Grupa 1:

Cornaciu Ionela

Cristea Iris Anamaria

Dumitrache Nicoleta-Valentina

Dumitrascu Mihaela-Madalina

Ion Elisabeta

Un accelerator de particule este o instala ie complexă folosită în domeniul fiziciiț de înaltă energie pentru a accelera particule elementare. Se accelerează în general doar particulele ce poartă sarcină electrică. Accelerarea are loc sub ac iunea unorț  câmpuri electrice  iș  magnetice. Este utilizat la studiul particulelor elementare  i alș structurii nucleului atomic. Există o mare varietate de acceleratoare de particule, ele putând fi clasificate după în func ie de forma traiectoriei fascicului de particuleț accelerate, caracterul câmpurilor acceleratoare, domeniul de energii imprimate particulelor i în func ie de natura particulelor accelerate. În acceleratoare este nevoieș ț de asigurarea stabilită ii ț traiectoriei, adică men inerea permanentă a particulelor aflateț în procesul accelerării pe traiectorii care să nu permită abateri mari de la traiectoria de echilibru(sau de referin ă).ț

ClasificareAcceleratoarele se pot clasifica după:

forma traiectoriei descrise de particule: rectilinie (acceleratoare liniare) sau curbilinie

(ciclotronul);

după caracterul câmpului electric accelerator: directe, de induc ie, rezonante i cu undăț ș

progresivă;

după domeniul de energii imprimate particulelor: relativiste, nerelativiste;

după natura particulelor accelerate: electroni, protoni.

Scopul accelerării particulelor

Sinteză (formare) de noi elemente cu ajutorul ionilor grei accelera i.ț

Găsirea celei mai mici particule subatomice, particula care stă la baza Universului.

Ciocnirea cu alte particule sta ionare; ciocnire care rezultă în descompunerea în alteț

particule, ele putând fi urmărite i analizate cu diverse aparate (exemplu:ș  camera cu

cea ăț ). Prin această ciocnire s-au descoperit cele mai multe particule subatomice.

Se accelerează particula la viteze tot mai mari pentru a se analiza comportamentul ei.

Spre exemplu electronul accelerat î i măre te masa.ș ș

Ob inerea unui flux extrem de ridicat deț  radia ii Xț  într-o instala ie acceleratoareț

denumită sincrotron.

Acceleratorul de particule este inventat pentru a vedea ce s-a întâmplat după primele

secunde de la marea explozie cosmică Big-Bang.Stabilitatea func ionăriițStabilitatea traiectoriei

În acceleratoare trebuie asigurată stabilitatea traiectoriei, adică men inerea particulelorț

pe traiectorii care să nu prezinte abateri mari (limitate de construc ia instala iei) de laț ț

otraiectorie de echilibru (sau de referin ă). Aceasta se realizează fie automat, devierea de laț

această traiectorie având tendin a de a se mic ora, fie prin dispozitive speciale de focalizare,ț ș

plasate de-a lungul traiectoriei particulelor (în cazul acceleratoarelor liniare rezonante sau cu

undă progresivă); la acceleratoarele directe, stabilitatea traiectoriei se face prin focalizare

electrostatică, iar la cele ciclice - prin focalizare electromagnetică (slabă sau intensă).Stabilitatea de fază

Sincronizarea la acceleratoarele cu focalizare slabă

Pentru men inerea procesului de accelerare este necesară iț ș  stabilitatea de fază, adică

satisfacerea unei condi ii de sincronism. La acceleratoarele rezonante, aceasta este îndeplinităț

prin realizarea unei egalită i între perioada tensiunii acceleratoare i intervalul de timp dintreț ș

două treceri succesive ale particulelor prin spa iul de accelerare, iar la acceleratoarele cu undăț

progresivă - prin realizarea unei egalită i între viteza particulei (sincrone) i viteza de fază aț ș

undei.

Conform principiului autofazării, particulele trebuie să satisfacă, în medie, condi ia deț

sincronism; sub o anumită limită, abaterile de fază nu le elimină din procesul de accelerare.

