Parçacık hızlandırıcı

Parçacık hızlandırıcı, yüklü parçacıkları yüksek hızlara çıkarmak ve demet halinde bir arada tutmak için elektromanyetik alanları kullanan araçların genel adıdır. Büyük hızlandırıcılar parçacık fiziğinde çarpıştırıcılar olarak bilinirler (örn. CERN'deki LHC, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki RHIC ve Fermilab’daki Tevatron). Diğer tip parçacık hızlandırıcılar, kanser hastalıklarında parçacık tedavisi, yoğun madde fiziği çalışmalarında senkrotron ışık kaynağı olmaları gibi birçok farklı uygulamalarda kullanılır. Şu an dünya çapında faaliyette olan 30.000'den fazla hızlandırıcı bulunmaktadır.

İki temel hızlandırıcı tipi bulunmaktadır. Elektrostatik hızlandırıcılar ve zamanla değişen alan hızlandırıcılar. Elektrostatik hızlandırıcılar parçacıkları hızlandırmak için statik elektrik alanlarından yararlanırlar. Bu tipe küçük çapta bir örnek olarak basit bir tüplü televizyondaki katot ışın tüpü verilebilir. Örnekler Cockcroft-Walton jeneratörü ve Van de Graaff jeneratörü ile de çoğaltılabilir. Bu hızlandırıcılarda, parçacıkların kazanacağı kinetik enerji elektriksel göçme ile sınırlıdır. Diğer bir taraftan, zamanla değişen alan hızlandırıcılar ise parçacıkları hızlandırmak ve bu göçme probleminin üstesinden gelmek için radyofrekans elektromanyetik alanları kullanırlar. İlk kez 1920 yılında geliştirilen bu tip, günümüz hızlandırıcıların tarzını ve büyük ölçekli tesislerin temelini oluşturmaktadır.

İlk işlevsel doğrusal parçacık hızlandırıcı, betatron ve siklotronu ortaya atıp geliştiren Rolf Wideroe, Gustav Ising, Leo Szilard, Donald Kerst ve Ernest Lawrence bu alanın öncüleri kabul edilirler.

Çarpıştırıcılar, atomaltı dünyanın yapısı hakkında bilgi verdiğinden 20. yüzyılda hızlandırıcılar genel olarak atom çarpıştırıcı olarak adlandırılırdı. İyon tesislerinin bunların dışında kaldığı çoğu hızlandırıcılar aslında atomaltı parçacıkları harekete geçirse de bu terim, genel olarak parçacık hızlandırıcı denildiği zaman genel olarak akla gelen isimdir.

Yüksek enerjili parçacık demetleri hem fen bilimlerindeki temel ve uygulamalı araştırmalarda, hem de temel araştırmayla ilgisi olmayan birçok teknik ve sinâî alanda yarar sağlamaktadır. Dünya çapında yaklaşık 26.000 hızlandırıcının varolduğu tahmin edilmekte olup bunların %44'ü radyoterapi, %41'i iyon yerleştime, %9'u sinâî işlem ve araştırmalarda ve %4'ü biyomedikal ve diğer düşük enerji kullanımı gerektiren araştırmalarda kullanılırken yalnızca yaklaşık %1'lik bir kısmı 1 milyar elektronvoltun (GeV) üzerindeki araştırma makinelerini oluşturuyor. Yukarıdaki sütun grafiği, uygulamalarına göre endüstriyel hızlandırıcıların sayısının azalışını gösteriyor. Yukarıdaki sayılar, sunum veya piyasa araştırmalarından, yayınlanmış üretim ve satış verilerinin yanı sıra birçok imalatçıdan alınmış verilerin de içinde bulunduğu çeşitli kaynaklardan elde edilmiş olan 2012 yılı istatistiklerine dayanmaktadır.

En yüksek parçacık enerjilerine sahip olan en büyük hızlandırıcılar Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'ndaki Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısı (RHIC) ve 2009 yılının Kasım ayı ortalarında faaliyete geçen CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC)dır. Bu hızlandırıcılar deneysel parçacık fiziği için kullanılmaktadırlar.

