacji metodami tradycyjnymi.
  Wporównniu z organizmami wyższego rzędu mikoroorganizmy odznaczają się stosunkowo dużą odpornocią na napromieniowanie Skutecznoć oddziaływania promieniowania wyrażą się za pomocą tzw. współczynnika inaktywacji, wyrażonego stosunkiem liczby mikroorganizmów, które przetrwały żywe, do liczby przed napromieniowaniem.
  Dobór rodzaju i energii promieniowania jest podyktowany przede wszystkim przenikliwoscią poszczególnych rodzajów promieniowania oraz gęstoscią materiałów sterylizowanych, a także rodzajem i sposobem opakowania.

Wytwarzanie izotopów promieniotwórczych
   Do zastosowań medycznych używa się izotopów krótkożyjących. W oddziałach izotopowych szpitali klinycznych wykonuje się badania czynnosci tarczycy, wątroby, nerek, diagnostyczne badania chorób układu krążenia i zaburzeń ukrwienia a także gospodarki wodnej. Do tego typu zastosowań stosuje się izotopy charakteryzujące się półokresem zaniku od kilku sekund do kilku dni. Stsowanie izotopów krótkożyjących zmniejsza narażenie pacjenta do niezbędnego minimum. Jeżeli chodzi o rodzaj emitowanego promieniowania, preferowane są emitery X i gamma w zakresie energetycznym od kilkunastu do kilkuset keV.
 
 

Zastosowania wiązek promieniowania w przemylsle i w technice

Obróbka radiacyjana
Istnieje wiele rodzajów obróbek radiacyjnych stosowanych na skalę przemysłową. Zakres opracowania nie pozwala na dokładne opisanie ich cech charakterystycznych i parametrów, ograniczono się więc do ich wyliczenia:
- niszczenie szkodników (owadów)
- konserwacja żywnosci
- depolimeryzacja celulozy
- kopolimeryzacja szcepiona (modyfikacja własnosci włókien)
- sterylizacja medyczna
- utwardzanie powłok
- polimeryzacja emulsji
- wulkanizacja silikonów
- sieciowanie polimerów
- wulkanizacja kauczuku
  Jako akceleratory do obróbki radiacyjnej na skalę przemysłową stosuje się prawie wyłącznie akceleratory liniowe, przede wszystkim akceleratory wysokonapięciowe.

Implantacja jonów
  Implantcja jonów jest wykorzystywana na szeroką skalę w przemysle elektronicznym, w celu domieszkowania warstw powierzchniowych i podpowierzchniowych w materiałach półprzewodnikowych. Metodą tą można wprowadzać atomy dowolnego pierwiastka w dowolny materiał. Implatacja radiacyjna umożliwia realizowanie zmian własnosci elektrycznych różnorodnych materiałów; kierunek tych zmian może być scisle okreslony i precyzyjnie kontrolowany. W ten sposób udaje się podwyższyć jakosć tranzystorów i innych elementów półprzewodnikowych.
 

Literatura i linki:

Waldemar Scharf  "Akceleratory cząstek naładowanych i ich zastosowania"  PWN 1978
Ewa Skrzypczak, Zygmunt Szefliński "Wstep do fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych"  PWN 1995
 ICHTJ  http://www.ichtj.waw.pl/ichtj/main.htm
Stanford Linear Accelerator Center (SLAC Virtual Visitor Center) http://www2.slac.stanford.edu/vvc/home.html
 

Jerzy Antonowicz