Wat is een lineaire versneller?
Een lineaire versneller is een apparaat dat materie tot een hoge snelheid versnelt door het langs een lineair pad met elektromagnetische velden te verplaatsen. De term wordt meestal gebruikt om te verwijzen naar een lineaire deeltjesversneller, of linac, die atomen of subatomaire deeltjes versnelt. "Lineaire versneller" kan ook verwijzen naar apparaten die elektromagnetisme gebruiken om grotere objecten voort te stuwen, zoals coilguns en railguns. Lineaire deeltjesversnellers worden vaak gebruikt in de geneeskunde, industrie en wetenschappelijke experimenten, en elektromagnetische versnellers voor grotere objecten kunnen toekomstige toepassingen hebben voor doeleinden zoals ruimtevaart en wapens.
Een lineaire deeltjesversneller vuurt magnetisch geladen deeltjes af. Dit kunnen hele geladen atomen zijn, ionen genoemd, of subatomaire deeltjes zoals protonen en elektronen. Eerst wordt het te versnellen deeltje gegenereerd door een elektromagnetische inrichting zoals een kathode of ionenbron en vrijgegeven in een buisvormige vacuümkamer bekleed met elektroden. De elektroden worden vervolgens bekrachtigd om oscillerende magnetische velden te creëren die energie aan het deeltje geven en het door de buis naar het doel van het apparaat versnellen. De precieze plaatsing van de elektroden in de buis, het vermogen en de frequentie van de energie die in de elektroden wordt gezonden, en de grootte van de elektroden variëren allemaal afhankelijk van de deeltjes die worden versneld en het doel van het apparaat.
Een eenvoudig en veel voorkomend voorbeeld is de kathodestraalbuis, die gewoonlijk wordt gebruikt in televisies, monitors en andere weergavetechnologieën. De kathodestraalbuis stuwt elektronen door de buis totdat ze een vast doel raken aan het uiteinde van de buis gemaakt van luminescerende materialen die fosforen worden genoemd, meestal metaalsulfideverbindingen. Dit zorgt ervoor dat een deel van de energie van de elektronen vrijkomt als een emissie van elektromagnetische energie in de golflengten die het menselijk oog detecteert als zichtbaar licht. Röntgenmachines die in de geneeskunde en biologisch onderzoek worden gebruikt, volgen een soortgelijk principe, waarbij elektronenstromen in koper, molybdeen of wolfraam worden afgevuurd om röntgenemissies te produceren die kunnen worden gebruikt voor beeldvorming of, met krachtigere apparaten, radiotherapie.
Lineaire deeltjesversnellers worden ook gebruikt in wetenschappelijk onderzoek. Kleine apparaten worden vaak gebruikt voor beeldvorming in biologisch en archeologisch onderzoek. Lineaire versnellers die voor onderzoek worden gebruikt, variëren enorm in grootte en kunnen werkelijk kolossale dimensies bereiken vanwege de extreem hoge energieniveaus die nodig zijn om sommige van de in de moderne fysica bestudeerde fenomenen te produceren. De grootste lineaire deeltjesversneller op aarde, gelegen in het SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) Nationaal versnellingslaboratorium in Menlo Park, Californië, is twee mijl lang.
Ze worden ook gebruikt in sommige industriële processen. Sommige siliciumchips die in moderne elektronica worden gebruikt, worden vervaardigd in een proces met versnellers die hele geladen atomen voortbewegen in plaats van subatomaire deeltjes, waardoor een zeer precieze plaatsing van atomen tijdens de productie mogelijk is. Versnellers kunnen ook worden gebruikt om ionen in het oppervlak van materialen zoals staal te implanteren, waardoor de structuur van het materiaal wordt gewijzigd om het beter bestand te maken tegen chemische scheuren.
De term "lineaire versneller" wordt soms ook gebruikt voor apparaten die grotere objecten op een vergelijkbare manier voortstuwen, met behulp van elektromagnetisme om een projectiel langs een recht pad te versnellen. Deze werken door elektriciteit te laten lopen door een metalen spoel die om de loop van het apparaat is gewikkeld, een ontwerp dat een spoelgeweer, massadriver of Gauss-pistool wordt genoemd, of door een paar metalen rails die parallel aan elkaar zijn geplaatst, een railgun genoemd. Een object gemaakt van een ferromagnetisch materiaal, zoals ijzer, kan door de loop van het apparaat worden versneld met de magnetische velden die worden geproduceerd door correct getimede elektrische stromen. Coilguns zijn voorgesteld als een mogelijke manier om ladingen van het aardoppervlak naar de ruimte te lanceren, en zowel coilguns als railguns worden onderzocht als mogelijke wapens.