Merhaba arkadaşlar bugünkü yazımızda Parçacık Hızlandırıcı nedir, parçacık hızlandırıcı kullanım alanları, çembersel parçacık hızlandırıcı, doğrusal parçacık hızlandırıcıları sizlere anlatacağım. Atom veya atom altı ölçeğinde teknik alanda olduğu kadar araştırma alanında da ihtiyaç duyulan, yapısı, yönü ve enerjisi kesinlikle bilinen parçacıkları elde bulundurmada yarar vardır. Parçacıkların doğal kaynakları, radyoaktiflikle kozmik ışımadır. Radyoaktiflik ancak düşük enerjili parçacıklar sağlar. Kozmik ışımasıysa, bizi rastgele bir biçimde Dünya yüzeyine dağılmış, öngörülmeyen enerjilerde ki parçacıklarla bombardıman eder. Bu bakımdan, 1920’li yılların sonuna doğru araştırmacılar, parçacıkları hızlandırabilecek ilk düzenekleri tasarlamaya başladılar.
Ancak, bir elektrik yükü taşıyan kararlı parçacıklar (elektronlar veya protonlarla bunların karşıt parçacıkları ve her tür iyon) bir elektrik alanı etkisi altında hızlandırılabılir. Ama, sabit elektrik alanları birkaç milyon volttan fazlasını veremez ve bu sınırları geçmek için iki tür düzenek kullanılır:
Doğrusal Parçacık Hızlandırıcı, bir vakum tüpü içinde bir doğru boyunca hareket eder ve alternatif elektrik alanının uygun alternaslarınca hızlandırılır. Daha sonra bu parçacıklar kullanılmak üzere fırlatılır;
Çembersel Parçacık Hızlandırıcı, manyetik bir alan parçacıkları saptırarak, kapalı bir yörünge içinde kalmaya zorlar; bu parçacıklar her devirde, geçişleriyle aynı faza ayarlanan bir alternatif elektrik alanınca hızlandırılır. Maksimum enerjiyi artırmak için çeşitli teknik seçenekler art arda uygulanır: çevrimsel hızlandırıcılar, eşzamanlı hızlandırıcılar, eşzamanlı çevrimsel hızlandırıcılar, vb.
Enerjiyi daha iyi kullanmak için çarpıştırıcılar tasarlanmıştır; bunlarda karşıt yönlerde dolaşan küçük parçacık paketleri karşılaşır: bugün kullanılan en büyük hızlandırıcılar bu türdendir. Bunlar, Evren’in temel bileşenlerini oluşturan temel parçacıkları incelemede kullanılan aygıtlardır. Parçacık çarpıştırıcılarında kullanılan enerji, 1930 yılından başlayarak katlanarak arttı; bu eğilim daha küçük uzay-zaman yapılarını inceleme çalışmalarında gene artarak devam edeceğe benzemektedir; bu da giderek daha çok enerji toplanacağı anlamına gelir.
Parçacık Hızlandırıcı
Yüklü parçacıklara birkaç MeV’luk (milyon elektron volt) bir enerji iletebilmek için, bunları birkaç milyon voltluk bir elektrik alanı içine püskürtmek yeterlidir. Bu bazı teknik zorluklar doğurur (delinme, kararlılık problemleri), ama 25 MeV’luk enerjiler, Van de Graaff hızlandırıcılarında oldukça yaygındır; bunlarda yüksek gerilim, bir yalıtkan kayışla taşınan elektrik yüklü elektrot üzerinde elde edilir.
Daha büyük enerjiler için R. Wideroe, alternatif elektrik alanı kullanmayı tasarladı; bu alanı, yanlış yönde olduğunda ekran görevi yapacak uzayan metal borularla örtmeyi düşünüyordu. Bu sistem gittikçe daha da iyileştirildi; doğrusal hızlandırıcılarda veya linaclarda parçacıkların dolaştığı vakumlu boru bir dalga yönlendiricisidir ve elektrik alanı, bu borunun içinde parçacıklarla aynı zamanda dolaşır. Bu parçacıklar da böylece bütün yolları boyunca, hızlandırma kuvvetinin etkisi altında kalır. Linaclar, iyonların (orta enerjilere kadar) ve özellikle elektronların hızlandırılmasına yarar. Yüksek frekanslı alanlarla elektronlar, bugün metrede 10 MeV’a kadar hızlandırılabilir; aşırı iletkenli ve çok yüksek frekanslı hızlandırıcı boşluklar kullanma alanında, büyük ilerlemeler beklenmektedir.