Dinamik, maddenin yapısı, uzay ve zaman gibi en temel araştırmalarda, fizikçiler mümkün olan en yüksek enerjilerde en basit şekilde bulunan etkileşim tiplerini ararlar. Bu hızlandırıcılar, genel anlamda birçok GeV'in parçacık enerjilerini ve elektron ve pozitron olarak örneklendirilen leptonları ve madde kuarkları veya alan kuantumları için fotonlar ve gluonlar gibi en basit parçacık tiplerini de beraberinde getirir. Kuarklar renk hapsinden dolayı deneysel olarak tek başlarına bulunamadıklarından mevcut olan en basit deneyler öncelikle leptonların birbirleriyle daha sonra kuark ve gluonlardan oluşan nükleonlarla etkileşimleriyle gerçekleşir. Bilim adamları, kuarkların birbirleriyle çarpışmalarını incelemek için nükleonları çarpıştırır. Bu da yüksek enerjide yapıldığı zaman yapısında bulunan kuark ve gluonların iki temel etkileşimi olarak kabul edilebilir. Bu yüzden temel parçacık fizikçileri, genel olarak yüzlerce veya daha fazla GeV'in olduğu mümkün olan en yüksek enerjilerde birbirleriyle veya hidrojen veya ağır hidrojen gibi en basit parçacıklarla etkileşime giren elektron, pozitron, proton ve antiproton demetlerini oluşturan makineleri kullanmayı tercih ediyorlar. Nükleer fizikçiler ve kozmologlar, Büyük Patlamanın ilk anlarında gerçekleşmiş olabileceği gibi çok yüksek sıcaklık ve yoğunluklarda yoğunlaşmış maddenin ve çekirdeklerin özelliklerini, etkileşimlerini ve yapılarını incelemek için çıplak atom çekirdek demetlerini veya atomdan ayrılmış elektronları kullanabilirler. Bu incelemeler sıklıkla çekirdek başına birkaç GeV'in olduğu enerji çokluğunda demir veya altın gibi atomlardan oluşan ağır çekirdeklerin çarpışması şeklinde gerçekleşir.

Fisyon reaktörlerinde üretilen nötron zengini izotoplardan farklı olarak, parçacık hızlandrıcılar tıbbi ve araştırma izotopları üretebilen proton demetleri üretebilirler. Diğer bir taraftan, son çalışmalar, hidrojen izotoplarını hızlandırarak nasıl 99Mo yapılacağını ortaya koydu. Ancak bu yöntemin hala trityum üretebilecek bir reaktöre ihtiyacı var. Los Alamos'taki LANSCE bu tip makinelerin bir örneğidir.

Tek başlarına önem taşımalarına ek olarak, yüksek enerjili elektronların, atomik yapı, kimya, yoğun madde fiziği, biyoloji ve teknoloji çalışmalarında da birçok fayda sağlayan sinkrotron radyasyonu aracılığıyla yüksek enerjili fotonların aşırı parlak ve eş fazlı ışık demetlerini salmaları sağlanabilir. Yakın bir zamanda kehribar içindeki böceklerin 3 boyutlu ayrıntılı görüntüsünü yakalayabilen Fransa'nın Grenoble şehrindeki ESRF buna örnektir. Bu yüzden makul miktarda enerji tüketip (GeV) yüksek yoğunlukta çalışabilen elektron hızlandırıcılara olan talep oldukça fazla.

Parçacık hızlandırıcıların günlük hayatta görebileceğimiz örnekleri televizyon alıcısındaki katot ışın tüpü ve röntgen jeneratörleridir. Bu düşük enerji hızlandırıcıları aralarında birkaç bin voltluk bir doğru akım (DC) voltajıyla yalnızca bir çift elektrot ile çalışır. Bir röntgen jeneratöründe hedef elektrotlardan biridir. İyon yerleştirici olarak adlandırılan düşük enerjili bir parçacık hızlandırıcı entegre devrelerin üretiminde kullanılır.

