Partikelaccelerator

Grundbeskrivelse

En accelerator producerer en koncentreret stråle af partikler med høj energi. Partiklerne kan være elektroner, protoner, Röntgenfotoner, atomkerner eller andre mikroskopiske partikler. Den mest kendte anvendelse af acceleratorer er nok som ”atomknusere” i studiet af stoffets fundamentale bestanddele.

En lineær accelerator er et langt lige vakuumrør delt op i indbyrdes elektrisk isolerede sektioner. (MIT)

Men acceleratorer har overraskende brede anvendelser: Acceleratorskabte Röntgenstråler og neutroner er blevet helt centrale redskaber i forskningen i materialer, kemi og biologi, og i industrien anvendes titusindvis af  ”mini-acceleratorer”, bl.a. produceret af den danske virksomhed Danfysik, til at lave mikroskopiske elektroniske kredsløb og til at forbedre materialers egenskaber (hårdhed, rustbestandighed osv.). Acceleratorer bruges også i cancer-terapi og diagnose, og det bliver endvidere undersøgt, om acceleratorer kan anvendes til at katalysere fusion og/eller fission og herved frembringe bæredygtig, vedvarende, sikker og ren energi.

Niels Bohr Institutets cyklotron, som i sin tid stod på Blegdamsvej. Den blev færdigbygget i 1939 og var den første i Europa.  Det meste af opstillingen udgøres af den kraftige elektromagnet - selve vakuumkammeret, hvor partiklerne accelereres,  befinder sig inde mellem magnetens to poler. (Niels Bohr Arkivet).

Acceleratorfysikkens egentlige fædre var amerikanske Ernest Lawrence, som i 1930’erne opfandt cyklotronen, og norske Rolf  Widerøe, som opfandt den lineære accelerator. Begge disse bruges i dag, især på hospitaler til diagnose, terapi og sterilisation.

Opbygningen af en cyklotron. De to D'er er vist med hvidt.  (Klaus Föhl, Wikimedia Commons).

En cyklotron består af en flad vakuumcylinder anbragt i et kraftigt magnetfelt. Cylinderen består af to halvcirkelformede dele, der er elektrisk isoleret fra hinanden. De forbindes til hver sin pol af en vekselspændingskilde. På grund af formen kaldes de to dele for D'er. Partiklerne slippes løs nær midten og bevæger sig udad i en spiralformet bane. Magnetfeltet afbøjer partiklerne og spændingsforskellen mellem de to D'er accelererer dem.

Efterhånden som partiklerne kommer længere og længere ud i cyklotronen, skal de flyve længere for at nå frem til mellemrummet mellem D'erne, og samtidig skal de afbøjes mindre af magnetfeltet for at følge en bane med større radius. Begge dele kommer til at passe med at deres voksende hastighed.

Fælles for moderne acceleratorer er anvendelsen af meget stærke elektriske og magnetiske felter til acceleration og udformning  af partikelstrålen, ofte ved hjælp af nyskabende superledende teknologier, samt anvendelsen af ultrahøjt vakuum over et stort volumen.

Uddybende beskrivelse

Den første accelerator var det såkaldte katoderør, kendt fra gamle fjernsyn og edb terminaler. Med et sådant rør blev såvel elektronen som Röntgenstråling opdaget i 1890’erne. Herefter blev forskellige teknikker udviklet til at producere meget høje elektriske spændinger hvilket førte til opdagelsen af atomkernens struktur og til utallige andre praktiske anvendelser.

En lineær accelerator består af isolerede rørstykker, hvor hver andet forbindes til den ene pol på en højfrekvent spændingskilde og de andre til den anden pol. På den måde accelereres partikelbundterne når de passerer mellemrummet mellem to rørstykker. Rørstykkerne bliver længere og længere efterhånden som partiklerne opnår større og større hastighed. (Wikimedia Commons).

For at komme op på rigtigt høje energier behøvedes der dog nye boller på suppen. Det kom der omkring 1960 med opfindelsen af synkrotronen, der samtidigt kom til verden i CERN  ved Geneve og i Brookhaven National Laboratoriet på Long Island,N.Y. Den største synkrotron i dag er CERNs LHC, der har en omkreds på 27km og som kan accelerere protoner op til en energi på 7TeV dvs. 7 000 000 000 000 elektronvolt i to vacuumrør og kollidere dem mod hinanden.

Partikelbundterne - grønne på tegningen - accereleres af elektriske felter, der svinger med høj frekvens, typisk nogle hundrede MHz.

Dette frekvensområde kaldes radiofrekvenser og de dele af acceleratoren, hvor den egentlige acceleration foregår kaldes radiofrekvenskaviteter ( radio frequency cavities).

Model af ASTRID2-elektronsynkrotronen ved Aarhus Universitet. ASTRID2 bliver konstant efterfyldt med elektroner med en energi på 580MeV, som accelereres i den gamle ASTRID-accelerator, den sorte i baggrunden. (ISA).

En synkrotron har et slankt vacuumrør der tilnærmelsesvis danner en cirkel . Partikelstrålen holdes fast i cirkelbevægelsen af dipolmagneter og strålen holdes sammen  til submillimeterstørrelse af kvadrupolmagneter, der virker som sprede- og samlelinser. Man kan tydeligt se disse elementer i billedet af ASTRID2 ovenfor. Vacuumrøret er de tynde linier, dipolmagneterne, som bøjer strålen, er de gule, svagt krumme  elementer og kvadrupolerne (samt de endnu mere komplicerede sextupoler og octupoler) er de mindre røde og grønne elementer.

Den store LHC-synkrotron ved CERN har 16 radiofrekvenskaviteter til at accelerere partiklerne. (CERN).

Selve accelerationen sker i som nævnt i ASTRID2s radiofrekvenskavitet, den hvide cylinder foroven til højre i billedet, en metalstruktur som strålen passerer i hver omgang. og som hver gang udsætter strålen for et accelererende elektrisk felt.

Accelerationen fortsætter samtidigt med, at magnetfelterne øges, for at holde strålen på plads i røret, indtil magnetfelterne når deres maksimale størrelse. Herefter cirkulerer strålen med konstant energi. De indlagte lige sektioner er steder, hvor eksperimenter kan udføres på strålen eller hvor strålen kan tages ind eller ud.

Et indblik i CERNs acceleratorkompleks er givet i videoen her

Peter Hansen