MASARYKOVA UNIVERZITA V BRNĚ

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA V BRNĚ PEDAGOGICKÁ FAKULTA Katedra fyziky Urychlovače elementárních částic Bakalářská práce Brno 2008 Autor práce: Michaela Richtrová Vedoucí práce: prof. RNDr. Vladislav Navrátil, CSc.

2 Bibliografický záznam RICHTROVÁ, Michaela. Urychlovače elementárních částic: bakalářská práce. Brno: Masarykova univerzita, Fakulta pedagogická, Katedra fyziky, str. 53. Vedoucí bakalářské práce prof. RNDr. Vladislav Navrátil, CSc.. Anotace: Práce pojednává o urychlovačích elementárních částic, analyzuje informace nalezené v literárních pramenech a vytváří kompletní pohled na celou problematiku. Jsou zde vysvětleny důvody, proč potřebujeme právě urychlovače nabitých částic a co nám takto urychlené částice vlastně poskytují. Dále se zde nachází chronologicky přehled historie urychlovačů. Velká část práce je vyčleněna fungování mechanizmu, kde je na základě schematických obrázků vysvětleno, na jakém principu jednotlivé typy pracují. Poté následuje zamýšlení nad perspektivami jednotlivých typů a budoucností těchto strojů. Je zde věnována pozornost využití urychlovačů v nejrůznějších vědních odvětvích, ale také v průmyslu, lékařství a například energetice. Klíčová slova: urychlovač elementárních částic, energie, výzkum Annotation: Die Arbeit behandelt die Beschleunigungen der Elementarpartikel, sie analysiert die in der Literatur gefundenen Informationen und sie bildet vollständige Ansicht an das ganze Thema. Es werden hier die Beweggründe erklärt, warum wir die Beschleunigungen der Elementarpartikel brauchen und was uns diese leisten. Weiter wird hier chronologischer Übersicht der Geschichte der Beschleunigungen erwähnt. Der große Teil der Arbeit ist der Funktionsfähigkeit der Werkes gewidmet. Hier ist mit Hilfe der Schemazeichnungen erklärt, an welchem Prinzip sie arbeiten. Danach wird über verschienede Perpektiven der einzelnen Typen und die Zukunft dieser Werken nachgedacht. Es wird hier die Aufmerksamkeit dem Gebrauch der Beschleunigungen in verschiedensten Wissenschaftsbereichen gewidmet, sowie in der Wirtschaft, Medizin oder Energiewirtschaft. Schlusswörter: die Beschleunigung der Elementarpartikel, Energie, Forschung

3 Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracovala samostatně a použila jen prameny uvedené v seznamu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena na Masarykově univerzitě v Brně v knihovně Pedagogické fakulty a zpřístupněna ke studijním účelům. V Tupesích dne 19. dubna 2008 Richtrová Michaela

4 Poděkování Děkuji vedoucímu práce prof. RNDr. Vladislavu Navrátilovy, CSc. za pomoc a cenné rady při zpracování této bakalářské práce.

5 OBSAH ÚVOD URYCHLOVAČ NABITÝCH ČÁSTIC KOSMICKÉ URYCHLOVAČE HISTORIE URYCHLOVAČŮ ROZDĚLENÍ URYCHLOVAČŮ LINEÁRNÍ URYCHLOVAČE ELEKTROSTATICKÉ LINEÁRNÍ URYCHLOVAČE VYSOKOFREKVENČNÍ LINEÁRNÍ URYCHLOVAČE KRUHOVÉ URYCHLOVAČE CYKLOTRON SYNCHROCYKLOTRON IZOCHRONNÍ RELATIVISTICKÝ CYKLOTRON SYNCHROTRON BETATRON MIKROTRON PERSPEKTIVY: KRUHOVÉ ČI LINEÁRNÍ URYCHLOVAČE? URYCHLOVAČE V BUDOUCNOSTI VYUŽITÍ URYCHLOVAČŮ VÝZKUM FYZIKA CHEMIE BIOLOGIE PRŮMYSL IONTOVÉ IMPLANTACE MIKROLITOGRAFIE SYNCHROTRONOVÉ ZÁŘENÍ PŮSOBENÍ ZÁŘENÍ-MODIFIKACE POVRCHŮ

6 6.3 STERILIZACE KONZERVACE POTRAVIN AKTIVACE LÉKAŘSTVÍ DIAGNOSTIKA TERAPIE ENERGETIKA FŮZE TĚŽKÝCH IONTŮ OHŘEV PLAZMATU TRANSMUTACE JADERNÉHO ODPADU. 41 ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK

7 3 ÚVOD Jak napovídá téma mé bakalářské práce, budou následující stránky věnovány urychlovačům nabitých částic. K výběru tohoto tématu mě motivovala plánovaná výstavba synchrotronu v Brně. Jedná se o velmi ambiciózní projekt, který dostal název Česká národní synchrotronová laboratoř (CNSL) - CESLAB a jehož koordinátorem je Akademie věd ČR. Pro Brno by pochopitelně stavba takového zařízení byla jednoznačně přínosem. Ve východní Evropě synchrotrony chybí, poptávka po výzkumu v takových zařízeních je přitom veliká. Brno má proto ideální polohu. Je to jedinečná příležitost pro moravský region i českou vědu. Umístění v Brně má oproti Praze obrovskou výhodu. Moravský region totiž může čerpat dotace z rozvojových fondů Evropské unie, na které už Praha nemá nárok. Na druhou stranu již v Brně existuje jisté zázemí silné Masarykovy university, Vysokého učení technického a pracovišť Akademie věd. Na těchto institucích se také pohybují potenciální pracovníci a uživatelé synchrotronu. Brno už se nyní řádí k rychle se rozvíjejícím centrům evropské vzdělanosti, díky čemuž se zde rozšiřuje pole působnosti nejrůznějších firem. Synchrotron by naší akademické pověsti také hodně pomohl. Výstavba a využití synchrotronu povede nejen k rozvoji vědy, ale také high-tech průmyslu (např. elektroniky, vakuové, měřící a diagnostické techniky) a v budoucnosti přispěje k vybudování průmyslu založeného na vysoce pokročilých technologiích a výrobcích, což spolu v neposlední řadě nese spoustu pracovních příležitostí a především rozvoj moravského regiónu. Pokud ovšem Brno tuto příležitost dostane. Ve hře je totiž ještě polský Krakov, kde by mohl synchrotron rovněž vyrůst. Společně se všemi pozitivy se objevily také jisté obavy a otázky týkající se bezpečnosti. Především obyvatelé Černovic, kde Magistrát města Brna vyčlenil pro výstavbu synchrotronu pozemek na Černovické terase o velikosti 17,6 ha, se zabývají nezávadnosti synchrotronového záření a synchrotronem jakožto potenciálním terčem teroristických útoků. Protože se jedná o zásadní věc v dění města Brna, rozhodla jsem se přehledným způsobem popsat a vysvětlit podstatu fungování synchrotronu. A protože synchrotron je jen jedním z mnoha typů urychlovačů (jedná se o modifikaci jiného typu), bylo nezbytné věnovat se urychlovačům jako celku. Mým cílem nebylo žádné odhalení, ani výzkum, ale jedná se spíše o shrnutí základních poznatků a uvedení do souvislostí, doplněné o vlastní názory a poznámky. Práce obsahuje 6 kapitol a následně podkapitoly, analyzující informace, nalezené v literárních pramenech. Protože mým záměrem bylo vytvořit kompletní pohled na celou

