accelerator

Udviklingen af acceleratorer begyndte i slutningen af 1800-tallet med opbygningen af det såkaldte katodestrålerør meget lig ovennævnte gamle tv-apparater. I et udpumpet glasrør etableredes en elektrisk spænding fra en opvarmet glødetråd eller et radioaktivt præparat til en elektrode. I sådanne rør accelereredes enten elektroner eller heliumkerner (alfapartikler), og disse partiklers egenskaber blev undersøgt. Katodestrålerøret, hvor den elektriske spænding var nogle få tusinde volt, var det etablerede forskningsapparatur i tre årtier. Ernest Rutherford havde tidligere i et enkelt tilfælde frembragt nye atomkerner ved brug af alfapartikler fra radioaktive præparater, og i begyndelsen af 1930'erne opdagede man, at der var mulighed for at skabe nye atomkerner ved beskydning af atomkerner med accelererede brintkerner (protoner). I 1932 fremstillede J.D. Cockcroft og E.T.S. Walton således for første gang nye atomkerner med en ny type accelerator, og de fik i 1951 nobelprisen for deres bedrift.

Alkymiens tusindårige drøm var hermed gået i opfyldelse: Man havde fundet en generel teknik til at ændre ét grundstof til et andet. Cockcroft og Walton benyttede et simpelt elektrisk kredsløb til at mangedoble en jævnspænding. Herved opnåede de en spænding på 700.000 V (700 kV). Siden da gik udviklingen hurtigt, fra acceleratorer, der kunne accelerere lette kerner op til energier tilstrækkelige til at ændre alle atomkerner, og videre til store anlæg, der accelererede protoner til ikke blot at skabe nye atomkerner, men også nye elementarpartikler. Et vigtigt trin på denne vej var Bevatronens anvendelse til skabelsen af antiprotoner i 1955. Det skete på University of California i Berkeley, hvor der accelereredes protoner op til energier svarende til spændinger på flere mia. volt. Det foreløbig sidste trin i udviklingen af acceleratorer er det store fælleseuropæiske laboratorium CERN i Genève, Schweiz.

En accelerator indeholder som minimum et antal nødvendige komponenter, hvor den første er en kilde til at danne de ladede partikler. I en elektronaccelerator er dette ofte en simpel glødetråd, der opvarmes, og elektroner kan derefter ekstraheres og accelereres af et elektrisk felt. En ionaccelerator begynder med en ionkilde, hvor de neutrale atomer/molekyler ioniseres og dermed mister en eller flere elektroner. De nu elektrisk ladede ioner kan så accelereres af elektriske felter. Efter kilden følger højspændingsdelen, hvor selve accelerationen foregår gennem et rør under vakuum (lavt tryk, måske 10^-9 atm eller mindre). Så følger apparatur til at kontrollere ionstrålens renhed (masse) og intensitet samt til at lede ionstrålen til det punkt, der ønskes bestrålet. Denne udvælgelse foregår med elektriske og magnetiske felter, der kan afbøje og fokusere de elektrisk ladede partikler. Man kan analogt til optik opbygge sprede- og samlelinser samt prismer; dette system kaldes under ét for ion- eller elektronoptik. Hele stråletransporten må finde sted under højvakuum, da de accelererede partikler ellers vil spredes og nedbremses af atmosfærens molekyler.

I en accelerator kan maskinens højspændingsdel, der leverer selve accelerationen, være baseret på jævnspænding eller vekselspænding. I jævnspændingsmaskiner er der begrænsninger for, hvor høje spændinger man kan opnå, uden at der opstår udladninger/gnister til omgivelserne. Omkring 1 million volt er den praktiske grænse for acceleratorer i luft. Ved højere spændinger anbringes højspændingsdelen i en tryktank fyldt med en særlig isolerende gas, SF₆. Herved kan man opnå spændinger op til omkring 25 millioner volt. Disse spændinger kan fx frembringes ved hjælp af en van de Graaff-generator, hvor en elektrisk ladning sprøjtes på et isolerende bælte, der transporterer ladningen op til højspændingselektroden.

