شتاب‌دهنده‌ها و آشکارسازهای ذرات – قسمت سوم

شتاب‌دهنده‌های AC

شتاب‌دهنده‌هایی که با استفاده از میدان الکتریکی با فرکانس رادیویی (rf) کار می‌کنند به دو دسته‌ی خطی و چرخه‌ای تقسیم می‌شوند.

شتاب‌دهنده‌های خطی

در یک شتاب‌دهنده‌های خطی یا «لیناک»، یون‌ها از یک سری لوله‌های فلزی به نام لوله‌های جابه‌جا‌کننده که در یک محفظه خلاء قرار گرفته‌اند و متوالیاً به ترمینال‌های یک نوسانگر آر اف (RF یا فرکانس رادیویی) متصل هستند، عبور می‌کنند.

(به شکل نگاه کنید).

یون‌های مثبت که به وسیله‌ی میدان اعمال شده به آن‌ها شدت می‌یابند، به سمت اولین لوله‌ جابه‌جاکننده حرکت می‌کنند. اگر آکترناتور بتواند جهت خود را قبل از عبور ذرات از لوله عوض کند، ذرات ضمن خروج از لوله اول و ورود به لوله‌ی دوم نیز شتاب می‌یابند و این امر برای لوله‌های بعد تکرار می‌شود. در این نوع شتاب‌دهنده‌، ذرات به صورت دسته‌هایی شتاب می‌یابند و از آنجایی که ذرات در حال شتاب هستند، سرعت آن‌ها دائماً افزایش می‌یابد و به همین دلیل طول لوله‌های جابه‌جا کننده نیز بایستی به ترتیب افزایش یابد تا امر شتاب‌دهندگی مرتباً ادامه یابد.

برای تولید یک باریکه‌ی مناسب، ذرات بایستی با میدان RF هم‌فاز باشند و کانونی نگه داشته شوند.

در مورد الکترون‌ها، به این نکته باید توجه کرد که سرعت آنها سریعاً به سرعت نور نزدیک می‌شود. در این صورت و به همین دلیل، لازم است اصلاحی در شتاب‌دهنده‌ی خطی صورت گیرد تا کارایی بیشتری داشته باشد. دسته ذرات از یک موجبر مستقیم که در آن خلاء برقرار است، گذارنده می‌شوند که در آن شکاف‌هایی به‌طور متناوب تعبیه شده است. (مشابه شتاب‌دهنده‌های یونی). با استفاده از نوسانات فرکانس رادیویی در شکاف‌ها یک موج الکترومغناطیسی رونده تشکیل می‌شود که دارای یک میدان الکتریکی با مؤلفه‌ی طولی است و به صورت هم‌فاز با ذرات حرکت می‌کند. تا جایی‌که بتوان این همفازی را حفظ کرد. ذرات به طور پیوسته شتاب می‌یابند. انرژی با فرکانس رادیویی متناوباً به موجبر، پمپ می‌شود تا بدین‌ وسیله‌ اتلاف ناشی از مقاومت جبران شود و انرژی لازم را برای شتاب‌یافتن الکترون‌ها تأمین نماید. بزگترین شتاب‌دهنده‌ی خطی الکترون در آزمایشگاه اسلک (SLAC) در استنفورد آمریکا قرار دارد و دارای انرژی بیشینه‌ی 50GeV است. این شتاب‌دهنده‌ بیش از ۳ کیلومتر طول دارد.

یک راه‌ هوشمندانه برای کاهش طول زیاد شتاب‌دهنده‌های خطی توسط تجهیزات شتاب‌دهنده پیوسته‌ی باریکه‌ی الکترونی (CEBAF) درآزمایشگاه جفرسون آمریکا به کار گرفته شده است. در این دستگاه از این واقعیت استفاده می‌شود که در انرژی بیش از 50MMeV ، سرعت الکترون‌ها به سرعت نور بسیار نزدیک می‌شود و به همین دلیل الکترون‌هایی که دارای انرژی متفاوت هستند را می‌توان در لوله‌ جابه‌جا‌کننده یکسانی، شتاب داد.

ماشین CEBAF از دو شتاب‌دهنده‌ی خطی بسیار کوچک‌تر تشکیل شده است. باریکه‌ای که از یک شتاب‌دهنده‌ی خطی خارج می‌شود، خمیده شده و به درون شتاب‌دهنده‌ی دوم هدایت می‌شود. این کار تا چهار دوره تکرار می‌شود. حتی با وجود اتلافی که بر اثر خمیده‌کردن مسیر حرکت ذرات رخ می‌دهد، ذراتی که نهایتاً از شتاب‌دهنده‌ خارج می‌شوند، دارای انرژی بین ۰.۵ تا 6GeV هستند.