8 4 problematiku, bylo potřebné hned v první kapitole objasnit důvody, proč potřebujeme právě urychlovače nabitých částic a co nám takto urychlené částice vlastně poskytují. V druhé kapitole jsem zpracovala již bezmála stoletou historii těchto unikátních zařízení experimentální fyziky. Zde jsem se snažila především chronologicky uspořádat vývoj samotného mechanizmu, zdůraznit prvotní motivace vědců, jež vedly k jejich zkonstruování a nastínit přehled největších světových laboratoří, kam se později tento vývoj přesunul. Nikterak jsem nezacházela do detailů, co se týče funkčních principů urychlovačů, z důvodů zachování přehlednosti. Tomuto tématu jsem vyčlenila samostatnou kapitolu. Jen pro zdůraznění významné role urychlovačů v rámci fyziky mikrosvěta a astrofyziky, jsem uvedla nejvýznamnější objevy, kterých bylo na konkrétních urychlovačích dosaženo. Vytvořit tento historický přehled bylo důležité i pro pochopení fungování samotného mechanizmu, které popisuji v následující kapitole, neboť je podstatné uvědomit si, jakým směrem tento vývoj šel. Ve třetí kapitole jsem se na základě schematických obrázků snažila stručně vysvětlit složitý princip, na jakém jednotlivé typy pracují. Opět pro přehled a objasnění jsem v úvodu této kapitoly rozčlenila urychlovače podle různých kritérií do malých skupin. V dalších dvou kapitolách, nazvaných Kruhové či lineární urychlovače a Urychlovače v budoucnosti, se zamýšlím nad perspektivami jednotlivých typů a budoucností těchto unikátních strojů. Jako základ mi posloužily vědeckopopulární články scienceword.cz. A konečně poslední kapitola se věnuje obrovskému využití urychlovačů v nejrůznějších vědních odvětvích, ale také v průmyslu, lékařství a například energetice. Protože je tohoto využití nespočetně mnoho, vypracovala jsem přehled a jen některým konkrétním případům, které mě zaujaly, jsem se věnovala blíže. Z důvodu obrovského rozsahu popisované problematiky jsou některé části mé bakalářské práce jen stručně okomentované, ale podle mého názoru je to nezbytné pro pochopení souvislostí a vytvoření si uceleného pohledu na danou problematiku.

9 5 1. Urychlovače nabitých částic Pro studium vlastností, struktury a interakcí elementárních částic, produkci umělých radionuklidů, ale také pro uplatnění v různých oblastech vědy a techniky, včetně medicíny, potřebujeme použít částice urychlené na vysoké kinetické energie. Uměle urychlit dokážeme jen stabilní elektricky nabité částice: elektrony e, pozitrony e +, protony p +, deuterony d +, ionty hélia He ++ =α-částice a ionty těžších prvků. Vysokoenergetické částice bez náboje - fotony γ, neutrony n o, neutrální piony, jakož i krátko žijící částice- π-mezony, hyperony, můžeme získat sekundárně, vzájemným působením urychlených nabitých částic s částicemi ve vhodném terčíku. Přístroje urychlující nabité částice se nazývají urychlovače. Proč ale potřebujeme právě částice s vyššími energiemi, abychom mohli proniknout do struktury hmoty? Mikroskopy samozřejmě velmi rozšířily škálu objektů, které můžeme pozorovat zrakem, dovolily nám například uvidět bakterie, ale žádný obyčejný mikroskop nám nikdy nemůže umožnit pohled na atom a už vůbec ne na atomové jádro. Pomocí optického mikroskopu totiž nemůžeme vidět libovolně malé objekty. Příčinou jsou vlnové vlastnosti světla, které nedovolí zobrazit detaily s velikostí mnohem menší, než je vlnová délka světla ( nm). Chceme-li sledovat menší objekty, musíme si na ně "posvítit" vlnami o vlnové délce menší nebo přibližně stejné s velikostí objektu. Kratší vlnové délky má například ultrafialové záření (10 až 400 nm), rentgenové záření (0,1 až 10 nm), γ záření. Tato záření se však v mikroskopii obtížně používají, obtížně se dělají čočky, nejsou vidět a musí se aplikovat detektory. Můžeme ale využít vlnových vlastností částic a použít elektrony, protože to jsou záporně nabité částice přítomné v každém atomu, které vytvářejí elektrický proud, ale které se chovají jako šířící se vlny. Rozlišení je při větší energii lepší, protože vlnová délka částic klesá s jejich rostoucí energií, neboť platí vztah λ hc / E. Zatímco optické mikroskopy mají nejlepší rozlišení těsně pod 1 µm, elektronový mikroskop, který používá elektrony urychlené na stovky KeV, má rozlišení lepší než 1 nm. Ke zkoumání vnitřní struktury jader, jedná se o rozměry řádu m, potřebujeme elektrony nebo jiné částice s energií alespoň stovek MeV. Tento objev byl klíčovým krokem k pochopení struktury a vlastností mikrosvěta. Dalším plusem urychlovaní částic na vysoké energie, je vznik nových částic při srážkách. Čímž se ukázal velký rozdíl mezi makrosvětem a mikrosvětem, protože vznik

10 6 nových částic není nic samozřejmého, nic podobného z makrosvěta neznáme. Tento jev z mikrosvěta bychom mohli v makrosvětě přirovnat nanejvýš k čelní srážce aut. Zatímco v makrosvěte vznikne maximálně hromada šrotu, ale rozhodně nic nového, v mikrosvětě, pokud máme k dispozici dostatečnou energii, může při srážce vzniknout velké množství částic. Při setkání částice s antičásticí může dojít k vzájemné anihilaci, což znamená, že obě částice zmizí a jejich energie se objeví v podobě jiné částice nebo dokonce i v podobě více částic. 1.1 Kosmické urychlovače,,ačkoliv se fyzika mikrosvěta a astronomie vydaly před sto lety opačným směrem, nedávno se podivuhodně sešly: stručné dějiny vesmíru lze popsat díky vzájemné interakci částicové fyziky a astronomických pozorování,, Jiří Grygar. Procesy urychlování stavebních částic hmoty probíhají i v přírodě, a to často v značně větším rozsahu a intenzitě, než to my dokážeme uměle. Z vesmíru k nám ustavičně přilétají částice s vysokou energií. Energie částic kosmického záření dosahují hodnot přibližně až na ev = 10 8 TeV (jen pro srovnání, částice urychlené v současném nejvýkonnějším urychlovači by měly dosáhnout přibližně 14TeV, maximálně však 1150TeV ). Jsou to sice hodně velké energie, problém je ale v tom, že počet částic dopadajících na Zemi s rostoucí energií rychle klesá například: částic s energií ev dopadá na Zem jen několik na 1 m 2 za rok, s energií nad ev už je to jen jedna částice na km 2 za rok. Za 40 let detekce kosmického záření se vyskytlo 20 případů s energií větší než ev. V prudkých procesech ve hvězdách a galaxiích dochází k procesům, které fungují jako "kosmické urychlovače" částic. Hovoří se zejména o třech mechanizmech urychlování částic ve vesmíru. Jsou to prozatím jen modely zdroje kosmického záření vysokých energii, tedy pravděpodobné kosmické urychlovače. Fermiho mechanismus plynulého difusního urychlování při opakovaném vzájemném působení částic s pohybujícími se rozsáhlými oblaky ionizovaného plynu, za spolupůsobení elektrického a magnetického pole. Výbuch supernov, kdy zevnější části hvězdy expandují s rychlostí blížící se rychlosti světla, přičemž ve vzniklé rázové vlně mohou být v prudce rozpínající ionizované hmotě protony urychleny až na energie několika stovek TeV.

11 7 Pohlcování hmoty černou dírou, při kterém velká spousta hmoty, přitahovaná černou dírou, zformuje kolem ní tzv. akreční disk, v jehož nejnižší centrální oblasti dojde k enormně silnému ohřátí pohlcované látky, která klesá po spirále do černé díry. Podél osy symetrie tohoto rotujícího disku pak "trychtýři" z vnitřní části unikají částice a záření. Jedná se o výtrysk, který obsahuje částice urychlené na velmi velké relativistické energie. Pomocí těchto a možná i spoustou doposud neznámých mechanismů vzniká vysoce energetické kosmické záření. Díky kosmickému záření byly učiněny významné objevy, také v současnosti se staví nové astročásticové experimenty.