1932 yılında E. O. Lawrence parçacıkların yörüngesini manyetik bir alanla eğrileştirmeyi düşündü; böylece parçacıklar birçok defa aynı elektrik alanı içinden, alanla aynı fazda kalarak geçmeye zorlanır: çembersel hızlandırıcılar bu ilkeye dayanır. Böylece parçacıklar her devirde hız kazanır ve çok yüksek enerjilere ulaşır. Manyetik alan sabitse, parçacıkların yörünge çapı her devirde artar ve sonunda, fırlatıldıkları mıknatısın uçlarına gelir; bu şekilde çalışan çevrimsel hızlandırıcı 30 MeV’a kadar çıkabilir. Aynı ilkeye dayanarak, parçacıkların hızları üzerinde göreliliğin etkisini anlamak için hızlandırıcı frenkansı değiştirilerek birkaç yüz MeV elde edilebilir: bu sonuç, ağır iyonları hızlandırmada hala çok kullanılan eşzamanlı çevrimsel hızlandırıcılarda elde edilebilir.
Parçacık Hızlandırıcı Kullanım Alanları
Parçacık fiziği mümkün olan en yüksek enerjili hızlandırıcıları kullanır. Kullanılabilecek bütün imkânlar sonrasında bir hızlandırıcının daha büyük bir hızlandırıcıya parçacık verici olarak da kullanılması, bu sonuncusununsa daha da büyük bir hızlandırıcıya aynı görevi yapması ender bir durum değildir. Böylece, laboratuvarların çoğunda çeşitli kuşaklara ait gerçek hızlandırıcı komplekslere rastlanmaktadır.
Ama hızlandırılmış parçacıkların da uygulama alanları vardır. İstenen parçacık ve enerjiye göre, hızlandırma tekniklerinden biri veya öteki kullanılabilir. Nitekim, Van de Graaff hızlandırıcıları yarı iletkenlerin yüzeylerine ağır iyonları yerleştirmede, sanat eserlerinin tarihlerini belirlemede ve incelenmesinde kullanılır. Eşzamanlı çevrimsel hızlandırıcılar ağır iyonları hızlandırır ve çok küçük delikli filtreleri üretmede veya yüzey işlemede kullanılır. Nihayet çevrimsel elektron hızlandırıcıları hekimlikte, tümörlerin tedavisinde kullanılmaktadır.
Hafif parçacıklar olan elektronların yörüngeleri eğrildiğinde enerjilerinin bir kısmını ışımayla kaybetmesi, uzun süre çembersel elektron hızlandırıcılarının imkanlarını sınırlayan bir olay olarak kabul edildi; ancak bu görüş, fizikçiler, bu eş zamanlı hızlandırıcı ışımasının başka yöntemlerle elde edilmesi zor olan dalga boyunda fotonlardan oluşan yoğun bir akı oluşturduğunu görünce değişti. Eski eş zamanlı elektron hızlandırıcılar (ACO ve Orsay’deki DCİ gibi), sonra bu kullanım için özellikle tasarlanan ve yapılan hızlandırıcılar (Grenoble’daki ESRF Avrupa eş zamanlı hızlandırıcısı gibi) arka arkaya katı maddeleri, yüzey kusurlarını, proteinlerin ve başka organik moleküllerin yapılarını incelemek için kullanıldı.
Parçacık Hızlandırıcılarda çok gelişmiş teknolojiler kullanır bu teknikler arasında çok yüksek frekanslı elektrik alanları, klasik veya aşırı iletkenli elektromıknatıs manyetik alanları, aşın vakumlar, karmaşık bilişim düzenekleri sayılabilir. Bu nitelikleriyle hızlandırıcılar, çok ileri teknikler için bir deneme aracı olmakta ve sanayileşmiş ülkeler (veya kıtalar) arasında büyük bir rekabet doğurmaktadır. Çok büyük boyutu ve çok yüksek maliyetiyle bu bilimsel aygıtlar, yüksek bilim denen yeni bir bilimsel örgütlemenin gelişmesini sağladı. Aynı zamanda uluslararası işbirliğinin yaratılmasında da büyük katkıları olan bu hızlandırıcıların en önemli örneği 1952 yılında Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi adıyla kurulan ve daha sonra Avrupa Parçacık Fiziği Laboratuvarı (Cern) adını alan kuruluştur.