Astfel, la acceleratoarele cu focalizare slabă, cre terea energiei conduce la cre terea perioadeiș ș

de rota ie a particulei. Notând cu sț φ  faza de sincronism în care o particulă de energie

Wsîntâlne te intervalul de accelerare, iar cu Vmș  amplitudinea tensiunii V de accelerare aplicată

intervalului, energia pe care o acumulează particula este:

În acest caz, trecerile repetate prin intervalul de accelerare se succed la un interval de

timp egal cu perioada Trf a generatorului. Dacă particula de energie Ws ar ajunge în intervalul de

accelerare cu faza 1< s, energia acumulată este:φ φ

Mărindu-se timpul de revenire a particulei în spa iul de accelerare (T > Trf), faza 1ț φ  se

apropie de cea de sincronism s, devenind 2. În următoarele perioade, particula acumuleazăφ φ

energie din ce în ce mai mare, ceea ce face ca frecven a sa de rota ie să crească. Dacă varia iaț ț ț

frecven ei generatorului are loc suficient de lent, atunci energiaț  W nu va fi egală cu Ws până

când faza particulei nu devine ' > s; aceasta poate avea loc în cazul ' < sau ' > .φ φ φ π φ πAcceleratorul din laboratorul   CERN

Cel mai mare accelerator de particule se află în laboratorul CERN, între Fran aț   iș  Elve iaț ,

marea parte aflându-se în Fran a.ț

Acest accelerator poate accelera atomi până la o viteză de 99,999999% din viteza

luminii.

Tunelurile unde sunt băgate particulele se întâlnesc în 4 puncte. În unele zone ale acestor

tunele pot atinge temperatura de zero absolut (-273 °C)

Oamenii de tiin ă vor ca prin unirea celor 2 particule să se genereze a a-zisa "particulaș ț ș

Dumnezeu"

Acceleratorul de particule din laboratorul CERN este situat la câteva zeci de metri sub

pământ întins pe o distan ă de 25km, i au lucrat la el peste 7000 de savan i i fizicieni.ț ș ț ș

Istoric

La începutul secolului XX, ciclotronii erau denumi i în mod normal ca ”spărgător deț

atomi”. În ciuda faptului că ciocnirile de particule moderne, de fapt, propulsează particulele

subatomice – atomii în i i acum sunt relativ simplu de scindat fără a utiliza acceleratorul deș ș

particule – termenul persistă în limbajul cotidian când ne referim la acceleratorul de particule în

general.

Radia iileț  de particule cu energie mare sunt folositoare atât pentru cercetările

fundamentale i aplicate în tiinte, cât i în multe domenii tehnice i industriale fără legătură cuș ș ș ș

cercetările fundamentale. A fost estimat ca sunt aproximativ 26.000 de acceleratoare în întreaga

lume. Dintre acestea, doar ~ 1% reprezinta ma inile de cercetare cu peste 1ș GeV, ~44% sunt în

domeniul radioterapiei, ~41% pentru implantarea de ioni, ~9% pentru procesarea iș

cercetarea industrială, ~4% pentru cercetări biomedicale i alte cercetări cu cantită i mici deș ț

energie.

Pentru anchetele de bază în dinamica i structuraș  materiei, spa iuluiț   iș  timpului,

fizicienii caută cele mai simple genuri de interac iuni la cele mai înalt posibile energii. Acestea,ț

în mod normal, implică energii ale particulelor de mul i GeV i interac iuni ale celor mai simpleț ș ț

particule: leptoni (de exemplu: electronii  iș  protonii) iș  cuarci sau fotoni  iș  gluoni în câmpul

cuantei. Din moment ce cuarcii izola i sunt indisponibili datorită paletei mici de culori, cele maiț

simple experimente disponibile implică interac iunile, în primul rând, a leptonilor între ei i, înț ș

al doilea rând, a leptonilor cu nucleonii, care sunt compu i din cuarci i gluoni. Pentru a studiaș ș

ciocnirile cuarcilor între ei, savan ii recurg la coliziunile dintreț nucleoni, care la energii mari ar

putea fi considera i ca interac iuni între două corpuri ale cuarcilor i gluonilor din care suntț ț ș

compu i.Astfel, fizicienii au tendin a să folosească ma ini care creează raze de electroni,ș ț ș

protoni, i antiprotoni, care interac ionând între ei sau cu cele mai simple nuclee (cum arș ț

fi hidrogenul sau deuteriul) la cele mai mari energii posibile, generează sute de GeV sau mai

mult. Fizicienii nucleari sau cosmologii pot folosi razele atomilor nucleici, fară electroni, pentru

a investiga structura, interac iunile i proprietă ile nucleilor în i i i condensul la temperaturiț ș ț ș ș ș

extreme i densită i a a cum au apărut în primele momente aleș ț ș  Big Bang-ului.