12 8 2. Historie urychlovačů Empedokles, Řek, který žil kolem roku 450 př. n. l., přišel s představou, že vše se skládá jen ze čtyř prvků: země, vzduchu, ohně a vody. Základní myšlenka je určitě velmi dobrá a je zjevným zdokonalením jeho předchůdce Thaleta, že vše je složeno z vody. Ale i Thales byl na správné cestě, když se snažil najít základní stavební kameny všeho, co viděl kolem sebe. Po tisíciletích usilovného bádání vzrostl počet základních prvků na něco přes stovku. Koncem devatenáctého století jako by se zdálo, že všechny důležité vědecké otázky už byly zodpovězeny. Ve skutečnosti však vědci nedokázali ani odpovědět, zda je hmota složena z atomů a kde se tyto pro život nezbytné prvky vzaly. Další záhadou byly individuální vlastnosti jednotlivých atomů. Kromě zkoumání látek na Zemi tady byla velká spousta nezodpovězených otázek z okolního vesmíru, například stáří Sluneční soustavy, původ sluneční energie, proč a jak září Slunce a ostatní hvězdy. Aby mohli vědci odpovědět na tyto zmíněné otázky, museli se svým bádáním dostat hluboko do struktury hmoty. Prvním prostředkem pro zkoumání něčeho tak malinkého, jako jsou atomy, se staly rentgenové paprsky, jejichž objevem ohromil svět Wilhelm Ro ntgen v roce 1895 a otevřel tak okno pro jiný, nový pohled na svět. Už od dob starých Řeků se atomy považovaly za nekonečné a dále nedělitelné nejmenší součástky hmoty. K převratnému zlomu došlo až na počátku 20. století, kdy fyzikové na základě svých objevů zjistili, že to není pravda, uvnitř atomu totiž našli jádro. A jak se později ukázalo, i jádro se dá dělit. V této kapitole bych chtěla stručně nastínit historický vývoj urychlovačů. V první části je tento vývoj spjat jmenovitě s velkými osobnostmi experimentální fyziky, poté přešel do velkých laboratoří, mnohdy nadnárodního charakteru, protože jen tak bylo možné budovat zařízení gigantický rozměrů, do kterých urychlovače v druhé polovině dvacátého století vyrostly. Ernest Rutherford Veškerá věda je buď fyzika, nebo sbírání známek. E. Rutherford. Jeho práce je spjata s Kanadou a Anglii, hlavně s Cavendishovou laboratoří v Cambridge, kterou od roku 1907 vedl. Cavendishova laboratoř se pod jeho vedením stala nejvýznamnějším střediskem pro jaderný výzkum. Ve své vědecké práci se zabýval především vlastnostmi mikrosvěta. Na sklonku 19. století objevil radon, což je plyn vznikající

13 9 radioaktivním rozpadem radia. V roce 1908 objevil atomové jádro a za tento objev získal Nobelovu cenu za chemii. Jeho výzkumné aktivity sice zbrzdila1.světová válka, přesto si na svou práci dokázal najít čas. Z této doby pochází také jeho legendární výrok, kdy svou neúčast na zasedání výboru pro ponorky omluvil slovy: Pokud jsem, jak mám důvod se domnívat, rozbil jádro atomu, je to mnohem důležitější než válka. Po válce se do výzkumu pustil s novou silou. Psal se rok 1919, když ozařoval jádra dusíku paprsky alfa, což vedlo k proměně dusíku v kyslík. Byla to nejen první jaderná reakce, ale i první transmutace prvků, což byl odvěký sen alchymistů. Vyslovil myšlenku, že jádra vodíku jsou základními stavebními kameny všech dalších jader a pojmenoval je protony. Název odvodil z řeckého slova, znamenajícího první částice. V té době vznikl obor jaderné fyziky, metody zkoumání však byly dosud značně primitivní. Detekce částic se prováděla počítáním záblesků na fluorescenčním stínítku pod mikroskopem. Postupem času se ale vyvíjely technologie, které umožnily efektivnější studium mikrosvěta. V roce 1925 se podařilo Patriku Blackettovi v Rutherfordově laboratoři získat první vizuální záznam celého jaderného procesu v mlžné komoře, kterou sám zkonstruoval. Vědci hledali způsob jak rozbíjet atomová jádra. Zde se objevila první iniciace využití urychlených částic. Rutherford si uvědomil, že přírodní částice alfa jsou příliš neúčinnými projektily, a že tedy potřebuje umělé zdroje, které poskytují vyšší energii než přirozená radioaktivita. V roce 1924 přišel do jeho laboratoře John Cockroft a společně s Ruthefordem hledali způsob, jak urychlit protony elektrickým polem o vysokém napětí. Rutherford si byl sice vědom, že potřebuje částice s vyššími energiemi, ale byl přesvědčen, že se obejde bez drahých a nákladných mechanizmů. Později se ukázalo, že to byl jeho životní omyl, společně s odmítáním všech úvah o využití jaderné energie, které označoval jako,,blábol. Rolf Wideroe V Německu působící norský inženýr, který se už během studií zabýval myšlenkou urychlených částic. V roce 1922 přišel s návrhem kruhového urychlovače - betatronu. Již v roce 1926 tento návrh předložil jako svou disertační práci, byl však zamítnut stejně jako jeho žádost na patentovém úřadě. Pro nedostatečné teoretické propracování sestrojil v roce 1927 nefunkční prototyp. I kvůli těmto nezdarům přešel ke stavbě lineárního urychlovače. Ještě v tom týž roce se mu podařilo sestrojit první funkční lineární urychlovač. Jeho převratné myšlenky

14 10 inspirovaly také velkou spoustu vědců, mimo jiné i E. Lawrence. Především jako teoretik sehrál ve vývoji prvních urychlovačů obrovskou roli. Vědecké práci v tomto oboru zasvětil celý svůj život. Ve čtyřicátých letech se zabýval urychlováním elektronů pomocí elektromagnetické indukce. Bohužel se mu jako prvnímu nepovedlo sestrojit funkční prototyp betatronu, už v roce 1940 ho předstihl Donald Kerst. Až po velkém úsilí v roce 1944 i jeho betatron funguje, pomocí svého zařízení dosáhl energii až 15MeV. Po zbytek svého života se věnoval využití urychlovačů v medicíně, především k prvnímu metodám ozařování pacientů pomocí betatronu. Erenst Lawrence a D.Sloan E. Lawrence dostal přezdívku,,drtič atomů, aneb muž, který má klíč od atomové energie. Působil na Kalifornské univerzitě v Berkeley, stal se nejmladším profesorem v historii této univerzity a D.Sloan byl jeho žákem. Společně sestrojili v roce 1931 první rezonanční lineární uyrchlovač, ve kterém se postupně elektricky nabité částice urychlují pomocí vysokofrekvenčního elektromagnetického pole. Jejich práce navázala na myšlenky R. Wideroa. Lawrence byl inspirován článkem, který Wideroe publikoval. Sice neuměl německy, ale z obrázku pochopil hlavní myšlenku. Uvažoval ještě dál. Pokud by měl takový lineární urychlovač dosáhnout energií zajímavých pro tehdejší experimenty, byl by natolik velký, že by se nevešel do žádné laboratoře. Řešení, se kterým přišel, bylo revoluční v mnoha směrech. V roce 1931 došlo k významné modifikaci na kruhový urychlovač, což byl první cyklotron. E.Lawrence je nositelem Nobelovy ceny za tento vynález a především za jím získané výsledky v oblasti umělých radioaktivních prvků. Jednalo se o malý stroj s průměrem 10 cm, protonům se tehdy podařilo udělit energii 80 KeV. Díky rychlému vývoji měly cyklotrony během dvou let průměr kolem 80 cm a protony v nich získávaly energii až 1,2MeV. Pomocí cyklotronu mohl být atom rozbít dřív, než se to povedlo Cocroftovi a Waltonovi, ale Lawrence svůj přístroj zprvu nepoužíval k fyzikálním pokusům. Během třicátých let byly v Berkeley uváděny do provozu stále větší cyklotrony a stávaly se užitečným nástrojem i pro jiná vědecká odvětví. Jednou z oblastí, kterou se Lawrence zvláště zabýval, byla příprava radioaktivních izotopů pro medicínu a biologii. Spolupracoval především se svým bratrem Johnem, ředitelem Berkeleyské laboratoře pro

