Partikula-azeleragailu

Fermi Laborategi Nazionaleko Tevatroi azeleragailua, sinkrotroi motakoa, 2011 arte Ilinois-en martxan egon zena.

Partikula-azeleragailua kargadun partikulak abiadura handietara azeleratzeko eremu elektromagnetikoak erabiltzen dituen gailu bat da. Partikula horiek atomikoak (ioiak, esaterako) edo subatomikoak (elektroiak eta protoiak) izan daitezke. Oinarrizko bi azeleragailu mota daude: linealak eta zirkularrak.

Lehengo telebistek zituzten izpi katodikozko hodiek partikula-azeleragailuekin antzekotasuna daukate: izan ere, telebista horietan eremu elektromagnetikoak erabiltzen ziren elektroiak azeleratu eta pantailan irudiak sortzeko.

Gailu hauen erabilera nagusietako bat materiaren osaera eta oinarrizko fenomenoak ikertzea da. Horretarako, azeleraturiko partikulei jomuga baten aurka talka eginarazten zaie, talka honen ondorioz beste hainbat partikula sortzen direlarik, partikula berri horien ikerketa ahalbidetuz. Hala ere, beste hainbat aplikazio dituzte, hala-nola medikuntzan edo industrian.

Partikula-azeleragailuetan eskuratzen diren abiadurak oso altuak izan ohi direnez, sinpletasunagatik energia-unitateak (elektronvolt-ak eta horien submultiploak) erabili ohi dira abiadura-unitateen ordez.

Funtzionamenduaren oinarriak

Kargaturiko partikulen sorrera

Lehenik eta behin, ezinbestekoa da kargaturiko partikulak sortzea ondoren azeleratu ahal izateko. Horretarako, materian nahasturik aurkitzen diren karga elektrikoak banatzeko mekanismo bat beharrezkoa da, korronte positibo, negatibo edo bietarikoa sortuz. Normalean, kargak banatzeko prozeduren ondorioz elektroiz osaturiko korronte negatibo bat sortzen da, eta korronte positiboa elektroi horiek galdu dituzten ioiez osaturik dago. Karga-banaketa lortzeko ohiko prozedura bat, baina ez bakarra, igorpen termoionikoaren bidezkoa da, non metal bat berotzen den eta elektroiek ihes egiteko adinako energia termikoa irabazten duten. Metala berotzeko modurik ohikoena korronte elektriko baten bidez izaten da, hau da, Joule efektuaren bidez. Atomotik ihes egin duten elektroiek itzultzeko joera izango dute, kontrako norantzan erakartzen dituen eremu elektrikorik egon ezean.

Beste kasu batzuetan, beste partikula kargatu mota batzuk sortzea interesatzen da, eta horretarako metodo ezberdinak erabiltzen dira. Esaterako, protoiak sortu nahi direnean, hidrogeno atomoak ionizatu ohi dira. Horretarako, aurretik aipaturiko elektroi-sortari edo X izpiei gas egoeran dagoen hidrogenoaren aurka talka eginarazten zaie. Positroiak sortu nahi direnean, aldiz, energia altuko fotoiak material astun baten aurka bidaltzen dira.

Azelerazioa

Kargadun partikulak sortu ondoren, bigarren pausuak hauek azeleratzea da. Prozesuaren zati hau pausu batean edo gehiagotan egingo da partikulei eman nahi zaien erabileraren eta esperimentuaren helburuaren arabera.

Lorentz-en indarra: diagrama honek kargaturiko partikula batek bere abiadurarekiko perpendikularra den eremu magnetiko baten ondorioz jasaten duen indarra irudikatzen du.