Aceste investiga ii implică, adeseori, ciocniri ale nucleilor grei–ale atomilorț

ca Fe sau Au – la energii de cativa GeV per nucleon. La energii mici,raze de nuclei accelera i suntț

folosi i, de asemenea , în medicină , cum ar fi tratamentulț  cancerului.

Pe lângă faptul că sunt de interes fundamental, electronii de mare energie ar putea fi

for ati să emită raze foarte deschise i coerente de fotoni de mare energie –ț ș  raze

ultravioletesau raze X – pe calea radia iei sincrotonului, ale căror fotoni are numeroase utilizăriț

în studiul structurii atomului, chimie, biologie, tehnologie. Exemplele includ ESRF în Europa,

care a fost recent utilizat pentru a extrage imagini detaliate 3D a insectelor prinse în chihlimbar.

Astfel, este o mare cerere pentru acceleratorul de electron de energii moderate (GeV) iș

intensitate mare.Ma inile de energie micăș

Acceleratoare de energii mici folosesc o singură pereche de electrozi ce generează

o tensiune de câteva mii de vol i. Într-un generator deț  raze X, sarcina însă i este cea aș

electrozilor. Un accelerator de particule numit implementator de ioni este folosit în

fabricarea circuitelor integrate.Ma inile de energie mareș

Acceleratorul DC este capabil de a accelera particule la viteze suficiente pentru a cauza

reac ii nucleare, cum ar fiț  generatorul Cockcroft-Walton sau multiplicatorul de voltaj, care

transformă curentul alternativ în curent continuu, sau generatorul Van de Graaff care

folose teș  electricitatea statică.

Cele mai mari i puternice acceleratoare, cum ar fi RHIC,ș  Large Hadron Collider (LHC)

iș  tevatronul sunt folosite în fizica particulelor.

Acceleratoarele de particule produc, de asemenea, raze de protoni, care pot

produce izotopi medicali sau de cercetare boga i în protoni, în contradic ie cu cele bogate înț ț

neutroni făcu i în reactoarele deț  fisiune. Totu i, cercetarea recentă a arătat cum se fac 99Mo, deș

obicei, făcu i în reactoare, prin izotopi accelera i ai hidrogenului, chiar dacă această metodă areț ț

încă nevoie de un reactor pentru a produce tritium. Un exemplu al acestui tip de ma inărieș

este LANSCE din Los Alamos.Acceleratoarele electrostatice de particule

Istoric vorbind, primele acceleratoare foloseau tehnologia simplă a unui singur mare

voltaj (poten ial) static pentru a accelera particule încărcate. În timp ce această metodă esteț

încă foarte populară în zilele de astăzi, numărul acceleratoarelor electrostatice depă ind cuș

mult orice altă clasă, ele sunt îndreptate către studiile cu energie mică până la limita de 30 MV

(când acceleratorul este plasat într-un rezervor). Acela i mare voltaj poate fi folosit de două oriș

în cascadă dacă sarcina particulelor poate fi inversată în timp ce sunt în terminal; acest lucru

este posibil cu accelerarea nucleului atomic prin adăugarea, întâi, a unui electron sau prin

formarea unui compus chimic cationic (încărcat negativ), iar apoi trecând raza printr-o folie

sub ire pentru a îndepărta electronii din terminalul de mare voltaj, creând raza încarcatăț

pozitiv.

Această categorie nu trebuie să fie confundată cu acceleratoarele liniare, acest termen

referindu-se la acceleratoarele care folosesc câmpuri electrice oscilante sau ghid de unde. Astfel,

cele mai multe acceleratoare aranjate într-o linie dreaptă nu trebuie numite „acceleratoare

liniare”.Acceleratoare de câmpuri oscilante de particule

Datorita plafonului de mare voltaj impusă de descărcarea electrică, pentru a accelera

particule spre energii mari, sunt utilizate tehnici care implică mai mult decât o singură sursă

joasă, dar oscilantă, de înaltă tensiune. Ace ti electrozi pot fi aranja i pentru a acceleraș ț

particulele într-o linie sau un cerc, depinzând dacă particulele apar in unui câmp magnetic înț

timp ce sunt accelerate, provocând traiectoriile lor să se curbeze.Acceleratoarele liniare de particule

Într-un accelerator liniar (linac), particulele sunt accelerate într-o linie dreaptă cu o

intă de interes finală. Acestea sunt foarte des folosite. Sunt folosite pentru a da o energieț

ini ială mică particulelor înainte să fie introduse într-un accelerator circular. Cel mai lungț

accelerator liniar din lume este SLAC (Stanford Linear Accelerator), având 3 km lumgime.