15 11 lékařskou fyziku. V roce 1938 také poprvé použili urychlovač pro ozařování zhoubných nádorů. Částice s vysokou energii ničí živou tkáň a jsou nebezpečné, oni však použili úzký svazek a ozařovali jen místo nádoru. Tato technika je dodnes jednou z hlavních zbraní v boji proti rakovině. Robert Jemison Van de Graaff Tento americký fyzik, působící v Palmerově fyzikální laboratoři na univerzitě v Pricetonu, pracoval především na zdroji vysokého napětí a urychlování nabitých částic pomocí elektrostatického pole. V roce 1929 zkonstruoval první funkční prototyp generátoru. V roce 1931 získal na svůj generátor patent. V tom samém roce zprovoznil lineární urychlovač dlouhý 2 metry a dosahující energie 1,5MeV. Generátor tehdy produkoval napětí přibližně milion voltů, přičemž byl vyroben z materiálu za 90 dolarů. Jen pro srovnání dnešní urychlovače stojí miliardy euro a dosahují energii v TeV. John Cockroft a Ernest Walton Ernest Walton, irský fyzik, společně s Johnem Cockroftem studoval u Ernesta Rutherforda. V roce 1932 se těmto dvěma vědcům podařilo sestrojit lineární urychlovač na jiném principu, než na kterém pracoval Van de Graafův stroj. Zdrojem napětí se stal takzvaný kaskádní generátor. I je doprovázely těžkosti při stavbě nového urychlovače, především při vytvoření vakuového systému. Jejich práce znamenala obrovský posun kupředu. Vědci se totiž doposud domnívali, že k rozbití jader bude potřeba velmi vysoké energie. Ruský fyzik George Gamow teoreticky zformuloval předpoklad tunelového efektu, spočívající v tom, že do jádra se mohou dostat protony i s mnohem nižší energií. Cockroft a Walton využili jeho správné úvahy a zkonstruovali složitý vysokonapěťový urychlovač. Jejich přístroj byl komplikovaný a limitovaný co se týká napětí, na rozdíl de Graaffuv stroj byl jednoduchý a kompaktní, snadněji regulovatelný a schopen vyrobit vyšší napětí. Přesto se jim podařilo uskutečnit první jadernou reakci, vyvolanou urychlenými částicemi. Vypráví se, že Cockroft vyběhl z laboratoře na ulici a vykřikoval:,, Rozbili jsme atom! Rozbili jsme atom!. Tento počin měl obrovské důsledky v rámci experimentální fyziky. Jejich technika byla sice už mnohokrát překonaná, ale více než 50 let se užívá k předurychlení částic, které jsou pak vstříknuty do modernějších zařízení. Dvojice fyzik byla za svou práci odměněna v roce 1951 Nobelovou cenou.

16 12 Donald Kerst V roce 1940 sestrojil magnetický indukční urychlovač elektronů zvaný betatron. Princip indukčního urychlování byl známy už od dvacátých let, teoreticky tuto otázku zpracoval Wideroe. První betatron však zkonstruoval až Kerst o hodně let později, kvůli velkým technickým težkostem, které provázely Wideroa. I Kerstovy experimenty se potýkaly s problémy. Původně dostal grant pouhých $400, tato směšná částka se vyšplhala až na $2000. Průběhem času se ukázalo, že cyklotronová technika naráží na technické problémy, které limitují energii dosaženou na tomto typu urychlovače na mez přibližne 20 MeV. Pro dosažení vyšších energií musely být vynalezeny nové typy urychlovací techniky. Brookhavenská národní laboratoř (BNL - Brookhaven National Laboratory) Po 2. světové válce vynalezl Lawrenceův kolega Edwin M. McMillan nový typ urychlovače- synchrotron. Kde se částice nepohybují po spirále jako v cyklotronu, ale po kruhové dráze. První protonový synchrotron pracoval v Národní laboratoři v Brookhavenu nedaleko New Yorku. V roce 1952 dosáhl energií až 3GeV. Byl to první urychlovač, který poskytoval částice s energií srovnatelnou s kosmickým zářením a říkalo se mu proto také kosmotron. V roce 1955 vyprodukovali fyzikové na tomto urychlovači antiprotony. Kosmotronu patřilo prvenství až do doby, než v Berkeley v roce 1954 byl uveden do provozu synchrotron, nazvaný bevatron, s energií 6GeV. CERN (Conseil Européen pour la recherche nucléaire). V prosinci 1949 se ve Švýcarsku konala konference spojených národů, která se zabývala bídným stavem vědy v poválečné Evropě. Vědci se během války rozutekli po celém světě a centrum výzkumu přešlo do Spojených států. Zde poprvé zazněla výzva francouzského fyzika Louise de Broglie, který doporučoval založit mezinárodní výzkumnou laboratoř. O 6 měsíců později bylo přijato usnesení UNESCO a nedaleko švýcarské Ženevy se zrodil CERN (Evropská rada pro jaderný výzkum, později Evropská laboratoř pro jaderný výzkum). S výstavbou se začalo v roce Dubna

17 13 Spojený ústav jaderných výzkumů se nachází asi 120 km severně od Moskvy ve městě Dubna. Dubna se jako jeden zmála ruských ústavu, po vzoru CERN, začala otevírat světu a v 1956 byla podepsána smlouva, která definuje tento ústav jako mezinárodní instituci s několika členskými zeměmi. V tehdejším sovětském svazu byl v roce 1957 uveden do provozu synchrofázotron, který dosahoval světového rekordu 10GeV. Studená válka Studená válka na poli vědeckém znamenala především konkurenci mezi CERN, Brookhavenskou národní laboratoří a Dubnou. Hlavním cílem CERN bylo postavit protonový synchrotron s názvem PS (proton synchrotron) na 28GeV, největší urychlovač té doby, a překonat tak ruské prvenství. Také Národní laboratoř v Brookhavenu ve Spojených státech plánovala stavbu urychlovače AGS (Alternativ Gradient Synchrotron), který měl dosáhnout energii až 30GeV, a získat tak rekord. V roce 1959, po spuštění synchrotronu v CERN, Evropa tento závod vyhrála. Rivalita mezi laboratořemi byla taková, že dokonce sovětští kolegové poslali láhev vodky určenou specielně pro tuto příležitost do CERN. Láhev kolovala po úspěšném spuštění kontrolní místností. Poté vedoucí skupiny protonového synchrotronu, John Adams, uložil do prázdné láhve záznamy, které dokumentovaly dosažený úspěch, a nechal je poslat zpátky do Ruska. Broohavenští vědci přišli posléze s novou ideou proměnlivého gradientu, která umožňovala použít menší a levnější magnety. Tuto koncepci poté přijal i CERN, zde jí rovněž jako první použili pro urychlování protonů. Broohavenský urychlovač byl však dříve připraven pro nabírání fyzikálních dat a brzy zde byly učiněny důležité fyzikální objevy. Trvalo ještě 10 let, než Evropa začala dosahovat srovnatelných výsledků. SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) Vědci v Berkeley byli ovlivněni Lawrencem natolik, že veškeré své úsilí a prostředky věnovali výstavbě cyklických urychlovačů, a většina světa je v tom následovala. Specialisté na urychlování ve Stanfordském středisku lineárního urychlovače, který leží jižně od San Franciska, šli jinou cestou, zaměřili se na urychlování elektronů pomocí vysokofrekvenčních elektrických polí. V roce 1937 objevili nový výkonný typ radiofrekvenčního zesilovače - klystotron. Po 2. světové válce připravovali stavbu obrovského lineárního urychlovače o délce tří kilometrů. V roce 1967 poskytl SLAC první svazek. Velký zlom v jejich práci nastal, když posunuli detektory dál od linie svazků, aby mohli

