Parçacık Hızlandırıcılar

NELER ÖĞRENECEĞİZ? Parçacıkları neden hızlandırıyoruz? Parçacık hızlandırıcıları nerelerde kullanıyoruz? Parçacıkları nasıl hızlandırıyoruz? Hızlandırıcı çeşitleri nelerdir? Cern’de kullanılan parçacık hızlandırıcı düzeneği nasıldır?

Parçacıkları neden hızlandırıyoruz? Yaşamın sırrını ve evrenin oluşumunu anlamak insanlık için her zaman ilgi çekici olmuştur. Belki de bu yüzden eski çağlardan beri maddenin yapısı hakkında pek çok fikir üretilmiştir. Maddeyi oluşturan en temel parçacıklar ve bu parçacıkların birbirleriyle etkileşimleri açıklandığında evrendeki düzen ve belki de evrenin geleceği anlaşılabilir hale gelecektir.

Zaman içerisinde kimileri maddenin hava, su, ateş ve toprak elementlerinden kimisi ise birbirinin aynısı olan parçacıkların farklı şekilde bir araya gelmelerinden meydana geldiğini söyledi. Dalton atomların bölünemeyeceğini iddia ettiğinden beri yapılan çalışmalarla önce elektronun varlığını daha sonra da çekirdeğin etrafında döndüğünü keşfettik. Temel parçacık sandığımız atomun, çekirdeğin, protonun vb. parçacıkların daha küçük parçacıklardan oluştuğunu öğrendik. İşte bu yüzden, hem bu parçacıklar hem de daha fazlası hakkında bilgi sahibi olabilmek için parçacık hızlandırıcılardan yararlanıyoruz.

1911’de yaptığı de- neyle atomun çekirdeğini keşfeden Ernest Rutherford hızlandırılan parçacıklar yardımıyla atom çekirdeğinin parçalanabileceği fikrini ortaya atmış, bu düşüncesini ise öğrencileri Ernest Walton ve John Cockcroft’u cesaretlendirerek hayata geçirmiştir. Yüksek voltajlı bir hızlandırıcı tasarlayan ikili, Lityum atomunun çekirdeğini parçalayarak atom altı parçacıkları keşfetmede günümüze kadar uzanan bir yolun başlangıcını oluşturmuştur.

Parçacık hızlandırıcıları nerelerde kullanıyoruz? Bilimsel araştırmalar dışında  tıp ve sanayi gibi alanlarda da kullanıyoruz. Örneğin; Tıpta kanser tedavisinde Sanat eserlerinin tarihlerinin belirlenmesinde Yüzey işlemede Protein gibi organik moleküllerin yapılarının incelenmesinde Besinlerin bakterilerden arındırılmasında

Parçacıkları nasıl hızlandırıyoruz?

Bir cismi hızlandırmak için ona kuvvet uygularız Bir cismi hızlandırmak için ona kuvvet uygularız. Söz konusu yüklü parçacıklar olunca bu kuvvet elektriksel kuvvettir. Bunun en basit yolu üretece bağlı iki paralel levhadır. Levhalar arasında oluşacak elektrik alan parçacığa q.E kadar bir kuvvet uygular ve sonuçta parçacık q.ΔV kadar bir enerji kazanır. q: Parçacığın yük miktarı E: Elektrik alan şiddeti ΔV: Paralel levhalar arasındaki potansiyel fark F +q + -

Hatırlatma: Elektrik alanın herhangi bir noktasında pozitif birim yüke uygulanan kuvvete elektrik alan şiddeti denir. İki nokta arasında hareket eden birim yükün kazanacağı enerji potansiyel fark olarak ifade edilir. F

? ? ? Sizce paralel levhalarla bir parçacığı yeterince hızlandırmak mümkün müdür? Siz olsaydınız nasıl bir düzenek kurardınız?

F +q + - İster hava ortamı olsun ister vakum paralel levhalarla yaratabileceğimiz elektrik alanın bir sınırı vardır. Bunun üzerine çıkıldığında elektriksel boşalma gerçekleşir. Yukarıdaki gibi levhaları yan yana dizerek kuracağımız bir düzenek ise çok uzun olacaktır.