Acceleratoarele liniare de energii mari folosesc sisteme liniare de plăci (sau tuburi cu

undă progresivă) la care este aplicat un câmp încărcat cu energie alternant. În timp ce

particulele se apropie de o placă, ele sunt accelerate către aceasta prin intermediul unei plăci cu

polaritate opusă. Pe când trec prin gaura din placă, polaritatea este inversată astfel încât placa,

nu le acceptă i le accelerează către următoarea placă. În mod normal, un curent cu fascicule cuș

mai multe particule este accelerat, astfel încât un voltaj controlat AC este aplicat fiecărei plăci

pentru a repeta acest proces pentru fiecare fascicul.

În timp ce particulele se apropie de viteza luminii, rata de comutare a câmpurilor

electrice devine atât de mare, încât operează la frecven a microundelor, astfel,ț  cavită ileț

rezonante RF sunt folosite în dispozitive cu energii mari în loc de simple plăci.

O categorie deosebită de acceleratoare liniare o constituie acceleratoarele cu undă

progresivă, în care accelerarea particulelor se realizează prin ac iunea componentei electriceț

longitudinale a unui câmp electromagnetic ce se propagă într-un ghid de unde de construc ieț

specială; viteza particulelor este egală cu viteza de fază a undei.

Acceleratorul liniar prezintă o utilitate esen ială ce constă în producerea deț  electroni de

mare energie (de exemplu: peste 40 GeV în acceleratorul de la Stanford), care nu pot fi

accelera i în aceea i măsură în acceleratoarele ciclice, din cauza pierderilor mari de energieț ș

prin radia ieț .

Acceleratorii liniari sunt folosi i înț  medicină, în radioterapie  i înș  chirurgia cu unde

radio. Acceleratoarele liniare folosite în medicină folosesc un klystron  i un aranjament complexș

de magne iț  care produc o radia ieț  cu o energie de 6-30 de milioane de electron-vol i (MeV).ț

Electronii pot fi folosi i direct sau pot fi ciocn i de o intă pentru a produce raze X. Siguran a,ț ț ț ț

flexibilitatea i acurate ea razei produsă au înlocuit vechea utilizare a terapiei cuș ț  Cobalt-60 ca

instrument de tratament.Pionierii accelatoarelor

John Cockcroft  a lucrat la acceleratoare liniare.

Robert Van de Graff , ini ial, a folositț  bobina Tesla la Universitatea Princeton  i apoi aș

trecut, în 1929, la generatoarele Van de Graaff.

Acceleratoarele circulare (sau ciclice)

Într-un accelerator circular, particulele se mi că într-un cerc până când ob in suficientăș ț

energie. Calea particulelor este curbată în formă de cerc folosind electromagne iiț . Avantajul

acceleratorului circular fa ă de cel liniar este că topologia circulară permite accelerareaț

continuă, astfel încât particulele pot tranzita la infint. Un alt avantaj este că acceleratorul

circular este mai mic decât cel liniar în compara ie cu puterea lor (de exemplu, un linac ar trebuiț

să fie extrem de lung pentru a avea echivalentul puterii unui accelerator circular).

În func ie de puterea i accelera ia particulelor, acceleratoarele circulare au unț ș ț

dezavantaj: particulele emit radia ii aleț  sincrotronilor. Când o particulă încărcată este

accelerată, ea emite radia ii electromagnetice i emisii secundare. A a cum o particulă, care seț ș ș

deplasează în cerc, accelerează tot timpul către centrul cercului, ea emite în continuu radia iiț

către tangenta la cerc. Această radia ie se nume te „lumina sincroton” i depinde în mare parte,ț ș ș

de masa particulei. De aceea, multe acceleratoare de electroni cu putere mare sunt liniare. Unele

acceleratoare, precum sincrotonul sunt create special pentru a produce acea lumină sincroton,

adica raze X.