18 14 pozorovat elektrony, které změnily směr. Ku podivu všech byla těchto elektronů velká spousta. V té době zde působil Richard Feyman a James Bjorken. Diky jejich převratnému experimentu dospěli k závěru, že uvnitř nukleonu se nacházejí nabité bodové objekty. Byl zde současně s Brookhavenskou národní laboratoří objeven kvark c. Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory) Fermiho národní urychlovačová laboratoř, výzkumné středisko fyziky vysokých energií, jež nese jméno jednoho z průkopníků částicové fyziky Enrica Fermiho, leží 50 kilometrů západně od Chicaga. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. Od roku 1983 zde byl největší urychlovač světa Tevatron, jehož obvod je 6,28 km dlouhý a dosáhl energie 980GeV. K nejvýznamnějším objevům patří objev charmonia (částice J/Ψ) kvarku b (1977), kvarku t (1995) a tau neutrina (2000). V současnosti se Fermilab zabývá výzkumem t kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, zkoumáním platnosti CPT invaraiance a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty. Současná Dubna Během let šedesátých, sedmdesátých a osmdesátých se Dubna pořád rozvíjela a dala světu množství objevů. Experimentů v Dubně se účastní i spousta západních odborníků, pro které jsou lákadlem buď experimentální zařízení, finanční dostupnost, nebo prostě právní omezení bránicí provedení jaderných experimentů v jejich zemích. Poslední důvod lze částečně chápat jako známou benevolenci ruských úřadů k radioaktivitě, dostupnost všech možných radioaktivních izotopů a celkově vstřícnější legislativu. Tyto experimenty jsou zároveň potřebnou finanční injekcí pro ruské vědce a experimentální zařízení. Bohužel jsou experimenty často komplikovány špatným stavem zařízení, problémy s jinými ruskými partnery či typickým ruským pracovním přístupem. I tak zde například ve spolupráci s německými výzkumnými ústavy a univerzitami probíhají experimenty v oblasti transmutace vyhořelého jaderného paliva. Laboratoř jaderných reakcí je vybavena třemi cyklotrony, určenými k urychlování těžkých iontů. Dubna je známa především objevy nových transuranových prvků. Prvek s protonovým

19 15 číslem 105 je podle svého místa objevu nazván Dubnium. Nyní pracují v této laboratoři na syntéze prvků s protonovými čísly 114 a 118 (uran má 92). Členské státy 1 Členskými státy jsou země bývalého Sovětského svazu (Arménie, Ázerbajdžán, Bělorusko, Gruzie, Kazachstán, Moldávie, Rusko, Ukrajina, Uzbekistán), země východní a střední Evropy (Bulharsko, Česká republika, Polsko, Rumunsko, Slovensko) a další země bývalého "východního bloku" (Kuba, KLDR, Mongolsko, Vietnam). Přidruženými členy jsou Německo, Maďarsko a Itálie. Současný CERN Evropská laboratoř pro fyziku částic, je nejrozsáhlejší výzkumné centrum částicové fyziky na světě. Byla prvním takovým evropským společným dílem a stala zářným příkladem úspěšné mezinárodní spolupráce. Z původních 12 signatářů dohody o založení CERN vzrostl počet členských zemí na 20. V CERN bylo za 50 let jeho existence uvedeno do provozu několik generací urychlovačů, jež dokázaly urychlovat částice postupně na stálé vyšší energie. Když zde v roce 1989 uvedli do provozu LEP (Large Electron-Positron Collider), překonali tak Fermilab co se týká rozměrů. LEP měl obvod 26,6 km a dosahoval energii až 209GeV. Experimenty na LEP skončily s nabíráním dat v září roku 2000, analýza jejich výsledků bude ještě několik let pokračovat. Po skončení činnosti byly detektory i celý urychlovač LEP demontovány a do stejného podzemního tunelu byl instalován urychlovač LHC (Large Hadron Collider, Velký hadronový - srážkový urychlovač), který by měl být dokončen v roce Se zařízením CERN pracuje okolo 6500 vědců, což je polovina všech částicových fyziků na světě. Vědci zastupují 500 univerzit či jiných odborných pracovišť a více než 80 národností. K největším objevům doposud v CERN patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvark-gluonového plazmatu. Základní výzkum v oblasti částicové fyziky přináší ovšem i mnoho poznatků, které mají blízko k praktickému použití. Jako pří- 1

20 16 klad lze uvést rozvoj výpočetní techniky a počítačové komunikace, v CERN vznikla světová síť www. Členské státy 2 Zakládajícími členy byly Belgie, Dánsko, Francie, Itálie, Jugoslávie (do 1961), Německo, Nizozemsko, Norsko, Řecko, Spojené království, Švédsko a Švýcarsko. Následovaly další státy: Rakousko (1959), Španělsko ( a od 1983), Portugalsko (1986), Finsko (1991), Polsko (1991), Maďarsko (1992), Česko (1993), Slovensko (1993) a Bulharsko (1999). EU má status pozorovatele. Obr. 1 Členské státy CERN modře: Zakládající státy zeleně: Státy přistoupivší později Pramen: BDzkum LHC (Large Hadron Collider ) Více pozornosti bych chtěla věnovat největšímu současnému hadronovému urychlovači, který bývá také přezdívaný jako stroj na Velký třesk. Tento unikátní mechanizmus bude spuštěný v tomto roce a tak jsme se z historického výčtu nejvýkonnějších urychlovačů dostali do současnosti. Náklady na tento unikátní projekt, realizující se v evropském CERN, činí řádově miliardy euro, proto může vzniknout jedině v takové nadnárodní spo- 2

21 17 lečnosti. Na jeho výstavbě se podílí 2000 fyziků a inženýrů z 34 zemí. Jedná se o největší vědecký projekt současnosti, který překonává snad všechny možné superlativy. Je největším světovým supravodivým zařízením, v jeho nitru je udržováno nejdokonalejší vakuum, jeho magnety chlazené supratekutým heliem budou pracovat při teplotě -271 C. V mnoha ohledech se tedy jedná o stroj na hranici našich současných fyzikálních a technických možností. Jeho výstavba trvala sedm let a jeho doba provozu se odhaduje na přinejmenším 10 let. Celé zařízení je instalováno ve 27 kilometrů dlouhém tunelu v hloubce asi 100 metrů pod povrchem země. Nad zemí budou pouze pomocná zařízení potřebná pro jeho provoz. Samotný urychlovač tvoří dvě potrubí, v nichž budou urychleny dva svazky protonů na rychlosti blízké rychlosti světla, každý o energii 7TeV, takže výsledná energie při srážce obou svazků bude až 14TeV. Bude urychlovat nejen protony, ale také jádra těžkých atomů jako například olovo. Jejich srážkami by se mělo dosáhnout energií až 1150TeV. Ještě zůstává velké množství nezodpovězených otázek, na které by nám LHC měl pomoci odpovědět. Jako například: - Co je to hmota (víme jak ji měřit, ale stále nevím co to je)? - Jaký je původ částic s nenulovou klidovou hmotností (Existuje Higgsův boson)? - Proč mají odlišné částice různou klidovou hmotnost? - Mají neutrina opravdu nulovou klidovou hmotnost? - 95% hmoty ve vesmíru není z hmoty. Z čeho tedy je zbytek vesmíru? (Je to quintessence - temná energie)? - Existují supersymetrické částice? - Je antihmota dokonalým obrazem hmoty? - Existuje 10+1 rozměr prostoročasu? Platí teorie superstrun a M-teorie? Můžeme ostatní svinuté rozměry detekovat? K největším a nejvýznamnějším urychlovačům světa dále patří: CESR (Cornell Electron-positron Storage Ring - Cornellský elektron-pozitronový shromažďovací prstenec) je srážeč elektronů a pozitronů o obvodu 768 metrů, umístěný 12 metrů pod povrchem v areálu Cornellovy univerzity. Umožňuje srážet elektrony s jejich antičásticemi, pozitrony, při těžišťových energiích mezi 9 a 12 GeV. Produkty těchto srážek se studují pomocí detekční aparatury nazývané CLEO.