+ - Yukarıdaki gibi bir düzenekte parçacık aynı düzenekten defalarca geçebilir ama levha dışında ters yönde uygulanacak kuvvetlerden dolayı yavaşlar.

? ? ? Sizce bu sorunları nasıl aşabiliriz? Acaba bilim adamları nasıl aşmışlar? ?

Hızlandırıcı Çeşitleri

Doğrusal Hızlandırıcılar Dairesel Elektrostatik Alternatif Akım Döndürgeç Alternatif Akım Eşzamanlayıcı Van de Graaff Jeneratörü Cockroft-Walton Jeneratörü Tandem Wideroe’nin Hızlandırıcısı Radyo Frekansı Alvarez’in Hızlandırıcısı

Doğrusal Hızlandırıcılar

Elektrostatik Hızlandırıcılar

Cockroft-Walton Jeneratörü Düşük voltajlı AC üreteci yüksek voltajlı DC üretecine çevirerek 800kV’luk bir hızlandırıcı tasarlamışlardır. Bu tarz hızlandırıcıların sınırı 1,5 MeV’tur. Lazer sistemlerinde, X-ışını uygulamalarında, hava iyonizatörlerinde, osiloskoplarda, parçacık hızlandırma sistemlerinde kullanılır.

Van de Graaff Jeneratörü 1931 yılında Amerikalı fizikçi Robert J. Van de Graaff tarafından geliştirilen jeneratör 20MV’tan daha yüksek değerlere ulaşabilmektedir. Maddenin mikroskobik yapısını analiz etmede ve kanser tedavisinde kullanılır.

Bir motor yardımıyla hareket eden kayış yükleri jeneratörün topuzuna taşıyıp biriktirerek yüksek gerilim oluşturur.

Tandem hızlandırıcısı Daha önce de dediğimiz gibi iki levha arasında yüklü parçacığın kazanacağı maksimum enerji q.V kadar olacaktır. 1951 yılında Luis W Tandem kurduğu düzenekle bu miktarı ikiye katlamayı başarmıştır.

Alternatif Akım Hızlandırıcıları

Wideroe’nin Hızlandırıcısı İlk olarak 1924 te, İsveç’li fizikçi Gustaf Ising hızlandırma için alternatif akım kullanma fikrini ortaya sürdü. 1927 de ise Norveç’li fizikçi Rolf Wideroe bu fikri hayata geçirdi. Wideroe düzeneğin boyunu küçük tutabilmek için ağır iyonları hızlandırmıştır. Tüpleri zıt yükle yükleyerek parçacıkların tüpler arasındaki boşlukta hızlanmalarını sağlamıştır. Alternatif akım kaynağı periyodunun yarısı (T/2) kadar sürede yön değiştirir. Eğer tüplerin boyunu parçacıkların iki tüp arasını T/2 sürede geçeceği şekilde ayarlarsak parçacık ters elektrik alana maruz kalmaz ve devamlı hızlanır. Bu sebeple Widereo’nun hızlandırıcısında tüplerin boyu devamlı artmaktadır.

Bu tür hızlandırıcılar parçacıkları çok yüksek enerjilere çıkaramaz. Yüksek enerjilerde düzenek anten özelliği göstererek enerji kaybına yol açar. Böyle bir düzenekte proton hızlandırmak istersek tüplerin boyunu kısaltmak için frekansı arttırmamız gerekir.

RF(Radyo Frekansı) Hızlandırıcıları

Alvarez’in Hızlandırıcısı 1947 yılında Amerikalı fizikçi Luis Alvarez yüksek frekanslarda parçacıkları hızlandırabilecek bir sistem geliştirdi sürüklenme tüplü dogrusal hızlandırıcı (DTL:Drift Tube Linac) olarak adlandırılan yapıyı üretti. Alvarez RF kaynağını tüplere bağlamak yerine elektromanyetik dalgaları kovuk içine göndererek elektrik alan oluşturmuştur. Sürüklenme tüpleri içinde korunan parçacıklar tüpler arasında hızlanır.