Düşük enerjilerde, hızlandırılmış çekirdek demetleri tıpta da kanser tedavileri için parçacık tedavisi adı altında kullanılır.

Düşük enerjilerde parçacıkları nükleer tepkimelere yol açacak yeterli hıza çıkarmaya elverişli demetler, Cockcroft-Walton jeneratörü ve Alternatif Akımı (AC) yüksek voltajlı Doğru Akıma dönüştüren gerilim çoğaltıcıları veya kayışlarla taşınmış olan statik enerjiyi kullanan Van de Graaff jeneratörlerdir.

Tarihsel olarak, ilk hızlandırıcılar yüklü parçacıkları hızlandırmak için tek statik yüksek voltajın basit teknolojisini kullandılar. Diğer tüm çeşitleri sayıca geride bırakan elektrostatik hızlandırıcılar bugün hala son derece popüler iken, 30 MV'lik pratik voltaj limitinden dolayı düşük enerji çalışmaları için daha uygunlar(hızlandırıcı yüksek voltaja müsaade eden sülfür, hekzafluorür gibi yüksek yalıtkan güce sahip bir gaza konur). Parçacıkların yükü terminalin içindeyken saklanabilirse, aynı yüksek voltaj tandem hızlandırıcıda 2 kez kullanılabilir, bu atom çekirdeklerinin; ilk olarak fazladan elektron eklenmesi veya eksi yüklü anyonik kimyasal bir bileşiğin şekillendirilmesi ve daha sonra ışığın terminali yürüten yüksek voltaj içindeki elektronları soymak için ince bir folyoya koyulup artı yükle yüklenmesi ile mümkündür. Elektrostatik hızlandırıcılar parçacıkları düz bir hat boyunca hızlandırmasına rağmen, “doğrusal hızlandırıcı terimi” genellikle statik elektrik alanlarını kullanan hızlandırıcılardan ziyade salınımlı elektrik alanlarını kullanan hızlandırıcılarla ilişkilendirilmiştir. Bu yüzden, 2 olgu arasındaki farkı belirginleştirmek adına düz bir hatta hazırlanmış olan pek çok hızlandırıcı “doğrusal” değil “elektrostatik” olarak adlandırılmıştır.

Elektriksel boşalıma maruz bırakılmış yüksek voltaj limitinden dolayı, parçacıkları daha yüksek enerjilere çıkarmak için düşük fakat salınımlı yüksek voltaj kaynaklarını da kapsayan teknikler kullanılır. Elektrotlar parçacıkların hızlandırılırken yörüngelerinin atlamasına sebep olan manyetik alanla yüzleşip yüzleşmediklerine bağlı olarak parçacıkları bir hatta veya çemberde hızlandırmak için de düzenlenebilirler.

Bir doğrusal parçacık hızlandırıcıda, parçacıklar sonunda hedef ilgi alanı içeren düz bir hatta hızlandırılırlar. Genellikle, parçacıklar dairesel hızlandırıcılara enjekte edilmeden önce, parçacıklara düşük enerjili başlangıç dürtmesi sağlarlar. Dünya'daki en uzun doğrusal parçacık hızlandırıcısı 3 km uzunluğundaki Stanford Doğrusal Hızlandırıcısı'dır (SLAC). SLAC bir elektron-pozitron çarpıştırıcısıdır. Doğrusal yüksek enerji hızlandırıcıları dönüşümlü yüksek enerji alanının uygulandığı anotların çizgisel düzenini kullanır. Parçacıklar bir anota yaklaşırken, anota uygulanan bir zıt kutup yükü tarafından hızlandırılırlar. Anottaki bir deliğin içerisinden geçerlerken, kutuplaşma başlar, böylece; anot onları püskürtür ve sonraki anota doğru hızlandırılmış olurlar. Doğal olarak, parçacık kümelerinin akışı hızlandırılır, bu yüzden dikkatle kontrol edilen bir AC voltajı her bir anota bu süreci her bir küme için sürekli tekrar edilmesi adına uygulanır. Parçacıklar ışık hızına eriştiği için elektrik alanlarının anahtarlama hızı o kadar yüksek olur ki radyo frekansında çalışırlar ve bu yüzden, mikrodalga boşlukları basit anotlar yerine yüksek enerjili makinalarda kullanılır. Doğrusal hızlandırıcılar tıpta da radyoterapi ve radyocerrahi için de geniş ölçüde kullanılır. Medikal seviye doğrusal parçacık hızlandırıcıları elektronları bir klistron ve 6-30 MV'lik enerjiye sahip bir ışık üreten bir bükücü bir mıknatıs düzeneği kullanarak hızlandırırlar. Elektronlar direkt kullanılabilirler ya da x-ışınlarından bir ışık üretmek amacıyla çarpıştırılabilirler. Üretilen ışın demetinin güvenilirliği, rahatlığı ve tamlığı daha eski bir tedavi aracı olan Cobalt-60 terapisinin yerini almıştır.