Højere partikelenergier kan opnås ved at benytte acceleratorspændingen flere gange. Dette princip udnyttes i den såkaldte tandemaccelerator, hvor der først produceres negativt ladede ioner (neutrale atomer tilføres en elektron) i ionkilden. Disse negative ioner accelereres til den positive højspændingselektrode, hvor de omlades, således at de mister den ekstra elektron samt en eller flere af deres egne elektroner. Ionerne bliver derved positivt ladede og frastødes nu af elektroden, hvorved højspændingen udnyttes igen, særlig effektivt hvis ionerne er flerladede. I tandemacceleratoren er der ikke længere direkte proportionalitet mellem spændingen på elektroden og de accelererede partiklers energi. Man har indført energimålet elektronvolt (eV), som er den energi, en enkeltladet partikel vil få, når den accelereres gennem et spændingsfald på én volt.

I atomfysiske forsøg accelereres partikler til energier mellem nogle få eV og nogle hundrede keV (keV = 1000 eV). Til kernefysiske eksperimenter anvendes energier i MeV-området (MeV = 10⁶ eV), mens energierne for partikelfysiske eksperimenter rækker fra nogle hundrede MeV over gigaelektronvolt (GeV = 10⁹ eV) til teraelektronvolt (TeV = 10¹² eV). Jævnspændingsacceleratorer, som også kaldes elektrostatiske acceleratorer, kan bruges til at frembringe tunge flerdobbeltladede ioner med en maksimal energi på over 100 MeV.

Partikelfysiske eksperimenter kan ikke udføres med elektrostatiske acceleratorer. For at opnå de nødvendige energier må man bruge acceleratorer baseret på vekselspænding. Disse acceleratorer benævnes også radiofrekvens-acceleratorer, idet man benytter frekvenser i radiobølgeområdet. Disse opdeles i hhv. lineære og cykliske acceleratorer. Lineære acceleratorer er de ældste, men begge principper benyttes stadig. I den lineære accelerator etableres en højspænding mellem partikelkilden og et ledende metalrør. Ionerne accelereres herved og fortsætter gennem røret, i hvis indre der ikke er noget elektrisk felt. En række rør, anbragt efter hinanden, tildeles skiftevis en positiv og en negativ spænding (fx 10 kV). I gabet mellem naborør er der derfor en vekselspænding. Længden af hvert rør er tilpasset den hastighed, partiklerne netop har nået, således at de, hver gang de møder et gab, påvirkes af spændingsforskellen mellem rørene, der altså yderligere accelererer dem. På de første rør øges længden gradvis, men da partiklerne ifølge relativitetsteorien ikke kan få hastigheder større end lysets, kan de senere rør gøres næsten lige lange. Rørene bliver dog forholdsvis lange ved store hastigheder tæt på lysets, og et bedre princip diskuteres i næste afsnit.

Et andet lineært acceleratorprincip udnytter en vandrende elektromagnetisk bølge. Hvis bølgen vandrer med samme hastighed som partiklerne, vil de partikler, som befinder sig på forsiden af en bølge, accelereres, hvis de altså er positivt ladede. Princippet er det samme som ved surfriding og er hovedsageligt det, der benyttes i moderne lineære acceleratorer for partikler med store hastigheder, hvor det dog er ændret til, at accelerationen foregår i en række hulrumsresonatorer (kaviteter). Der er ingen fundamental grænse for maksimumenergien af partiklerne, højst økonomiske/praktiske. Hvis store partikelstrømme accelereres til høje energier, er effekttabene i de strukturer, der leder bølgen, imidlertid en udfordring. Man benytter derfor superledende kaviteter for at formindske varmetabene. Med disse kan man opnå en effektiv acceleratorspænding på 10 mio. volt pr. meter (10 MV/m). For at accelerere ioner til 1 TeV med denne metode kræves en acceleratorkonstruktion på 100 km længde. Der er således stærke økonomiske begrænsninger på en accelerators maksimumsenergi. I nyudviklede kaviteter har man opnået væsentlig større spændinger end ovennævnte 10 MV/m.

Den første cirkulære accelerator, cyklotronen, blev opbygget af E.O. Lawrence i 1930'erne. Danmark var meget tidligt med i udviklingen, og i 1938 blev en sådan accelerator taget i brug ved Institut for Teoretisk Fysik (senere Niels Bohr Institutet) blandt de første i Europa.