RF kovuklarının yapısı ve şekli kullanım amacına elektromanyetik dalganın frekansına, hızlandırılan parçacık çeşidine göre değişir.

Hız kovuk tipi tercihinde oldukça önemlidir Hız kovuk tipi tercihinde oldukça önemlidir. Yüksek hızlarda süperiletken kovuklar kullanılır. Elektronlar, hafif oldukları için, protonlardan çok daha çabuk relativistik hızlara (ışık hızına yakın hızlara) ulaşacağından yürüyen dalga kovuklarını tercih edilir. Protonlarda ise duruğan dalga kovukları kullanılır.

Dairesel Hızlandırıcılar Temel dairesel hızlandırıcı tipleri döndürgeç (cyclotron) ve eşzamanlayıcıdır(synchrotron). Parçacıkları hızlandırmak için elektrik alan kullanılırken dairesel yörüngede ve bir arada tutmak için ise manyetik alandan yararlanılır.

Döndürgeç (Cyclotron) İlk döndürgeç Ernest Lawrence ve öğrencisi M. Stanley Livingston tarafından geliştirildi. İkili protonları 80keV’a kadar hızlandırmayı başardı. Döndürgeçler günümüzde tıp alanında kanser tedavisinde kullanılmaktadır.

D şekilli elektrotlar tarafından hızlandırılan parçacıklar iki elektromıknatısın yarattığı manyetik alan tarafından dairesel harekete zorlanır. Parçacık hızlandıkça yörünge yarıçapı artar. Alternatif akım kaynağının frekansı parçacıkların dönme frekansına eşit olmalıdır. Düşük hızlarda bu süre hıza bağlı değildir. Yüksek hızlarda eşzamanlılığı sağlamak için frekans düşürülür.

Eşzamanlayıcı (Synchrotron) Bir eş zamanlayıcıda elektromıknatıslar hem bükücü hem de odaklayıcı olarak kullanılırlar. Bükücü mıknatıslar parçacıkların yörüngede kalmalarını sağlarken odaklayıcı mıknatıslarda demet halinde kalmalarını sağlar. RF kovuklarından geçen parçacıklar hızlandıkça yörüngede kalmaları için manyetik alanında güçlenmesi gerekir.

Kullanıldığı işe göre mıknatısların yapısı da değişir.

Eş zamanlayıcılarda limiti belirleyen önemli iki faktör vardır. Bükücü mıknatısların gücü önemlidir çünkü yetersiz olması parçacıkların demet borusuna çarpmasına neden olur. Eşzamanlayıcı ışınımı: Parçacıklar ivmeli hareket yaptığında kızılötesinden veya X-ışını seviyesine kadar elektromanyetik dalga yayarlar. Bu da enerji kaybına yol açar. Günümüzde bu ışınımlar biyolojik yapıları incelemekte, tıp, kimya, arkeometri, malzeme bilimi gibi pek çok alanda kullanılabilir.

CERN’de Kullanılan Hızlandırıcılar CERN’deki LHC dünya üzerindeki en büyük ve güçlü eşzamanlayıcıdır. Parçacıklar LHC dahil olmak üzere beş aşamada hızlandırılır. Parçacıklar CMS, ATLAS, LHCb, ve ALİCE dedektörlerinin bulunduğu noktalarda çarpıştırılır.

https://home.cern/about/accelerators

KAYNAKÇA YILDIZ, V., (2014), Meraklısına Parçacık Fiziği (s.14-17) https://indico.cern.ch/event/308126/attachments/588109/809376/ana.pdf Doğrusal ve Dairesel Hızlandırıcılar(ders notları), Prof. Dr. Ömer Yavaş http://institute.tarla.org.tr/tac/YAZOKULU/yazokulu5/dersnotlari/Omer_Yavas1.pdf CERN Document Server https://cds.cern.ch/?ln=en