Dairesel hızlandırıcıda, parçacıklar yeterli enerjiye ulaşana kadar dairede dönerler. Parçacıkların rotası temel olarak elektro mıknatıslar kullanılarak daireye dönüştürülür. Dairesel hızlandırıcıların çizgisel hızlandırıcılara avantajı parçacık belirsiz bir şekilde hareket ettiğinden halka topolojisinin sürekli hızlandırmaya olanak sağlamasıdır. Bir başka avantajı ise aynı güçlerdeki dairesel hızlandırının çizgisel hızlandırıcıdan çok daha küçük olmasıdır. (çizgisel bir hızlandırıcı dairesel bir hızlandırıcıyla aynı güce sahip olmak için aşırı derecede uzun olmak zorundadır) Enerjiye ve hızlandırılan parçacığa bağlı olarak, dairesel hızlandırıcılar senkroton radyasyon salan parçacıklardan dolayı muzdariptirler. Herhangi bir yüklü parçacık hızlandırıldığında parçacıklar senkroton radyasyon ve ikincil yayılım salarlar. Dairenin içinde hareket eden bir parçacık daima dairenin merkezine doğru hızlandığı için, sürekli olarak dairenin tanjantına doğru ışıma yapar. Bu ışıma senkroton ışığı olarak adlandırılır ve önemli ölçüde hızlanan parçacığın hacmine bağlıdır. Bu sebepten dolayı, pek çok yüksek enerji elektron hızlandırıcıları çizgisel parçacık hızlandırıcılarıdır (linac). Ancak, belirli hızlandırıcılar (senkrotronlar) özellikle senkroton ışığı (X-Ray) üretmek için dizayn edilmişlerdir. Genel olarak dairesel hızlandırıcılar ve parçacık ışınları için önemli bir prensip:partikül yörünge eğimi partikül yüklerinin orantılı ve manyetik alan için değil, aynı (tipik relativistik) ivme ile ters orantılı olmasıdır. Özel görecelilik kuramı maddenin her zaman boşluktaki ışık hızından daha yavaş hareket ettiğini gerektirdiği için, yüksek enerji hızlandırıcılarda, enerji arttıkça, parçacık hızı limit olarak ışık hızına ulaşır, ancak asla ona erişemez. Bu yüzden, parçacık fizikçileri genelde hız bağlamında değil, parçacığın genellikle elektro voltlarla (eV) ölçülen enerjisi veya momentumu bağlamında düşünürler. Dairesel hızlandırıcılar ve genel olarak parçacık ışımaları için önemli bir prensip parçacık yörüngesinin kavisinin parçacık yüküne ve mıknatıs alanına orantılı olmasıdır, ancak momentuma ters orantılıdır.