Princippet bygger på, at en ladet partikel, der bevæger sig på tværs af et konstant magnetfelt, afbøjes i en cirkelbane. Omløbstiden afhænger ikke af energien, da radius i cirkelbanen vokser med stigende energi, faktisk lineært med hastigheden. I cyklotronen anbringes et cirkulært acceleratorkammer med form som en flad kagedåse mellem polerne af en stor magnet. Kammeret deles på tværs langs en diameter, og en vekselspænding påtvinges mellem de to halvdele. Partikler, der ankommer til gabet mellem de to halvdele, accelereres, når spændingen vender rigtigt. Vekselspændingens periode er valgt til at være omløbstiden i magnetfeltet, hvorfor partiklerne vil accelereres, hver gang de passerer gabet. Processen startes derfor med lavenergiske partikler udsendt i centrum af kammeret. De vil successivt bevæge sig langs en større og større cirkelbane og rykke ud mod randen ved tiltagende energi. Som ved de lineære acceleratorer vil partikler kun accelereres på tidspunkter, hvor spændingens fortegn passer til partiklernes retning; strålen af partikler vil derfor accelereres som bundter af partikler.

Fundamentalt er der imidlertid en forholdsvis lille maksimumsenergi (få 10 MeV-protoner) for en cyklotron, hvilket skyldes, at partiklernes masse forøges, når deres fart øges; denne relativistiske effekt er opdaget af Einstein. Som følge deraf får partiklerne en længere omløbstid med energien, og de vil komme ud af takt med vekselspændingen.

Ovenstående begrænsning førte til udviklingen af synkrocyklotronen, hvor man reducerer vekselspændingens periode i takt med den forøgede omløbstid. Herved kunne man opnå væsentligt højere energier på mere end 100 MeV for protoner. Magneten i acceleratoren bliver dog meget stor for disse høje energier, og tiden var bl.a. af denne grund moden til en ny opfindelse, nemlig synkrotronen.

I en synkrotron løber partiklerne langs en fast, mere eller mindre cirkulær bane defineret af et system af individuelle magneter; i en synkrotron øges magnetfeltet i takt med accelerationen for at holde partiklerne på samme bane. Dette i modsætning til cyklotronen, hvor magnetfeltet skal strække sig fra centrum og ud til randen af ringen. Det mindre område, der skal dækkes af magnetfeltet, betyder, at der skal bruges langt mindre jern og kobber. Yderligere kan afbøjningsmagneter, fokuseringselementer og acceleratorkaviteter opstilles hver for sig langs omkredsen. Store nyere acceleratorer er næsten alle af denne type; det gælder fx SPS, LEP og LHC på CERN og Tevatronen på FNAL i USA.

Acceleratoren kaldes en synkrotron, idet partiklerne skal passere accelerationsaggregatet i takt med, synkront med, accelerationen. Frekvensen af det accelererende felt skal altså øges i takt med partiklernes forøgede hastighed. Med ovenstående synkrotronprincip var der nu åbnet for bygning af acceleratorer med større og større energier. For elektroner er maksimumsgrænsen dog nu bestemt af, at hurtige, ladede partikler, der afbøjes, udsender elektromagnetisk stråling, den såkaldte synkrotronstråling. Dette bevirker, at synkrotroner næppe nogensinde vil blive bygget til energier over cirka 100 GeV, svarende til LEP-synkrotronen anvendt på CERN 1989-2001. En tilsvarende begrænsning er først af betydning for protoner ved meget højere energier. De største protonenergier, der frembringes i dag, er på 7 TeV i den såkaldte Large Hadron Collider (LHC) på CERN. Denne synkrotron ligger i en cirkulær tunnel, 27 km i omkreds, 50-150 m under jordoverfladen og består af et system af superledende magneter med et felt på 8,33 Tesla. Synkrotronstråling fra afbøjningen af disse protoner i de superledende magneter kan observeres som synligt lys, men effekten af strålingen er meget lille. For alle partikelfysikkens planlagte acceleratorer er økonomien i dag begrænsningen på udviklingen.

