Tanecik -parçacık Hızlandırıcılar - ışık Demetlerine Enerji Kazandıran Aygıtlar

Tanecik -parçacık hızlandırıcılar - ışık demetlerine enerji kazandıran aygıtlar



Tanecik (parçacık da denir) hızlandırıcıları, elektrik yüklü atomaltı taneciklerin oluşturduğu ışık demetlerine enerji kazandırmak için kullanılan aygıtlardır
Tanecik hızlandırıcıları, konumu ve denetim yöntemi önceden belirlenmiş küçük hacimler içinde yüksek enerjilerin yoğunlaştırılmasını olanaklı kılarlar Bu özellikten, nükleer fizik dalında, çeşitli deneysel ve uygulamalı amaçlar için yararlanılır
Yüksek enerjiler elde edebilmek için değişik tiplerde hızlandırıcılar geliştirilmiştir Bununla birlikte, bütün tiplerin temel Özellikleri aynıdır Bütün hızlandırıcılarda, bir yüklü tanecik kaynağı ile elektrik ve magnetik alan (tanecikleri hızlandırıp, yönlendirmek için) kaynakları bulunur Yalnız PROTON, NÖTRON ve ELEKTRON'lar değil, alfa tanecikleri gibi iki proton ve nötrondan oluşan tanecikler (dolayısıyle helyum iyonları) de hızlandırılabilir

Hızlandırıcıların temel özellikleri:

Tanecik hızlandırıcılarında kullanılan ana aygıtlar, ilke olarak, TELEVİZYON'daki KATOT IŞINI TÜPÜ'ne çok benzer
Katot ışını tüpünde ince bir elektron demeti, flüoresan ekrana hızla Çarptırılır Çarpma sırasında ekranda bir parıldama oluşur ve bu parıltılar birleşerek, resmi ortaya çıkarırlar Filamanın ısıtılmasıyla elektronlar, atomlarından kopup fırlayacak kadar enerji kazanırlar Her elektron, bir tek eksi yük taşır Kopma durumunda elektronlar, kendilerini bir elektrik alan içinde bulurlar Bu elektrik alan, ulamanla (katot) uygulanan eksi gerilim ile ekrana yakın bir yerdeki artı elektrot (anot) arasında oluşur

Elektronlar katottan kopup, anoda doğru hızla yol alırlarken enerji de kazanırlar Tıpkı mıknatısların kuzey ve güney kutuplarının birbirini etkilemesi gibi, eksi elektrot elektronları iter, artı olan da çaker Eğer proton gibi artı yüklü bir tanecik söz konusuysa, etkileşim tam karşıt yönde ortaya çıkar; yani tanecik, artı elektrottan eksi elektroda doğru hızlanır

Magnetik alanlar, yüklü taneciklerin izledikleri yolu eğip saptırabilirler TV alıcılarında, filamandan her doğrultuda yayılan elektronları bir demet biçimine dönüştürebilmek için, mıknatıslar kullanılır Mıknatısın saptırma gücü elektron demetini odaklar (tıpkı ışığın mercek tarafından odaklanması gibi)

En gelişmiş hızlandırıcı tekniklerinin bile temelinde bu ilke yatmaktadır Hızlandırıcıda, elektron, proton ya da öteki iyonların atomlardan kopup fırlamasını sağlayacak yüklü bir tanecik kaynağı oluşturmak gerekir Bundan sonra tanecikler, kendilerine hız kazandıracak bir elektrik alanı içine sokulur Buna doğru bir deyimle "elektrik alan gradyani" adı verilir; TV tüpünde elektronlar, elektrik tepesinden aşağı doğru, bir anlamda «yuvarlanırlar Sistemde gerekli olan özelliklerden biri de, iyi bir vakum ortamıdır Sistemde hava bulunursa tanecikler, hava molekülleriyle çarpışıp saçılmaya uğrayarak denetimi güçleştirirler
Bir taneciğin kazandığı enerjiyi tanımlamak için «elektron volt Bilinen öteki enerji birimleri milyon elektron volt (MeV) ve giga elektron volt (Gev), yani milyar elektron volttur Hızlandırıcılar, sözgelimi «10 GeV gücündedir


Hızlandırıcıların kullanımları:

En güçlü tanecik hızlandırıcıları, maddenin temel bileşenlerinin araştırılması ve özelliklerinin incelenmesinde kullanılırlar Gittikçe daha yüksek enerji sağlayan hızlandırıcıların geliştirilmesiyle, atom çekirdeğinin sanılandan çok daha karmaşık yapıda olduğu ve bilinenler dışında, çekirdekten de küçük, birçok yeni taneciğin bulunduğu ortaya çıkarılmıştır Bu taneciklerin incelenmesi, doğaya ilişkin bilgilerin kazanılmasına yolaçmıştır

Gittikçe daha hızlı taneciklerin elde edilmesiyle, başka taneciklere girme olanağı da artmaktadır Sözgelimi, birkaç MeV düzeyinde hızlandırılan bir tanecik, bir atom çekirdeğinin içine girebilir ve onu ya parçalar ya da başka bir biçime sokar Çekirdek içine girme, hızlandırıcıların ilk kullanım alanlarından biriydi ve bu nedenle hızlandırıcılara yanlışlıkla «atom-par-çalayıcıları GeV düzeyindeki enerjilerde, hızlandırılmış tanecikler, yalnızca çekirdek içindeki tanecik topluluğuna girmekle kalmaz, öteki taneciklerin tek tek dönüşüm göstermesine de yolaçarlar Çarpışma anında açığa çıkan enerji, bütünüyle yeni bir taneciğin doğmasına neden olacak kadar büyük olabilir (Einstein'ın E=mc2 formülüne göre, enerji ve kütle birbirine dönüşebilmektedir) GeV düzeyinde enerjili hızlandırıcılar, maddenin yapısını araştırmada kullanılan en ileri aygıtlardır
Tanecik hızlandırıcılarının küçük bir bölümü (en güçlü olanları) bu amaçla kullanılır Geri kalanların büyük çoğunluğundan tıpta ve endüstride yararlanılmaktadır Televizyon tüpleri dışında, hastanelerde ve tahribatsız malzeme deneylerinde, X ışını aygıtları kullanılır Radyoizotopların (tanecik salan dengesiz çekirdekleri olan ELEMENT çeşitleri) elde edilmesinde de pek çok hızlandırıcı kullanılmaktadır

Hızlandırıcı türleri:

Yalın hızlandırıcı türleri doğrusaldır Bunlar tanecikleri bir doğru üstünde hareket ettirirler Televizyon tüpü, bu anlamda bir doğrusal hızlandırıcıdır Laboratuvarlarda tanecik hızlandırmak için kullanılan VAN DE GRAAFF JENERATÖRÜ de doğrusal tipler arasındadır

Ayrıca, özel amaçlı doğrusal hızlandırıcılar da vardır Bunlardan biri, Alvarez'in bulduğu hızlandırıcıdır ve uzun silindir biçimli bir tanktan oluşur Tankın içine uzunlamasına boş borular yerleştirilmiştir (borular arasında da aralık vardır) Tanka yüksek irekanslı bir elektrik alanı uygulanır, bu alan ileri-geri titreşim yapar Yüklü tanecikler, bir uçtan, bu elektrik alanı içindeki bir çizgi boyunca dizilmiş borulara gönderilirler Elektrik alanının salınımı ve boruların boyu ayarlanarak, oluşan alan tanecikleri hızlandırıcı doğrultuda olunca, taneciklerin borular arasındaki boşluktan kaçması sağlanır Tanecikler artı yüklüyse (proton), arkada bıraktıkları boru artı, önündeki eksi olur ve dolayısıyle tanecikler bir borudan ötekine doğru hızlanırlar Bundan sonra elektrik alanı ters yönde salınır Bu dururu protonların yavaşlamasına yo)açacaktır: ama protonlar o sırada öndeki borunun içine girmiş olduklarından, yavaşlatıcı alan onlara kadar ulaşamaz
Bu işlem tank boyunca pek çok kez yinelenir ve sonuçta protonlar, yaklaşık 20 MeV'luk bir enerji kazanırlar Tankın çıkış ucuna yaklaştıkça taneciklerin hızları artacağından, çıkıştaki borular, giriş ucunda-kinden daha uzun tutulur ve böylece, hızlı protonlara, ters alan sırasında (son boru içinde) saklanmak için yeterli süre kazandırılır Tanecik demetini tank boyunca odaklanmış durumda tutmak için, her boruya magnetik alan uygulanır

Siklotron:

