Parçacık Hızlandırıcı Nedir?

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.

Van de Graff hızlandırıcılar

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.

Cern Bilim Merkezi

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.