Azeleragailu mota bakoitzean kargadun partikulen gainean eragiten duten indarrak definitzeko Newton-en bigarren legeari eta Lorentz-en indarrari dagozkien ekuazioak erabiltzen dira:

${d{\vec {p}} \over dt}={\vec {F}},$

${\vec {F}}=q\cdot \{{\vec {E}}+{\vec {v}}/c\times {\vec {B}}\},$

non ${\vec {p}}$ partikulen momentu lineala den, ${\vec {F}}$ jasaten duen indarra, q karga elektrikoa, ${\vec {v}}$ abiadura, c argiaren abiadura eta ${\vec {E}}$ eta ${\vec {B}}$ kargadun partikularen gainean eragiten duten eremu elektrikoari eta magnetikoari dagozkien bektoreak, hurrenez-hurren.

Ekuazio hauek ondorengo moduan uler daitezke: alde batetik, partikula baten gainean indar batek eragiten badu, norabide berdinean azelerazio bat jasango du. Bestalde, indar hori eremu elektromagnetikoaren araberakoa izango da: eremu elektrikoa partikularen abiaduraren norabide berean aplikatzen bada, norabide horretan azelerazio bat eragingo du. Aldiz, eremu magnetikoari dagokionez, kargadun partikularen gainean indar bat eragiteko, eremua partikularen abiadurarekiko perpendikularra izan behar da, eta eragiten duen indarra ere abiadurarekiko perpendikularra izango da. Hau da, eremu magnetikoaren ondorioz, partikulak azelerazio zentripetu bat jasango du, bere ibilbidea kurbatuz.

Ondorioz, eremu elektrikoak partikularen abiadura aldatzen du, hau da, partikula mugimenduaren noranzkoan azeleratzen du, eta eremu magnetikoak, partikularen abiadurarekiko perpendikularra bada, ez du partikularen abiadura aldatzen, soilik ibilbidea kurbatu.

Azeleragailuen bilakaera

Boltaia zuzeneko azeleragailuak

Boltaia zuzeneko Van de Graaff azeleragailua, 1960ko hamarkadatik 2000. urtera Australiako Unibertsitate Nazionalean martxan egon zena.

Lehenengo partikula-azeleragailuek XIX.mendean daukate jatorria. Garai horretan, partikulak eremu elektriko konstante bat erabiliz azeleratzen ziren. Eremu elektrikoa bi xafla metalikoren artean boltaia bat aplikatuz lortzen zen, xafletako batek partikula-iturri gisa funtzionatzen zuelarik. Metodo hau gaur egun oraindik oso erabilia den arren, kargadun partikulak potentzial diferentzia bakarra jasaten dutenez, lortzen duten energia nahiko mugatua da, energia baxuak behar dituzten aplikazioetara mugatuz.

Limitazio horri irtenbide bat emateko, boltaia altuak sortzeko hainbat esfortzu egin ziren. 1930eko hamarkadaren hasieran, John Douglas Cockcroft eta Ernest Thomas Sinton Walton-ek boltaia altua sortzen zuen gailu bat garatu zuten, hainbat pausuko boltaia-biderkatzaile baten bitartez, 4 MV inguruko boltaiak lortuz. Erwin Otto Marx-ek ere antzeko teknologia bat erabiltzen zuen sortzaile bat diseinatu zuen, boltaia pultsu motzak erabiliz, 1932an 6 MV inguruko boltaiak lortuz. Aldiz, 1930an Robert J. van de Graaff-ek beste teknologia bat proposatu zuen, mugimenduan zegoen zinta bat erabiliz boltaia altuko elektrodoa kargatzeko, 2 MV inguruko boltaiak sortuz (baldintza berezietan 10 MV ingurura iritsi zitekeen boltaia).

Azeleragailu linealak

Aurretik aipaturiko azeleragailuek partikulak lerro zuzenean azeleratzen dituzten arren (eta, beraz, azeleragailu linealtzat hartzen diren arren), normalean azeleragailu lineal bezala (ingelesez LINAC gisa ere ezagunak) eremu elektriko alternoa erabiltzen dutenak dira ezagunak.