Deoarece teoria relativită iiț  impune ca materia să se deplaseze mai încet decât viteza

luminii în vid în acceleratoare de energii mari, a a i energia cre te atunci când viteza particuleiș ș ș

se apropie de viteza luminii, dar nu o atinge niciodată. De aceea, fizicenii nu se gândesc, în

general, la viteza, ci mai mult la energia particulei (sau impulsul acesteia), de obicei măsurată

în electron-vol iț  (eV). Un important principiu al acceleratoarelor circulare, i a razelor deș

particule, în general, este acela ca traiectoria particulei să aibă o curburăpropor ională cuț

sarcina acesteia i cuș  câmpul magnetic, dar invers propor ional cu impulsul.ț

Cel mai des utilizate sunt  acceleratoarele ciclice rezonante 

(ciclotron, microtron, fazotron, sincrotron, sincrofazotron) datorită avantajelor în ceea ce

prive te economia de spa iu i pierderile minime deș ț ș  energie.

CiclotroniiPrimele acceleratoare circulare au fost ciclotronii, inventa i în 1929 deț  Ernest

Lawrence la Universitatea Berkeley din California. Ciclotronii au o singură pereche de plăci

adâncite în forma de „D” pentru a accelera particulele i un singurș  magnet mare dipolar pentru

a devia deplasarea într-o orbită circulară. Este o proprietate caracteristică particulele încărcate

într-un câmp magnetic constant i uniform, B, pe care orbitează cu o perioadă constată, laș

o frecven ăț  numită „frecven ă ciclotronică”, atât timp cât viteza lor este mică în compara ieț ț

cu viteza luminii (c = 3108 m/s). Acest lucru înseamnă D-urile accelerate ale unui ciclotron pot

fi condu i către o frecven ă radio constantă (RF) accelerând puterea sursei, pe când raza faceș ț

o spirală în continuu. Particulele sunt inserate în centrul magnetului i sunt extrase la margineș

când ajung la energie maximă.

Ciclotronii ajung la energia limită din cauza efectului relativist, când particulele devin,

efectiv, masive, astfel încât frecven a lor ciclotronică scade cu accelera ia radio frecven ei.ț ț ț

Ciclotronii simpli pot accelera protoni doar până la o energie de aproape 15 milioane de

electron vol i (15 MeV, corespunzând vitezei de aproximativ 10% din viteza luminii). Dacă esteț

accelerat în continuare, traiectoria devine o spirală până de o rază i mai mare, dar nu va maiș

avea destulă viteză pentru a completa întregul cerc în conformitate cu radio frecven a.ț

Ciclotronii sunt, cu toate acestea, încă folositori pentru aplica iile cu energie mică.ț

Sincrociclotronii i izocronusul ciclotronș

Sunt multe moduri de a modifica clasicul ciclotron pentru a-i cre te energia limită. Acestș

lucru poate fi facut într-o raza continuă, cu o frecven ă constantă, având un dispozitiv careț

modifică polii magne ilor pentru a cre te câmpul magnetic cu o anumită valoare. Atunci,ț ș

particule încărcate parcurg o distan ă mai scurtă pe fiecare orbită decat ar face de obicei, i potț ș

să rămână în fază cu câmpul. Astfel de dispozitive de numesc izocronus ciclotron. Avantajul lor

este ca pot genera în continuu raze de o intensitate medie mai mare, ceea ce este folositor

pentru unele aplica ii. Cel mai mare dezavantaj îl reprezintă mărimea i costul acelui mareț ș

magnet necesar i dificultatea în ob inerea unui câmp atât de mare.ș ț

Sincrociclotronul accelerează particulele pe grupuri, într-un câmp magnetic B constant,

dar reduce radio-frecven a câmpului pentru a păstra particulele în pas cu spirala ce seț

formează. Aceasta apropiere nu are o intensitatea a razelor atât de mare datorită formării

grupurilor, din nou din cauza necesită ii acelui magnet de diametru mare i câmp constant fa ăț ș ț

de orbita mare cerută de energia mare.Acceleratoarele FFAG

Acceleratoarele FFAG, în care un câmp radial foarte puternic, combinat cu focalizare

cu gradient alternant, permite razei sa fie închisă într-un inel strâmt, fiind o extensie

aciclotronului izocronus, idee care este, mai târziu, în dezvoltare. Ei folosesc sec iuni cuț

accelerare RF între magne i, i asa sunt izocronii pentru particulele relativiste ca electroniiț ș