22 18 Laboratoř DESY se nachází v Hamburku v Německu. Na urychlovači PETRA zde byl objeven gluon. V DESY jsou v chodu dva urychlovače - HERA a PETRA. Na urychlovači HERA se srážejí elektrony a protony, na PETRA elektrony s pozitrony. Laboratoř KEK byla v Japonsku vybudována pro podporu rozvoje experimentálních studií elementárních částic na východě. Jako první její významné zařízení byl postaven protonový synchrotron o energii 12GeV. Od počátku experimentální činnosti v roce 1976 sehrál protonový synchrotron významnou roli při rozvoji experimentálních aktivit v Japonsku a položil základy k dalšímu stadiu programu KEK v oblasti vysokých energií - konstrukci urychlovače elektron - pozitronových vstřícných svazků o energii 30GeV, který dostal jméno TRISTAN. Ústav fyziky vysokých energií (IHEP) v Pekingu v Čínské lidové republice. Tabulka 1 přehled největších synchrotronových urychlovačů Protonové: Urychlovač Laboratoř Energie TEVATRON FERMILAB (USA) 1000GeV HERA DESY (Hamburg) 820GeV SPS CERN (Švýcarsko) 450GeV LHC CERN (Švýcarsko) 7 000GeV Elektronové: Urychlovač Laboratoř Energie SLC SLAC (USA) 50GeV HERA DESY (Hamburg) 82GeV LEP CERN (Švýcarsko) 92GeV Pramen:

23 19 3. Rozdělení urychlovačů Urychlovače můžeme rozdělit do několika skupin podle různých kriterií. a) podle typu částic: 1. Urychlovače elektronů 2. Urychlovače protonů a lehkých iontů 3. Urychlovače těžkých iontů 4. Univerzální b) podle tvaru dráhy: 1. Lineární 2. Kruhové (cyklické) c) podle režimu 1. Spojité 2. Pulzní d) podle typu pole: 1. Elektrostatické 2. Indukční (proměnný magnetický indukční tok) 3. Rezonanční (vysokofrekvenční elektromagnetické pole) e) podle účelu a použití: 1. Malé urychlovače pro průmyslové a medicínské využití 2. Velké urychlovače pro výzkum ve fyzice elementárních částic Než přejdeme k jednotlivým typům urychlovačů, zmíním se o třech součástech, které mají všechny urychlovače. Jedná se o zdroj urychlovaných částic, terčík a detektory.

24 20 Zdroj urychlovaných částic (iontový zdroj) Vysílá do "startovacího" místa urychlovacího systému částice, jako například elektrony, protony či těžší ionty. V nejjednodušším případě se jedná o ionizační trubici, která obsahuje příslušný zředěný plyn, jako je například vodík, kde v doutnavém výboji mezi katodou a anodou, při napětí přibližně stovek voltů, vznikají ionty (u vodíku jsou to protony p + ) a ty jsou pomocí tenké trubičky vedeny "odsávací" elektrodou do urychlovacího systému. Pro urychlovače elektronů je zdrojem obyčejná žhavená katoda, opatřená vhodnými urychlujícími a fokusujícími anodami - "elektronovým dělem" - podobně jako u obrazovky. U velkých urychlovačů se jako zdroje částic mnohdy používají injektory - do hlavní komory jsou "předurychlené" částice vstřikovány pomocným lineárním urychlovačem (s energií jednotky až desítky MeV) a následně urychlovány na požadovanou vysokou energii (GeV). Terčík Na terčík dopadá svazek urychlených částic. Může být buď vnitřní, ten se nachází uvnitř urychlovacího systému, nebo vnější, kdy jsou částice vedeny ven z urychlovací trubice. Také sekundární částice, které mohou vzniknout na vnitřním terčíku, jako například π nebo K mesony, se působením magnetického a elektrického pole vyvedou ve formě svazku do prostoru laboratoře, kde se nacházejí měřící aparatury, což jsou detekční přístroje, bublinové komory atd. Během dopadu urychlených částic na terčík dochází k přeměně většiny kinetické energie částic na teplo, čímž se ostřelovaný terčík zahřívá. Aby nedocházelo k tepelnému poškození terčíku nebo odpaření terčíkové látky, je potřeba toto ztrátové teplo (může to být i několik stovek wattů) odvádět. Terčík se upevňuje na mohutnou kovovou podložku s výdutí, chlazenou protékající vodou (podobně jako anody výkonových rentgenových trubic). Vstřícné svazky Při dopadu částice na pevný nepohyblivý terčík, kde dojde ke srážce s další částicí nebo jádrem, spotřebuje se při vlastní interakci jen část energie nalétající částice, protože podle zákona akce a reakce se část energie dopadající částice přemění na kinetickou energii odražené částice. Pro výsledek interakce je důležitá kinetická energie v těžišťové soustavě obou částic. Pokud bychom chtěli zvýšit efektivní energie interakce, můžeme vyslat

25 21 nalétající a terčíkové částice proti sobě s přibližně stejně velkými kinetickými energiemi. V tomto případě se jedná o metodu vstřícných svazků bez použití klasického terčíku. Obě částice, jejichž vzájemné reakce chceme pozorovat, urychlíme na vysoké energie a ve vstřícných svazcích vypouštíme proti sobě tak, aby došlo k čelní srážce a následné interakci. Oba svazky se urychlují buď v jedné trubici, nebo ve dvou různých trubicích. Zařízení tohoto druhu se nazývají collidery a umožňují studovat vzájemné reakce částic při mnohem větších efektivních energiích než u klasických urychlovačů s terčíky - v současné době se dosahuje až TeV. Aby vstřícné srážky byly dostatečně časté, je důležité zajistit poměrně vysokou intenzitu těchto svazků. Proto se na některých urychlovačích používají speciální akumulační prstence, ve kterých se nahromadí urychlené částice (např. protony a antiprotony) z několika dávek a teprve poté, co se dosáhne dostatečné intenzity, dojde na samotnou srážku ve vstřícných svazcích. Jen pro představu si můžeme popsat podobný děj probíhající v makrosvětě. Jedná se buď o srážku automobilu s nepohyblivým terčem (například stromem) nebo o čelní srážku dvou pohybujících se automobilů. Detektory Fyziky zajímá především to, k čemu dochází během srážky a těsně po ní. Proto umísťují detektory na místa, kam částice po srážce nejpravděpodobněji přiletí. Tyto oblasti jsou různé podle typu srážek. Prostorové uspořádání detektorů proto závisí na typu srážky, tedy na tom, zda se jedná o pevný terč nebo vstřícné svazky. a) Pevný terč: Při experimentech s pevným terčem většina vznikajících částic letí směrem dopředu. Detektory mají úzký rozbíhavý tvar a nachází se za terčíkem. Obr. 2Pevný terč Pramen:

26 22 b) Vstřícné svazky: Při srážkách vstřícných svazků vyletují částice do všech směrů, takže detektory mají tvar koule nebo válce, v jehož středu se částice srážejí. Obr. 3Vstřícné svazky Pramen: Lineární urychlovače Lineární urychlovač používá k urychlení částic po lineární přímkové dráze jen elektrické pole, to je buď statické, nebo se může i měnit. Lineární urychlovače můžeme rozdělit na elektrostatické a vysokofrekvenční. Elektrostatické lineární urychlovače pak dále dělíme podle typu zdroje vysokého napětí. Vysokofrekvenční můžeme rozlišit podle typu vlny Elektrostatické lineární urychlovače Elektrostatické lineární urychlovače se skládají ze zdroje vysokého napětí, duté vakuové urychlovací trubice a terčíku, kam dopadají urychlené částice. Iontový zdroj emituje částice do systému složeného z několika kovových válcových elektrod V 1, V 2,..., Vn, mezi kterými se nachází postupně rostoucí vysoké napětí U 1, U 2, U 3,...,Un. Částice o náboji q jsou urychlovány elektrostatickým polem na energii E = q. (U1+U2+U3+...+Un). Každá mezera mezi elektrodami fokusuje letící částice do úzkého svazku jako,,elektrická čočka. Svazek částic pak dopadá na terčík. Ten je zdrojem záření X.