Azeleragailu lineal baten funtzionamendua irudikatzen duen animazioa. Kargaturiko partikulek iturritik (S) hodi itxurako elektrodo batzuetan zehar (C1, C2, C3, C4) bidaiatzen dute, elektrodo horien boltaia-polaritatea aldatzean jasatzen duten indarrari esker.

Azeleragailu hauetan lerro batean kokaturiko xafla edo hodiak erabiltzen dira. Kargaturiko partikulak xafla zehatz batera erakartzen dira, horretarako beharrezkoa den eremu elektrikoaren polaritatea aukeratuz. Partikulek xafla edo hodia zeharkatu bezain azkar, polaritatea aldatzen da, eta ondorioz partikulak aldentzeko indarra sortzen da, hurrengo xaflaruntz azeleratuz. Azeleragailu mota hau 1928an eraiki zuen Rolf Wideröe-k lehenengo aldiz, irrati-maiztasuneko boltaia alterno bat erabiliz. Partikulen abiadura argiarenera hurbiltzen doan heinean, eremu elektrikoen aldatze-abiadura oso handia bihurtzen da eta mikrouhin-maiztasunean lan egitea beharrezkoa da. Hortaz, energia oso altuetan, xaflak erabili beharrean, irrati-maiztasuneko erresonantzia-barrunbeak erabiltzen dira.

Munduko azeleragailu linealik luzeena SLAC National Accelerator Laboratory deiturikoa da (jatorriz Stanford Linear Accelerator Center izenekoa), eta Kalifornian dago. Azeleragailu honen luzera 3.2 kilometrotakoa da. Azeleragailu honetan elektroiak eta positroiak 50 GeV-eko energietaraino heltzen dira. Azeleragailu honetan egindako lanari esker, hiru Nobel Sari lortu dira: bata 1976an xarma quark-a aurkitzeagatik; bigarrena 1990ean protoi eta neutroien barruko quark egitura frogatzeagatik; eta hirugarrena 1996an Tau leptoia aurkitzeagatik.

Askotan, azeleragailu linealak partikulak azeleragailu zirkularretara sartu aurretik erabiltzen dira, aurrerago ikusiko den bezala.

Ziklotroiak

Kaliforniako Unibertsitateko Lawrence Erradiazio Laborategiko ziklotroia, 1939. urtean.

Ziklotroia partikula-azeleragailu zirkular bat da, 1932-an Ernest O. Lawrence-ek asmatu zuena. Azeleragailu-mota hau bi zirkuluerdiz osaturik dago. Kargaturiko partikulak bi zirkuluerdi horien zentrotik abiatzen dira, eta eremu magnetiko eta elektrikoei esker ibilbide zirkular bat egiten dute: alde batetik, bi zirkuluerdien artean aplikatzen den eremu elektriko alternoak azeleratu egiten ditu, eta bestetik, eremu magnetiko konstanteak ibilbidea kurbatzen du, geroz eta erradio handiagoak marraztuz (erradioa partikulen abiadurarekiko proportzionala delako).

Ziklotroiaren funtzionamenduaren eskema, non lerrotxo beltzek kargadun partikulen ibilbidea irudikatzen duten eta gezi berdeek eremu magnetikoa.

Ziklotroi klasikoek protoiak, deuterioak eta alfa partikulak 22 MeV ingurura azeleratu ditzakete (argiaren abiaduraren %15-a, gutxigorabehera). Energia altuagoetan, efektu erlatibistak sartzen dira jokoan, partikularen masa efektiboa areagotuz eta, beraz, eremu elektrikoaren maiztasuna (ziklotroi-maiztasuna deritzona) aldatzen joatea beharrezkoa da partikulek ibilbide egokia egin dezaten. Hori da, hain zuzen ere, sinkroziklotroi deritzonetan erabiltzen den printzipioa. Isoziklotroi deritzonetan, aldiz, aldatzen dena aplikaturiko eremu magnetikoaren modulua da: partikulek marrazten duten erradioa handitzen doan heinean, eremu magnetikoaren modulua ere handitu egiten da, ziklotroi-maiztasuna konstante mantenduz. Modu honetan, azeleragailua partikulek jasatzen dituzten efektu erlatibistetara egokitzen da. Isoziklotroien adibide bat Suizako PSI Eraztun ziklotroia da, non protoiek 600 MeV inguruko energiak lor ditzaketen (argiaren abiaduraren %80a, gutxigorabehera).

