Acceleratori de particule. Caracteristici generale

Acceleratori de particule. Caracteristici generale

De acceleratorii de particule sunt legate multe din rezultatele fundamentale ale Fizicii nucleare, Fizicii particulelor elementare si Fizicii nucleare relativiste. Aparitia acceleratorilor a fost determinata de necesitatea investigarii structurii nucleare si stabilirii proprietatilor dinamice ale nucleelor. Se cunoaste faptul ca, una din ideile fundamentale ale inceputurilor Fizicii nucleare a fost aceea de a investiga structura atomica folosind radiatiile a s i b avute atunci la dispozitie [17,18]. Daca incercarile lui Lenard, bazate pe folosirea radiatiei b, nu au fost incununate de succes, cele ale lui Rutherford, bazate pe folosirea radiatiei a, au fost cele care au confirmat discontinuitatea materiei la nivel atomic, existenta unei structuri atomice si existenta nucleului atomic.

Studiile facute de catre Geiger si Nuttall, concretizate in anul 1912 prin legea care le poarta numele [17,18], au aratat faptul ca energiile cinetice ale particulelor a emise de nucleele radioactive erau cuprinse intre 2 MeV si 9 MeV. Aceste energii nu pareau suficiente pentru a putea evidentia o posibila structura a nucleului atomic. Ele au fost, totusi, suficiente pentru a pune in evidenta doi constituenti fundamentali ai nucleului atomic: protonul si neutronul [17,18]. Descoperirea primului este legata de realizarea primei transmutatii nucleare, anume:

a+¹⁴₇N ¹⁷₈O+¹₁p.

Ea a fost descoperita in anul 1919 de catre Ernest Rutherford. Cea de a doua componenta a nucleului a fost descoperita tot pe baza studiului transmutatiilor nucleare. Autorul descoperirii este tot un fizician englez, din scoala lui Rutherford, anume: James Chadwick. El a studiat atent unele fenomene observate de catre Bothe si Becker, in anul 1930, fenomene confirmate de catre Iréne Joliot Curie si Frédéric Joliot Curie, in anul 1932. Aceste fenomene apareau la bombardarea nucleelor de beriliu si litiu cu particule a. Ele erau legate de aparitia unor presupuse cuante g care dadeau nastere, in parafina, unor protoni de recul. Masuratorile sale, facute cu o camera de ionizare, confirmate de masuratorile lui Feather (1932), precum si calculele sale, au confirmat existenta unei noi particule: neutronul.

Între cele doua evenimente majore pentru destinul Fizicii nucleare s-au consemnat alte descoperiri la fel de importante, fara de care Fizica nucleara si Fizica nucleara relativista nu ar fi atins nivelele actuale de dezvoltare.

O serie dintre descoperirile majore care s-au facut a fost determinata de introducerea ideii de masa de repaus de catre Albert Einstein, in anul 1905, in cadrul teoriei relativitatii. O alta a fost determinata de introducerea ipotezei dualismului unda-corpuscul de catre Louis de Broglie, in anii 1924-1925. Conform acestei ipoteze, unei particule cu masa de repaus nenule, avand un impuls , ii poate fi asociata o lungime de unda, l_B. Legatura dintre cele doua marimi definitorii pentru comportamentul corpuscular, respectiv, ondulatoriu, este data de urmatoarea relatie de legatura:

. (I.1)

Prin aceasta definitie lungimea de unda asociata (lungimea de unda de Broglie) devenea o masura cantitativa a micimii necesare sistemului nuclear incident pentru a "vedea" structura tintei. Se confirma faptul ca particulele a emise de nuclee care prezentau fenomenul de radioactivitate naturala nu puteau fi folosite pentru evidentierea structurii interne a nucleului, datorita lungimii de unda de Broglie mult pre mari.

