شتاب دهنده

شتاب دهنده (accelerator)
در فیزیک، ابزاری برای افزایش سرعت و انرژی ذرات باردار، مانند پروتون ها و الکترون ها، به حدی که بتوان از این ذرات در صنعت، پزشکی، و فیزیک محض استفاده کرد. از ذرات شتاب یافته با انرژی کم می توان برای ایجاد تصویر در صفحۀ تلویزیون (لامپ پرتو کاتدی)، و تولید پرتوهای ایکس، برای ازبین بردن یاخته های توموری، یا کشتن باکتری ها استفاده کرد. وقتی ذرات پرانرژی به ذرات دیگر برخورد می کنند، پاره ذره های ایجادشده ماهیت نیروهای بنیادی بین ذرات را آشکار می کنند. در شتاب دهنده های اولیه ای که براساس مولدهای وان دِ خراف ساخته می شدند، از ولتاژهای زیاد استفاده می شد که میدان های الکتریکی قوی و بدون تغییر ایجاد می کرد. ذرات باردار ضمن عبور از این میدان الکتریکی شتاب می گرفتند. اما از آن جا که ولتاژ تولیدی مولد محدود است، این شتاب دهنده ها جای خود را به دستگاه هایی دادند که در آن ها ذرات از درون حوزۀ میدان های الکتریکی متناوب گذر می کنند و پی درپی برای شتاب گرفتن تحت فشار قرار می گیرند. اولین شتاب دهنده از این نوع شتاب دهندۀ خطی یا لیناک بود. لیناک متشکل از یک رشته لوله های فلزی، با نام لوله های رانش است که ذرات از درون آن ها می گذرند. این ذرات در شکاف های بین لوله های رانش، براثر میدان الکتریکی، شتاب می گیرند. راه دیگر برای استفادۀ مکرر از میدان الکتریکی، خم کردن مسیر ذرّه به شکل دایره است، به نحوی که ذرات مکرراً از همان میدان الکتریکی بگذرند. اولین شتاب دهنده از این دست سیکلوترون بود که برای اولین بار ارنست لارنس، فیزیک دان امریکایی، آن را در اوایل دهۀ ۱۹۳۰ طرح کرد. یکی از پرقدرت ترین شتاب دهنده های جهان دستگاهی با قطر ۲ کیلومتر است که در آزمایشگاه فِرمی، در نزدیکی شهر باتاویا، در ایالت ایلینوی امریکا قرار دارد. در این دستگاه، که به تواترونمعروف است، پروتون و پادپروتونها پس از شتاب دهی تا انرژی های هزار میلیارد الکترون ولت (TeV۱) به هم برخورد می کنند. نام تواترون برگرفته از TeV است. بزرگ ترین شتاب دهندۀ موجود برخورددهندۀ بزرگ الکترون ـ پوزیترون در سرن، واقع در نزدیکی ژنو است که از ۱۹۸۹ تا ۲۰۰۰ دایر شد. محیط آن ۲۷ کیلومتر است و الکترون و پوزیترونها، قبل از برخورد با هم، حول آن شتاب می گیرند. طولانی ترین لیناک جهان دستگاه برخورددهندۀ باریکۀ ذرات، با نام برخورددهنده خطی استنفورد، در کالیفرنیاست که در آن الکترون و پوزیترون ها در امتداد مسیر مستقیمی به طول۳.۲ کیلومتر شتاب می گیرند و سپس برای برخورد رودررو با دیگر ذرات، مانند پروتون و نوترون، هدایت می شوند. این گونه آزمایش ها ابزاری برای نشان دادن این واقعیت بوده اند که پروتون و نوترون از ذرات بنیادی کوچک تری با نام کوارک ها ساخته شده اند. هر سیکلوترون متشکل از یک الکترومغناطیس با دو سازۀ نیم دایره ای مجَوَف فلزی با نام دیهاست که بین قطب های الکترومغناطیس سوار شده اند. ذراتی مانند پروتون، از مرکز دستگاه وارد می شوند و در مسیری مارپیچ حرکت می کنند و میدان الکتریکی نوسان کننده ای، هربار که ذرات از شکاف های بین دی ها گذر می کنند، به آن ها شتاب می دهد. سیکلوترون قادر است ذرات را به انرژی هایی بیشتر از ۲۵ میلیون الکترون ولت شتاب دهد. برای ایجاد انرژی های زیادتر، به فناوری های تازه ای نیاز است. در سینکروترون، الکترومغناطیس ها حرکت ذرات را در مسیری دایره ای با شعاع ثابت هدایت می کنند. برای نگاه داشتن ذرات در مسیر درست، شدت الکترومغناطیس ها را تغییر می دهند. میدان های الکتریکی ذرات را در نقاطی حول مسیر شتاب می دهند. شتاب دهنده های اولیه باریکۀ ذرات را بر روی هدف ساکنی هدایت می کردند، اما شتاب دهنده های بزرگ جدید معمولاً باریکۀ ذراتی را به هم برخورد می دهند که در جهات مخالف یکدیگر حرکت می کنند. این آرایش انرژی مؤثر برخورد را دوبرابر می کند.