Azeleragailu zirkularrek linealekin alderatuz daukaten abantaila nagusietako bat, eremu elektrikoak eta magnetikoak konbinatuz espazio txikiagoan azelerazio altuagoak lor ditzaketela da.

Mikrotroiak

Azeleragailu-mota hau elektroiak azeleratzeko erabiltzen da. Elektroiek daukaten atseden-masa txikiagatik, abiadura erlatibistak oso azkar lortzen dituzte beste partikula batzuekin alderatuz, eta sinkroziklotroiak edo isoziklotroiak ez dira gai elektroiek irabazten duten masaren arabera funtzionatzeko.

Racetrack mikrotroiaren irudikapena.

Horregatik, mikrotroiak sortu ziren. Lehenengo mikrotroia 1944an Vladimir Veksler-ek asmatu zuen 1944an. Azeleragailu hauen modu egokian funtzionatzeko, beharrezkoa da elektroiek marrazten dituzten zirkunferentzien erradioak eremu elektrikoaren maiztasunari dagokion uhin-luzeraren multiplo oso bat izatea. Horretarako, eremu elektrikoaren maiztasuna kontu handiz aukeratzen da, elektroiek emandako bira bakoitzean irabazten duten energia kontrolatu ahal izateko. Mikrotroirik ezagunenak racetrack mikrotroi deritzonak dira: azeleragailu hauetan, ziklotroien moduan, bi zirkuluerdi erabiltzen dira, baino kasu honetan zirkuluerdi horiek atal zuzen batez banatzen dira. Zirkuluerdietan eremu magnetikoak aplikatzen dira, eta elektroiak bertatik pasatzen diren aldiro, beraien ibilbidea 180 gradu biratzen da, ondoren atal zuzenean sartu eta azeleratzen direlarik, beste zirkuluerdira heldu eta eragiketa errepikatzeko.

Gaur egungo racetrack mikrotroirik handiena MAMI deritzona da, Mainz-eko Unibertsitatean kokatzen dena eta 820 MeV inguruko energiak lortzeko diseinaturik dagoena.

Betatroiak

Azeleragailu hauek indukzio magnetikoko azeleragailu gisa ere ezagutzen dira. Gailu hauetan eremu magnetikoa handitu egiten da partikulak azeleratzen diren heinean, elektroiek marrazten duten ibilbide zirkularra konstante mantenduz. Horretarako, eremu magnetikoa oso azkar aldatzen da, indukzio magnetikoaren legearen arabera. Gailu hauen berezitasuna da partikulen azelerazioa indukzio bidez lortzen dela, orbitako fluxu magnetikoaren aldaketaren ondorioz. Betatroia 1940an asmatu zuen Donald Kerst-ek, eta 1945ean lehenengo aldiz eraikia izan zen. Lehenengo betatroi honetan hodi koloidal bat erabili zen, hutsa eginez, eta elektroiman baten pieza polarren artean kokatuz. Gaur egungo betatroiek 20 MeV inguruko energietan funtzionatzen dute, eta batez ere medikuntza-aplikazioetarako erabiltzen dira.

Betatroia partikulek erradio konstante batean biratzea ahalbidetu zuen lehenengo azeleragailua izan zen.

Sinkrotroiak

Sinkrotroiaren eskema. Kanpoko zirkuluak azeleragailua irudikatzen du, non partikulak azeleratzen diren (berdez irudikaturiko elementuen artean) eta beraien ibilbidea kurbatzen den (gorriz irudikaturiko hodien baitan). Azeleragailutik kanporuntz ateratzen diren lerroek esperimentuak gauzatzen diren gela edo laborategiak irudikatzen dituzte.