Udnyttelse af acceleratorer har udviklet sig til en stor og vigtig industri. Acceleratorer anvendes fx til ionimplantering, hvor ioner af de fleste grundstoffer ved spændinger på nogle hundrede kV kan skydes ind i materialers overflader for derved at ændre disse materialers egenskaber. Denne teknologi er basis for den moderne elektronikindustris integrerede kredsløb, men bruges fx også til at ændre metallers hårdhed og modstandskraft mod korrosion. Acceleratorer bruges også i meget stor udstrækning til undersøgelse af materialer ved hjælp af den såkaldte ionstråleanalyse. Ionstrålen skydes ind mod et materiale, og ved at analysere de tilbagespredte partikler, de udsendte elektroner eller den udsendte røntgenstråling kortlægges materialets grundstofsammensætning og struktur. En særlig form for ionstråleanalyse er acceleratormassespektrometrien, der bl.a. udnyttes til kulstof 14-datering.

Den teknologiske udnyttelse af acceleratorer til medicinsk brug har vundet meget stor udbredelse, ikke blot til strålebehandling af kræftsvulster (se nedenfor), men også til fremstilling af kortlivede radioaktive præparater, der rutinemæssigt anvendes til medicinske undersøgelser og behandling. På grænsen mellem medicinsk og industriel udnyttelse ligger acceleratoranlæg til strålingssterilisering af medicinsk udstyr. Her benyttes især elektronstråler.

Endelig kan nævnes elektronstrålers anvendelse i fx svejsning, litografi, plasthærdning samt i elektronmikroskoper.

Udviklingen af acceleratorer til højere og højere energier har især været motiveret af elementarpartikelfysikken, der søger at udforske de mindste bestanddele i Universet og de kræfter, der virker mellem disse. Partikelfysiske acceleratorer har så høj en energi, at nye elementarpartikler kan dannes. For at danne selv en af de letteste elementarpartikler, en pion, kræves en kinetisk energi af partiklerne større end 150 MeV, og der er i almindelighed behov for langt højere energier.

Partikelfysik-acceleratorer kan opdeles i to typer. Fra den ene type udtages en stråle, som derefter rammer et såkaldt target (eng. 'mål'), fx en metaltråd. Det er sammenstødene mellem partiklerne i strålen og i target, man studerer; men det er også muligt at lave nye stråler af de i sammenstødet producerede partikler. Fordelen ved en accelerator med target er, at sammenstød med mange slags partikler, også ustabile, kan studeres. Ulempen er, at den energi, som er til rådighed for dannelse af nye partikler, den såkaldte tyngdepunktsenergi, er relativt lille. For fx at fordoble tyngdepunktsenergien i en sådan accelerator skal strålens energi firedobles. Antallet af sammenstød, der kan opnås, er proportionalt med strålens intensitet. Den anden type accelerator, der bruges til partikelacceleratorer, er de såkaldte kollidere, hvor partiklerne i de to modsat rettede stråler støder mod hinanden. I denne type er tyngdepunktsenergien størst mulig og vil selv fordobles ved en fordobling af strålernes energi. En af ulemperne er, at man kun kan studere sammenstød mellem stabile partikler med en sådan accelerator. Antallet af sammenstød svarende til en bestemt proces afhænger såvel af acceleratorens ydeevne (luminositeten) som af sandsynligheden for sammenstød mellem de aktuelle partikeltyper (tværsnittet).

Indtil for få år siden var alle acceleratorer baseret på ”traditionelle” teknikker, hvor man anvendte høje elektriske spændinger, enten jævn- eller vekselspændinger, samt høje magnetfelter. Disse felter er imidlertid begrænset i størrelse af enten fundamentale eller praktiske grunde. Sammen med økonomiske begrænsninger sætter dette en grænse for, hvor store partikelenergier man kan opnå. Derfor har nye accelerationsteknikker været i søgelyset i de seneste år. En metode til at opnå meget høje elektriske felter er ved anvendelse af lasere, hvor man kan lave meget større felter end i de traditionelle acceleratorer. Imidlertid kan disse felter ikke uden videre anvendes til acceleration, og man er nødt til at koble laserlyset via et plasma, bestående af mange elektroner og ioner, til den accelererede partikel. Dette er principielt muligt, og i praksis har man da også på det seneste opnået meget større elektriske felter end med traditionelle teknikker. Begrænsningen er dog endnu, at kun forholdsvis få partikler har kunnet accelereres reproducerbart med høje gradienter. Men det kan forventes, at nye anvendelser af disse laser/plasma-acceleratorer vil dukke op i fremtiden.

• lagerring
• ASTRID2