כיצד פועל סינכרוטרון?
סינכרוטרון הוא מאיץ חלקיקים לאנרגיות הגבוהות ביותר ולכן הוא נמצא בדרך כלל במתקני מחקר גדולים. שדות חשמליים מאיצים את החלקיקים, שדות מגנטיים שומרים אותם על מסלול טבעת. אבל איך זה עובד בתיאום כל כך מדויק?
כך בונים סינכרוטרון
- באופן עקרוני, סינכרוטרון הוא סיבוב מעגלי. מאיץ טבעות. החלקיקים שיש להאיץ (אלקטרונים או פרוטונים, למשל) עוברים דרך אינספור נתיבים מעגליים שנקבעו מראש זכר - בניגוד למאיץ לינארי או בטטרון, בו המסלול המעגלי משתנה עם האצה גוברת מוּגדָל.
- החלקיקים מונחים בנתיב מעגלי קבוע בעזרת שדות מגנטיים (מילת מפתח: כוח לורנץ; ראה למטה).
- החלקיקים מואצים על ידי שדות בתדירות גבוהה הנמצאים במרווחים קבועים בטבעת המעגלית. תדירות השדות הללו היא - כפי שהשם "סינכרוטרון" מרמז - גדל באופן סינכרוני עם מחזור החלקיקים. במילים פשוטות, החלקיקים מקבלים דחיפה מתאימה בדיוק מהשדה החשמלי של התדר הגבוה.
- זרימת החלקיקים מואצת מראש על ידי מאיץ לינארי (קטן) לפני שהיא מוזנת לטבעת הסינכרוטרון בעזרת מגנטים לבקרה. ההאצה מתרחשת בדרך כלל במה שנקרא. מנות חלקיקים.
- ניתן להשתמש בסינכרוטרון לאחסון והתנסות בחבילות החלקיקים המואצות, למשל בנקודות שהוגדרו בעבר בטבעת המעגלית.
האם כוח לורנץ פועל על פרוטונים?
כוח לורנץ הוא כוח על גופים טעונים שעפים דרך שדה מגנטי. …
שיווי משקל ותנאי תהודה - כך זה עובד
אבל איך זה עובד? באופן עקרוני, שני תנאי גבול חלים על האצה מוצלחת של חלקיקים בסינכרוטרון:
- על מנת לשמור על החלקיקים על המסלול המעגלי עם רדיוס R, הכוח הצנטריפטלי (הנקרא כוח צנטריפוגלי בשפה מלילית) חייב להיות בשדה המגנטי בכל רגע של כוח לורנץ המכוון.
- הדברים הבאים חלים: mv²/ R = Q*v*B עם m = מסת החלקיקים, v = מהירות החלקיקים, Q = מטען החלקיקים ו- B = צפיפות השטף המגנטי.
- כמובן שתזמון ההאצה הנכון פועל רק אם תדירות השדה החשמלי שווה לתדר המסלול של חבילת החלקיקים.
- במהלך הפעולה, על כן עוצמת השדה המגנטי והתדירות חייבים לעלות במהלך ההאצה. תהליך זה יכול להתבצע עם רצפים מתוכנתים מראש או להשיג פעולה מתקנת.
- ניתן להאיץ אלקטרונים במהירות יחסית כמעט למהירות האור באמצעות סינכרוטרון (שימו לב לעלייה במסה הרלטיביסטית). פרוטונים מגיעים לאנרגיות הרבה יותר מאשר GeV.
- יש מערכות סינכרוטרון חשובות ב- DESY בהמבורג, ב- CERN בז'נבה ובסי בברלין. ו- FAIR ב- Darmstadt GSI הוא הפרויקט העתידי החדש שנבנה בימים אלה.
אגב: אלקטרונים הנאלצים בצורה כזאת על טבעת מעגלית מוציאים חלק מהם אֵנֶרְגִיָה כפי שנקרא קרינת סינכרוטרון, קרינת רנטגן באנרגיה גבוהה מאוד בהתאם לתאוצה, המתאימה לבדיקות רבות. לכן תוצר לוואי זה הצורך אנרגיה הוא די רצוי.
עד כמה אתה מוצא מאמר זה מועיל?