Oinarrizko fisikaren ikerkuntzan aurrerapenak egiteko, askotan beharrezkoa da partikulek orain arte aipaturikoak baino altuagoak diren energiak lortzea. Horretarako, azeleragailuen tamaina handitzea beharrezkoa da. Partikula erlatibistentzat, orbitaren erradioa eta energia ondorengo ekuazioaren bitartez erlazionatzen dira:

$R={\frac {E}{ecB}},$

$E$ energia delarik eta $B$ eremu magnetikoaren modulua. Praktikan sor daitezkeen eremu magnetikoak mugatuak dira: 1.5 T inguruko eremuak lor daitezke iman arruntekin, eta 5 T ingurukoak supereroankorrekin. Horrek esan nahi du energia oso altuetan, partikulen erradioa nahiko handia izango dela; 1 GeV inguruko energientzat, esaterako, hainbat metrotakoa izango da erradioa, eta tamaina horretako imanak sortzea lan konplexua da. Konplexutasuna murrizteko, irtenbidea tamaina txikiagoko iman asko erabiltzea da, eremu magnetikoa partikula-sorta pasatzen den lekura soilik mugatuz. Partikulek deskribatzen duten ibilbidearen erradioa konstante mantendu nahi bada, $E/B$ ere konstante mantenduko da, hau da, eremu magnetikoa energiarekin sinkronoki haziko da. Horregatik, azeleragailu mota honi sinkrotroi deritzo. Sinkrotroiaren printzipioa aldi berean garatu zuten 1945ean Edwin M. McMillanek eta Vladimir Vekslerrek, eta urte berean 320 MeV-eko elektroi-sinkrotroia eraikitzen hasi ziren Kaliforniako Unibertsitatean.

Sinkrotroiaren beste elementu garrantzitsu bat partikula-sorta fokatzeko atalak dira, partikulak hainbat bira eman ondoren, elkarrengandik banandu egiten direlako, sorta sakabanatuz, eta hori zuzentzea beharrezkoa da. Bestalde, sinkrotroien funtzionamendu egokirako, beharrezkoa da azeleragailura iristen diren partikulek energia minimo bat edukitzea, 20 MeV ingurukoa, hain zuzen ere. 5-10 GeV-eko sinkrotroi batean, esaterako, partikulen hasierako energia 200 MeV ingurukoa izan beharko litzateke. Horregatik, sinkrotroiak LINAC edo mikrotroi batengandik elikatu ohi dira.

Sinkrotroian azeleratu nahi diren partikulak elektroiak badira, energia altuetan erradiazio elektromagnetikoa igortzen dute, sinkrotroi-erradiazio gisa ezagutzen dena. Elektroiak 10 GeV inguruko energietara heltzen direnean, sinkrotroi-erradiazioa nagusitzen hasten da, eta beraz energia horietan dago operazio muga. Protoien kasuan, aldiz, ez dute energia-galerarik jasaten eta 1000 GeV inguruko energiak lor ditzakete.

Mundu-mailako sinkrotroi azeleragailurik handiena Suizako Hadroi Talkagailu Handia (ingelesez: Large Hadron Collider, LHC) deritzona da, 2008an CERN-ak eraikia eta 27 kilometrotako zirkunferentzia daukana. Azeleragailu honetan protoiek 7 TeV-eko energia lor dezakete. Bartzelonako ALBA sinkrotroia ere garrantzitsuenen artean dago.

Ikus, gainera

• LHC
• Ziklotroi
• Sinkrotroi

Kanpo estekak

• Partikulak azeleratzeko gailua: betatroia. Euskal Herriko unibertsitatea.
• Partikula-azeleragailuen eraikitze zaletua (Gaztelaniaz)
• Partikula-azeleragailuei buruzko hamar bitxikeria

• Datuak: Q130825
• Multimedia: Particle accelerators / Q130825