27 23 Obr. 4 Zjednodušené schéma lineárního elektrostatického urychlovače Pramen: Existují dva typy zdroje napětí (jejich název se pak používá i pro název samotného urychlovače): a) Cockroftův-Waltonův generátor Jeho základem je násobič napětí. V kaskádním generátoru se vysokého napětí dosáhne mnohonásobným zvýšením střídavého napětí, získaného transformátorem. Cockroft - Waltonův urychlovač se v dnešní době používá u obřích urychlovačů jako předstupeň hlavního urychlovače. Získaná energie je až 4MeV. Obr. 5 Cockroftův-Waltonův generátor Pramen:

28 24 b) Van de Graafův generátor: Toto zařízení je založeno na známém pokusu z elektrostatiky a ve zmenšeném provedení je najdeme v každém fyzikálním kabinetě. Princip tohoto generátoru spočívá v tom, že pokud se uvnitř vodiče nachází dutina, ve které nejsou žádné makroskopické náboje, zůstává pak intenzita elektrického pole v této dutině nulová. Pole v dutině je vykompenzováno polem povrchových nábojů. Pomocí pohyblivého pásu z izolujícího materiálu, jako třeba hedvábí nebo guma, se přenáší kladný náboj z externího zdroje do nitra kovové koule, tam je pak odveden na její povrch a pole uvnitř zůstává nulové. Vybitá část pásu se pak vrací k novému nabití. S opakovaným přiváděním náboje dovnitř vodiče můžeme tento vodič nabít teoreticky neomezeně velkým nábojem. Omezení potenciálu, dosažitelného na koulích elektrostatického generátoru je dáno průrazným napětím obklopujícího plynu. Proto se ukázalo účelnějším umístnit generátor do vzduchotěsného obalu, uvnitř kterého se vytvoří tlak několika atmosfér, čímž se zvyšuje průrazné napětí. Ještě účinnější se ukázalo umístnění generátoru ne ve vzduchu, ale ve stlačeném plynu s velkou elektrickou pevností např. Freon. Obr. 6 Van de Graafův generátor Pramen:

29 25 Malý elektrostatický urychlovač elektronů najdeme v každé domácnosti, jedná se totiž o televizní obrazovku, ve které se elektrony urychlují elektrickým polem o napětí kolem 16kV Lineární vysokofrekvenční urychlovač Jedná se o efektivnější způsob urychlování nabitých částic na vysokou energii, aniž bychom použili enormně vysoké napětí. Ze zdroje Z jsou částice emitovány do urychlovacího systému válcových elektrod V1, V2, V3,..., Vn, jenž jsou připojeny ke střídavému elektrickému napětí U(t) = Uo.cos(ω.t) =Uo.cos(2π 2πf.t) o amplitudě Uo a frekvenci f. K jednomu pólu vysokofrekvenčního zdroje elektrického napětí jsou připojeny liché válce, k druhému pólu pak sudé válce. Přijde-li kladná částice s nábojem q a hmotností m ze zdroje Z ve fázi, kdy první válcová elektroda V 1 má záporný potenciál -Uo, pak získá energii E 1 = q.uo a rychlost v 1 = (2qUo/m), takže délku l 1 uvnitř válce V 1 proletí za čas t 1 = l 1 /v 1. Frekvenci f střídavého napětí volíme právě tak, aby částice vstoupila do mezery mezi válci v okamžiku, kdy se polarity obrátí a válec V 1 má kladný potenciál a V 2 naopak záporný potenciál, pak se částice znovu urychlí o energii q.uo, což znamená, že má už energii 2.q.Uo. Pokud chceme docílit toho, aby se částice při průchodu každou elektrodou urychlila, musí být synchronizace mezi frekvencí f, napětím U a délkami elektrod l k volena tak, aby se obrátila polarita střídavého napětí během průchodu částic mezi elektrodami. Jak je vidět z obrázku, musí se délka válcových elektrod zvyšovat, jak narůstá rychlost částic. K samotnému elektrickému urychlení pak dochází v mezerách mezi elektrodami, uvnitř válce prolétají částice jen díky setrvačnosti. Obr. 7 Zjednodušené schéma lineárního vysokofrekvenčního urychlovače Pramen:

30 26 Vývojem lineárních vysokofrekvenčních urychlovačů se frekvence f stále zvyšovala a válcové elektrody nahradily dutinové rezonátory. Tyto lineární urychlovače používají pro vytvoření urychlujícího pole vlnovodů, napájených frekvencí několika GHz z klystronových generátorů. a) vysokofrekvenční lineární urychlovače s (nosnou) postupnou vlnou Tyto urychlovače se používají k urychlení elektronů. Urychlovací trubici tvoří vlnovod, kterým postupuje elektromagnetická nosná vlna. Po vstříknutí částic ze zdroje do vlnovodu se tyto částice setkají s nosnou vlnou, fázová rychlost vlny je menší než rychlost světla. Pokud budou mít částice v okamžiku setkání shodnou rychlost s elektromagnetickou vlnou, budou si svou polohu vzhledem k vlně zachovávat. Tím budou částice trvale pod vlivem urychlujícího pole, jako když mořská vlna nese loďku. Tento vlnovod je v podstatě válcovitá trubice, ve které se nachází kruhové clony s otvorem uprostřed. Těmito clonami se zajistí zatížení vlnovodu, díky němuž pak bude fázová rychlost šíření elektromagnetické vlny menší, než rychlost světla. b) vysokofrekvenční lineární urychlovač se stojatou vlnou Ve vysokofrekvenčním lineárním urychlovači projde vysokofrekvenční vlna po urychlovací dráze a na konci se odrazí zpět. Vznikne tak stojatá vlna s velmi velkým silovým polem, která silně urychluje elektrony do 10MeV s frekvencí 100Hz až 100kHz. V obou dvou případech dojde k velkému urychlení na značně krátké dráze.

31 Kruhové urychlovače Největší současné urychlovače jsou urychlovače kruhové. Jedná se o velmi účinný způsob, jak urychlovat nabité částice na vysoké energie jejich mnohonásobným urychlením v elektrickém poli, kam jsou opakovaně vraceny po kruhové dráze působením magnetického pole. Na částici o náboji q zde působí jak elektrická urychlující síla Fe = q.e, tak i Lorentzova síla Fm = q.[v B], která působí v magnetickém poli o intenzitě B kolmo ke směru pohybu částice o rychlosti v. Nabitá částice pak vlivem působení magnetické síly koná kruhový pohyb o poloměru R = m. v. c/ (q.b). Pokud je ve vhodných místech cyklické dráhy synchronně použité elektrické urychlující pole, částice jsou periodicky urychleny při každém svém oběhu Cyklotron Jedná se o základní typ kruhového urychlovače. Používá se k urychlování do energií 15MeV těžkých nabitých částic, například protonů, deuteronů, což jsou kladné částice atomů. V cyklotronu se částice pohybují uvnitř dvou polokruhových dutých kovových komor, duantů, označených na obrázku D 1 a D 2, umístněných mezi pólovými nástavci obrovského magnetu, mezi nimiž se nachází urychlovací mezera. K duantům je přiloženo střídavé elektrické napětí U = Uo.cos(2πf.t) s frekvencí f, takže v mezeře mezi deskami je střídavé elektrické pole. Potom co jsou částice vstříknuty ze zdroje do středu urychlovací mezery, jsou díky působení elektrické síly vtaženy do jednoho z duantů, který má právě opačnou polaritu. Uvnitř duantu je pak síla elektrického pole odstíněna silou silného magnetického pole, díky níž se částice pohybuje vždy po půlkružnici s poloměrem R 1 = m. v 1 / (q.b), kde m je hmotnost částice, q je její náboj a rychlost v je taková rychlost, se kterou je částice vtažena do duantu. Vztah pro poloměr je pak odvozen rovnováhou mezi Lorentzovou magnetickou silou a odstředivou silou. Frekvence oběhu částice je neměnná f = q.b/(2πm). Částice se pohybují po spirálové dráze, kde je drží časově neproměnné magnetické pole. Pro splnění rezonance čí synchronizace je mechanizmus napájený střídavým napětím o právě této frekvenci f. Poté co částice opíše půlkružnici v prvním duantu dorazí opět do urychlovací mezery mezi duanty. Polarita je již opačná, částice je opět urychlena elektrickým polem, což znamená, že do druhého duantu je vtažena s rychlostí v 2,

32 28 která je větší něž rychlost v 1, se kterou byla částice vtažena do prvního duantu. Zde pak částice opět opíše půlkružnici o poloměru R 2 = m.v2 /(q.b), který je analogicky větší než poloměr R 1, přičemž perioda a frekvence kruhového pohybu je neměnná. Při přechodu z jednoho duantu do druhého se částice vždy urychlí a zvětší se rovněž vždy poloměr jejich dráhy, což znamená, že se částice pohybují po spirále. Tak se děje dokud částice nevstoupí do poslední dráhy, která má maximální poloměr. Zde je pak magneticky nebo elektrostaticky vyvedena a narazí na terčík, kde vyvolá požadované procesy. Dosáhne li však částice relativistické rychlosti, poroste jejich hmotnost a prodlouží se doba oběhu. Růst hmotnosti v závislosti na rychlosti je vyjádřen vztahem m = mo/ (1-v 2 /c 2 ). Částice již nemůže být urychlována střídavým napětím o konstantní frekvenci, ale urychlovací frekvenci je třeba přizpůsobovat frekvenci oběhu částic tak, aby s ní byla stále v rezonanci. Takto modifikovaný cyklotron se nazývá fázotron nebo synchrocyklotron. Obr. 8 Schématické znázornění cyklotronu Pramen:

33 Synchrocyklotron Pro dosažení vyšší energie je nutné kompenzovat vliv růstu relativistické hmotnosti s rychlostí, čímž je způsoben pokles úhlové rychlosti jednotlivých částic na jejich spirálovém pohybu. Vzhledem k periodicky se měnícímu urychlovacímu elektrickému poli, s konstantní frekvencí, se částice zpomalují. Periodickou změnou frekvence lze dosáhnout synchronizace s klesající frekvencí obíhající částice. Fokusace je zajištěna vhodným průmětem magnetického pole. Používají se k urychlování protonů do energii 1GeV Izochronní relativistický cyklotron Další odstranění nežádoucího růstu hmotnosti se provede růstem magnetické indukce s poloměrem dráhy. Tím je však porušena podmínka axiální fokusace, díky níž bylo magnetické pole na okraji slabší, než uprostřed. U izochronního relativistického cyklotronu je magnet rozdělen na sektory, magnetické pole je střídavě silné a slabé a přechod mezi sektory fokusuje svazek částic. Obr. 9 Magnetické pole Pramen: stic.pdf

34 Synchrotron Velké současné urychlovače zvané synchrotrony, používají proměnné magnetické pole tak, aby poloměr trajektorie zůstával neměnný i při růstu relativistické hmotnosti. Rychlost je pak téměř rovna rychlosti světla. Pokud chceme částice urychlit na velmi vysoké energie, vychází ve spirálovitém urychlovači velký poloměr. Proto se částice v synchrotronu nepohybují po spirále, ale po kruhové dráze uvnitř trubice, z níž byl vyčerpán vzduch. Z praktického hlediska je tento cyklický spirálovitý způsob pro urychlení na vysoké energie nepoužitelný. Vakuový prostor i elektromagnety by dosahovaly enormních rozměrů. Muselo tedy dojít k modifikaci na urychlovač s pevnou kruhovou dráhou. To umožňuje budovat urychlovače tvaru prstence kolosálních rozměrů, podél něhož jsou rozmístněny magnety. Urychlovací komora musí být přitom umístněna s milimetrovou přesností. a) Elektronový synchrotron Používá se na urychlení elektronů, které se pohybují po dráze s neměnným poloměrem. Frekvence urychlovacího napětí je konstantní, naopak magnetická indukce v průběhu urychlování roste. Toto zařízení pracuje v počáteční fázi stejně jako betatron (do energie přibližně 2MeV). Pak dojde ke splnění podmínky pro synchrotronní režim, urychlování přechází na pulzní provoz. Fokusace i aplikace je obdobná jako u betatronu. b) Protonový synchrotron (Synchrofázotron) Mění-li se v synchrotronu i frekvence urychlovacího napětí, vznikne synchrofázotron (protonový synchrotron). Během urychlování na dráze s konstantním poloměrem roste tedy magnetická indukce a taky frekvence urychlovacího napětí. Urychlovací trubice je vakuová a má většinou průměr mezi třemi až osmi centimetry, tvoří kruh o průměru stovek metrů až několika kilometrů. Kolem trubice jsou rozmístněny elektromagnety, mající tvar kruhové výseče, těchto segmentů bývá až kolem stovky kusů. Kolem kruhové dráhy jsou na vhodných místech také urychlovací elektrody, které napájí střídavé vysoké napětí. Frekvence tohoto napětí je synchronně zvyšována, protože je důležité, aby částice mezi elektrody přišla právě v tom okamžiku, kdy polarita zajistí další a další urychlení. Současně s frekvencí se zvyšuje intenzita magnetického pole B. Částice, které jsou v synchrotronu urychlovány, jsou již předem částečně předurychleny v lineárním urychlovači na energie přibližně 20 až 100MeV. S těmito energiemi vstupují částice z injektoru do urychlovací

35 31 trubice v pravidelných dávkách, pulzním režimu. Během urychlovacího cyklu v urychlovací trubici, který trvá přibližně kolem 4 sekund, vykoná částice až několik milionů oběhů a urychlí se až na několik TeV. Tento cyklus se během minuty několikrát zopakuje, po jeho skončení dopadnou částice podle potřeby na vnitřní nebo vnější terčík. Pokud se jedná o využití principu vstřícných svazků, jsou částice svedeny do akumulačního prstence. Při nárazu na terčík pak vznikne spousta různých druhů částic, ty pak můžeme odseparovat pomocí magnetických a elektrických polí, fokusací zformovat ve svazek a ten pak může narazit na další terčík. V takovém případě se jedná o sekundární svazky. Fokusace je důležitá už při průchodu urychlovací trubicí. Částice totiž po vstříknutí konají radiální a vertikální kmity kolem své základní dráhy a také se rozbíhají ze svazku do všech stran, protože se díky souhlasnému náboji odpuzují. Pomocí silné magnetické fokusace dojde ke zformování částic do úzkého intenzivního svazku. Podstata fokusace spočívá ve vhodně sestavených segmentech elektromagnetu, které mají střídavě kladný a záporný gradient intenzity magnetického pole, což pak vede k dvojité fokusaci v radiálním a vertikálním směru střídavě. Obr. 10 Schématické znázornění synchrotronu Pramen:

36 Betatron Název je odvozen od rozpadu beta, jehož produktem jsou právě elektrony. Jedná se tedy o urychlovač elektronů. Elektrony, pohybující se na dráze s neměnným poloměrem jsou urychlovány silou elektromagnetické indukce. Jedná se v podstatě o transformátor, jehož primární vinutí je napájené střídavým proudem a jehož sekundárním závitem je vakuová urychlovací trubice ve tvaru prstence, který je zhotovený z izolujícího materiálu, jako je například sklo, nebo porcelán. Trubice se nachází mezi pólovými nástavci magnetu. Střídavý proud v primární části urychluje elektrony v sekundáru podél kruhové dráhy. Již částečně urychlené elektrony jsou ve vhodném okamžiku, tedy ve vhodné fázi periody střídavého proudu, vstřikovány do urychlovací trubice elektronovou tryskou, tvořenou katodou. Jejich dráha se spirálovitě zakřivuje, až se dostanou na kruhovou dráhu, kde se jejich rychlost zvětšuje. Na konci urychlování se elektrony pohybují po spirále zevně, kde narazí na terčík. Elektrony v urychlovači proběhnou velmi velkou dráhu a nepatrné odchylky znamenají náraz částice na stěnu a ztrátu energie. Proto je opět velmi důležitá fokusace. Ta působí rovněž ve dvou směrech, axiálním a radiálním. U Axiálního směru upravujeme magnetické pole pomocí pólových nástavců magnetu tak, aby na okraji bylo slabší než uprostřed. U radiálního se zajišťuje návrat částic na stabilní dráhu. Obr. 11 Schématické znázornění betatronu Pramen:

37 Mikrotron Funguje principiálně jako cyklotron, urychluje elektrony až na energie 30MeV. Je to rezonanční kruhový urychlovač s konstantní urychlovací frekvencí a magnetickým polem. Stejně jako u cyklotronu je mezi pólovými nástavci elektromagnetu plochá vakuová válcová komora, místo duantů je však u mikrotronu dutinový rezonátor, který funguje jako elektrický urychlovací systém. Částice proletí rezonátorem mnohokrát, protože sem jsou vráceny působením magnetického pole, přičemž pokaždé zvýší svou rychlost, tedy i energii. S rostoucí kinetickou energií roste i s každým průletem poloměr dráhy elektronu. K rezonanci dochází tak, že doba obletu relativistické částice roste jako k-násobek frekvence urychlovacího pole 2π.f = k. e.b/(mo.c), kde e je náboj elektronu a m 0 jeho klidová hmotnost. Je vhodný pouze pro elektrony, dodává jim energii až 30 MeV. Obr. 12 Schématické znázornění mikrotronu Pramen: 4. Perspektivy: Kruhové či lineární urychlovače?