O idee contemporana cu ipoteza dualismului unda-corpuscul este cea a lui Ising, din anul 1924. Ea se referea la posibilitatea accelerarii particulelor cu sarcina in camp electric variabil. S-a avut in vedre faptul ca o acceleratie paralela cu viteza determina o modificare in marime, fara a afecta directia, iar o acceleratie perpendiculara pe viteza determina o modificare in directie, fara a schimba marimea vitezei. Apare astfel idea folosirii campurilor magnetice pentru confinarea miscarii la limite practice. Odata cu ea se impune, alaturi de sarcina specifica (), o marime importanta pentru definirea tipurilor de acceleratori de particule si ioni: rigiditatea magnetica a particulelor. Ea se defineste ca produsul dintre inductia magnetica si raza de curbura. Rigiditatea magnetica rezulta din egalitatea fortei Lorentz cu forta centripeta, pentru o particula data; se obtine:

, (I.2)

unde B este inductia magnetica, r este raza de curbura, m este masa particulei/ionului, q este sarcina particulei/ionului, iar v este viteza de accelerare a sistemului nuclear considerat.

Se poate stabili o legatura intre dimensiunea sistemului de investigat, d, impulsul sistemului nuclear incident (particula sau ion), p, si valoarea campului electric accelerator, E. Din relatia (I.1) se obtine:

l_B £ d . (I.3)

Folosind constanta Planck redusa, = h/2p, se poate introduce lungimea de unda asociata redusa, = l_B p.. Conditia (I.3) se poate scrie astfel:

. (I.4)

Folosind, pentru energia cinetica, o relatie de forma se obtine, din relatiile anterioare, urmatoarea expresie:

. (I.5)

Considerand lungimea de unda redusa Compton a sistemului nuclear folosit pentru investigare, , se obtine relatia:

. (I.6)

Forta electrica care actioneaza asupra particulei este data de relatia: . Considerand modulul campului electric accelerator de forma:

,

se ajunge la urmatoarea expresie a energiei necesare pentru accelerarea particulei:

E = qV.

Experienta anterioara, legata - in principal - de spectrometria de masa, sugera necesitatea unui vid cat mai bun pentru a nu se pierde energie prin ciocniri suplimentare cu atomii mediului respectiv.

Au fost stabilite astfel elementele de baza ale unui accelerator de particule. Ele sunt:

- sursa de particule/ioni;

- camera de accelerare;

- camera de reactie - include tinta;

- dispozitiv de putere pentru sursa de ioni, camera de accelerare s.a.;

- sistem de alimentare cu atomi pentru sursa de ioni;

- pompe de vid si sistem de asigurare a vidului;

- colector de fascicul.

În Fig.I.1. este prezentata schema bloc a unui accelerator.

Pentru orice accelerator sau sistem de accelerare este foarte important sa se estimeze rata de reactie pentru un anumit tip de interactie, la o energie data. Rata de reactie, R, se defineste ca fiind produsul dintre sectiunea eficace a procesului de interactie la energia respectiva, s, si luminozitatea fasciculului, L:

R = s.L  . (I.7)

Luminozitatea fasciculului, L, este data de relatia urmatoare:

L = (nnN_i)/A , (I.8)

unde n este frecventa, pentru fascicul, n este numarul de "manunchiuri" de particule, N_i este numarul de particule dintr-un "manunchi" (bunch), iar A este aria fasciculului. Pentru sisteme de accelerare de tip "collider" trebuie sa se ia in considerare numarul de particule din fiecare "manunchi" si relatia (I.8) se va scrie astfel:

L = (nnN_i1N_i2)/A  . (I.9)

Fig.I.1. Schema bloc a unui accelerator

De la primul accelerator liniar realizat de catre fizicianul norvegian Wideroe, in anul 1928, si de la primul accelerator circular realizat de catre fizicianul american Lawrence, intre anii 1928 si 1932, acceleratori de particule si de ioni grei au cunoscut numeroase dezvoltari si perfectionari, de la sursa de ioni si sistemul de obtinere a vidului la forma si intensitatea campului accelerator În experimentele de interes din Fizica nucleara, Fizica particulelor elementare si Fizica nucleara relativista se folosesc, de cele mai multe ori, sisteme complexe de acceleratori pentru obtinerea naturii, energiei si intensitatii dorite pentru fascicule. De aceea, este utila cunoasterea caracteristicilor generale ale unora dintre acceleratorii folositi in astfel de sisteme de acceleratori.