En eski işlevsel dairesel hızlandırıcılar 1929'da Ernest O. Lawrence tarafından Berkeley Kaliforniya Üniversitesi'nde icat edilen siklotronlardı. Siklotronlar parçacıkları hızlandırmak için D-oyuğu şeklinde bir çift anota ve yörüngelerini dairesel bir şekilde oluşturmak için geniş bir çiftkutup mıknatısa sahiptirler. C Işık hızından küçük oldukları sürece, siklotron frekansı denilen bir frekansta yörünge oluşturmaları, tekdüze ve hareketli B mıknatıs alanındaki yüklü parçacıkların ayırıcı bir özelliğidir. Bu, ışık sürekli olarak dışa doğru döndüğü için bir siklotronun hızlanan D'sinin güç kaynağını hızlandıran bir radyo frekansı tarafından süregelen bir frekansla kontrol edilebileceği anlamına gelir. Parçacıklar mıknatısın merkezine enjekte edilir ve dış kısmında en güçlü enerjilerinde dışarıya çıkarılırlar. Siklotronlar parçacıkların daha geniş hale gelmesi sayesinde, göreceli etkilerden dolayı yüksek enerji limitine ulaşırlar, böylece siklotron frekasnları hızlanan RF ile senkronun dışında kalır. Bu yüzden, basit siklotronlar protonları yalnızca 15 milyon elektro volt (15 MeV kabaca C'nin yüzde 10 hızına denk gelir) enerjiye kadar çıkabilir. Bunun sebebi protonların faaliyetteki elektrik alanıyla sürecin dışına çıkmasıdır. Daha fazla hızlandırılırsa, ışıma yarıçapın dışına doğru yönelmeye devam eder fakat, parçacıklar hızlanan RF ile uyum içerisinde daha büyük bir daireyi tamamlamak için yeterince hız kazanamayacaktır. Göreceli etkileri uygun hale getirmek için, manyetik alan eşsüreli siklotronlarda yapılıyormuş gibi daha yüksek bir yarıçapa arttırılmalıdır. Eş süreli siklotronların bir örneği, kabaca ışık hızının yüzde 80'ine denk gelen 590 MeV'lik enerjide protonlar sağlayan İsviçre’deki PSI Halka Siklotronu'dur. Bu tarz bir siklotronun avantajı şu anda 2.2 Ma olan çıkarılmış ulaşılabilir maximum proton akımıdır. Bu enerji ve akım şu anda var olan en hızlı hızlandırıcının gücüne denk gelen 1.3 MV'lik ışıma gücüne eşittir.

Klasik bir siklotron enerji limitinin arttırılması için modifiye edilebilir. Tarihsel olarak ilk deneme, parçacıkları demetler halinde hızlandıran senkrosiklotrondu. Sürekli manyetik B alanını kullanır fakat dışarıya doğru ilerlerken onların bağımlı siklotron rezonans frekansnlarını birleşirerek parçacıkları uyum içinde tutmak için hızlandırıcı alanın frekansını düşürür. Bu girişim bükülme, geniş çaplı büyük bir mıknatıs ve yüksek enerji tarafından gerek duyulan geniş yörünge üzerindeki sabit alandan dolayı düşük ışıma yoğunluğundan muzdariptir. İsochronous siklotranların geliştirildiğinden beri Senkrosiklotronlar yapılmadı.

Göreceli parçacıkları hızlandırma problemine İkinci girişim ise eşsüreli siklotrondur. Böyle bir yapıda, hızlanan alanın frekansı mıknatıs kutupları manyetik alanı çap ile artırmak için şekillendirilerek tüm enerjiler için sabit tutulur. Böylece, tüm parçacıklar eşzamanlı aralıklarla hızlandırılırlar. Daha yüksek enerjiye sahip parçacıklar her yörüngede klasik siklotrondan daha kısa mesafe seyahat ederler, böylece hızlanan alanla yörüngede kalırlar. Eş zamanlı siklotronun avantajı yüksek yoğunluklu sürekli ışımalar yaymasıdır ki bu da bazı adaylar için elverişlidir. Temel dezavatajları ise ihtiyaç duyulan mıknatısın maliyeti, büyüklüğü ve yapının daha dış köşesindeki yüksek manyetik alan değerlerine ulaşmadaki zorluklardır. Eşzamanlı siklotronlar geliştirildiğinden bu yana senkrosiklotronlar üretilmemiştir.