Doğrusal hızlandırıcılardaki bileşenler, hızlandırma işlevinde yalnızca bir kez kullanılabilirler Çok yüksek enerjiler elde edilmek istendiğinde, doğrusal hızlandırıcıların boyunu çok uzun tutmak gerekir Dairesel hızlandırıcıların üstünlüğü buradadır Hızlandırılmış tanecikler döndürülüp, hızlandırıcı istasyondan yeniden geçirilirlerse, elde edilecek kazanç çok büyük olur

Bu tür bir hızlandırıcı ilk kez EO Lawrence tarafından yapılmıştır ve "siklotron" diye nitelenirYüklü tanecikler bir vakum odasının merkezine gönderilirler Vakum odası yassı bir silindir gibidir ve içi, D biçimli iki yarım dairesel bölmeye ayrılmıştır Bu bölmeler arasında bir boşluk bulunur ve elektrik alan bu boşluğa uygulanır Odanın çevresindeki dairesel mıknatıs, taneciklerin yol "aldığı tüm hacimlere değişmez bir alan uygular Bunun sonucu olarak, tanecikler bir «D Tanecikler oda içine merkezden gönderilirler ve boşluğa geldiklerinde elektrik alanı tarafından hızlandırılırlar Magnetik alandan ötürü tanecikler, «D

Senkro-siklotron:

Siklotronlar oldukça yalın, ama başarılı sonuçlar veren hızlandırıcılardır Taneciklere 20 MeV'luk bir enerji kazandırabilirler Bu enerji düzeyinin üstündeyse, Einstein'ın görecelik kuramında açıklanan olay ortaya çıkar ve siklotron çalışmaz Siklotron boşluğundaki elektrik alanı, değişmez bir frekansla bir yönden ötekine salınım yapar Bu yüzden,«D 20 MeV'da protonun kütlesi yaklaşık % 2 kadar artar Bu durum, yarım dairesel yolu tamamlamak için daha düşük enerjidekine oranla % 2 kadar gecikmeye neden olur Gecikme, protonun boşluktaki hızlandırıcı alanın temposuna uymasını engeller
Sorun, elektrik alanı frekansının derece derece küçültülmesiyle çözülür Böylece, geç gelen taneciğe uyum sağlanır Elektrik alanının frekansını, taneciğin yörünge hızıyla eşzamanlı (senkronize) olarak ayarlayan bu sistemlere «senkro-siklotron

Senkrotronlar:

Siklotronlarla 1 GeV'tan büyük enerjiler teknik bakımdan olanaksızdır Sözgelimi, kullanılacak mıknatısın ağırlığının binlerce ton çapının 10 m olması zorunludur Onun için daim büyük enerjilerde «senkrotron Ancak, senkrotronlarda, taneciklerin hızı arttıkça bunların yörünge çapının büyümesine yolaçan değişmez magnetik alanlar kullanmak yerine, taneciği gene ayrı yörüngede tutabilecek değişken alan kullanılır Bunlarda merkeze, büyük mıknatıs yerine küçük mıknatıslardan yapılmış bir halka yerleştirilir ve geniş bir odacık değil, dar bir dairesel tüp kullanılır


Yüklü tanecikler genellikle dairesel vakum içine gönderilirler Bu tanecikler doğrusal hızlandırıcıdan geldiklerinden MeV düzeyinde enerji içerirler Sonra, düşük alan veren senkrotron halkası çevresinde dolanmaya başlarlar Bu turlar sırasında kendilerine elektrik alanla enerji itimi veren birçok hızlandırıcı istasyondan geçerler Bu durumda tanecikler daha geniş bir yörünge çizmek isterler; ama magnetik alan, bunları eski yörüngelerinde tutacak biçimde artırılır Hızlandırıcı istasyonun frekansı, hem yörünge hızını artıracak, hem de taneciğin artan kütlesini dengeleyecek biçimde yeniden ayarlanır (30 GeV'luk bir enerjiyle hareket eden protonun kütlesi, duruk kütlesinin 30 katıdır) Tanecikler istenen hıza ulaştıklarında, mıknatıslarla yörüngeleri değiştirilip, halkanın dışına fırlatılırlar Bundan sonra, sisteme yeniden yüklü tanecik gönderilip, işlem yeniden başlatılır
Bu yöntemle kazanılacak enerjinin bir sınırı yoktur (kuramsal olarak) Dünyanın en güçlü hızlandırıcıları bu türdendir