(care ajung la viteza luminii la doar câ iva MeV), dar doar pentru o varia ie limitată de energieț ț

i particule mai grele la energii sub-relativiste. La fel ca la izocronus ciclotronul, ei reu esc săș ș

ob ina o rază continuă, dar fără nevoia unui magnet uria dipolar ce se poate îndoi acoperindț ș

întreaga raza a orbitei.Betatronul

Un alt tip de accelerator circular, inventat în 1940 pentru accelerarea electronilor,

este betratonul. Ca iș  sincrotronul, acesta folose te unș  magnet în forma de gogoa ă (cu gaură înș

mijloc) cu un câmp ciclic magnetic B, dar accelerează particulele prin induc ie de laț  câmpul

magnetic în cre tere. Ajungând la o orbită radială constantă în timp ce asigură câmpul electricș

necesar, are nevoie ca fluxul magnetic conectat la orbită sa fie într-un fel independent de câmpul

magnetic de pe orbită, deviind particulele într-o curbă constantă. Aceste dispozitive au fost, în

practică, limitate de marile pierderi radiale suferite de electronii care se mi cau aproapeș

de viteza luminii pe o orbita relativ mică.Istoria

Primul ciclotron al lui Lawrence a avut aproape 100 mm (4 inch) diametru. Mai târziu, el

a construit o ma inărie cu aproape 60 de inch i a proiectat una de 174 inch diametru, pentruș ș

care nu a avut timp, deoarece al Doilea Război Mondial i-a oferit ansa muncii în domeniulș

separarării izotopului de uraniu. După război, el a continuat munca în cercetare i medicinaș

pentru mul i ani.ț

Primul mare sincroton de protoni a fost cosmotronul de la Laboratorul National

Brookhaven, care a accelerat protonii până la aproape 3 GeV. Bevatronul, de la Berkeley,

terminat în 1954, a fost special conceput pentru a accelera protonii la o energie suficient de

mare pentru a crea antiprotoni, verificând simetria particulă-antiparticulă a naturii, până atunci

doar bănuită. AGS (Alternating Gradient Synchrotron) din Brookhaven a fost primul

mare sincrotron cu gradient alternant, magne i cu focalizare puternică, ce au redus considerabilț

deschizătura razei, corespunzând mărimii i costului magnetului. Proton Synchroton-ul,ș

construit la CERN, a fost primul mare accelerator de particule european, semanând în mare pare

cu AGS.

Acceleratorul liniar Stanford (SLAC) a devenit func ionabil în 1966, accelerând electroniiț

până la 30 GeV pe o rază de 3km, fiind amplasat într-un tunel i alimentat de sute deș klystroni.

Este cel mai mare accelerator liniar existent i a fost upgradat. Este, de asemenea, o sursă deș

sincroton foton de raze X  iș  ultraviolete.

Tevatronul Fermilab are un inel cu un fascicul de ghidare lung de 6 km, primind

ulteorior câteva îmbunătă iri. Cel mai mareț  accelerator circular construit vreodată

este sincrotronulLEP de la CERN, cu o circumferin ă de 26.6 km. A ajuns la o energie de 209 GeVț

înainte sa fie demontat în anul 2000 pentru ca tunelul subteran sa poata fi folosit pentru LHC

(Large Hadron Collider). LHC este, momentan, cel mai mare accelerator, având cea mai mare

energie, ajungând până la 7 TeV per raza, dar momentan are doar jumătate din această energie.

Abandonatl SSC (Superconducting Super Collider) din Texas ar fi avut o circumferin ă de 87 km.ț

Construc ia sa a început în anul 1991, dar a fost abandonată în 1993. Acceleratoare circulareț

foarte mari sunt construite în tunele subterane, având câ iva metri diametru pentru aț

minimaliza costurile unei asemenea structuri la suprafa ă, i pentru a asigura un scut împotrivaț ș

radiatiilor secundare ce pot apărea, care penetreaza cu energii foarte mari.