Co to jest akcelerator liniowy?
Akcelerator liniowy to urządzenie, które przyspiesza materię z dużą prędkością, przesuwając ją wzdłuż ścieżki liniowej z polami elektromagnetycznymi. Termin ten jest najczęściej używany w odniesieniu do liniowego akceleratora cząstek lub liniaka, który przyspiesza atomy lub cząsteczki subatomowe. „Akcelerator liniowy” może również odnosić się do urządzeń wykorzystujących elektromagnetyzm do napędzania większych obiektów, takich jak cewki i karabiny. Akceleratory cząstek liniowych są powszechnie stosowane w medycynie, przemyśle i eksperymentach naukowych, a akceleratory elektromagnetyczne dla większych obiektów mogą mieć przyszłe zastosowania do celów takie jak podróże kosmiczne i broń.
Liniowy akcelerator cząstek wystrzeliwuje cząstki naładowane magnetycznie. Mogą to być całe naładowane atomy, zwane jonami, lub cząstki subatomowe, takie jak protony i elektrony. Po pierwsze, cząstka, która ma zostać przyspieszona, jest wytwarzana przez urządzenie elektromagnetyczne, takie jak źródło katody lub jonu, i uwalniana do rurowej komory próżniowej wyłożonej elektrodami. Elektrody są następnie zasilane energią, aby wytworzyć oscylujące pola magnetyczne, które przekazują cząsteczce energię i przyspieszają ją w dół rurki w kierunku celu urządzenia. Dokładne rozmieszczenie elektrod w rurze, moc i częstotliwość energii wysyłanej do elektrod oraz rozmiar elektrod różnią się w zależności od przyspieszanych cząstek i przeznaczenia urządzenia.
Prostym i bardzo powszechnym przykładem jest lampa elektronopromieniowa, powszechnie stosowana w telewizorach, monitorach i innych technologiach wyświetlania. Lampa elektronopromieniowa napędza elektrony w dół rurki, dopóki nie uderzy w stały cel na końcu lampy wykonany z materiałów luminescencyjnych zwanych luminoforami, które są zwykle związkami siarczku metalu. Powoduje to uwolnienie części energii elektronów w postaci emisji energii elektromagnetycznej o długościach fal wykrywanych przez ludzkie oko jako światło widzialne. Urządzenia rentgenowskie stosowane w medycynie i badaniach biologicznych działają na podobnej zasadzie, wypalając strumienie elektronów na miedź, molibden lub wolfram, aby wytworzyć emisje rentgenowskie, które można wykorzystać do obrazowania lub, w przypadku mocniejszych urządzeń, radioterapii.
Liniowe akceleratory cząstek są również wykorzystywane w badaniach naukowych. Małe urządzenia są często używane do obrazowania w badaniach biologicznych i archeologicznych. Akceleratory liniowe stosowane w badaniach różnią się znacznie rozmiarem i mogą osiągnąć naprawdę kolosalne wymiary ze względu na niezwykle wysokie poziomy energii potrzebne do wytworzenia niektórych zjawisk badanych we współczesnej fizyce. Największy liniowy akcelerator cząstek na Ziemi, zlokalizowany w SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) National Accelerator Laboratory w Menlo Park w Kalifornii, ma dwie mile długości.
Są również wykorzystywane w niektórych procesach przemysłowych. Niektóre chipy krzemowe stosowane w nowoczesnej elektronice są wytwarzane w procesie obejmującym akceleratory, które napędzają całe naładowane atomy zamiast cząstek subatomowych, umożliwiając bardzo precyzyjne umieszczanie atomów podczas produkcji. Akceleratory mogą być również stosowane do implantacji jonów w powierzchni materiałów takich jak stal, zmieniając strukturę materiału, aby uczynić go bardziej odpornym na pękanie korozji chemicznej.
Określenie „akcelerator liniowy” jest również czasami używane w przypadku urządzeń, które napędzają większe obiekty w podobny sposób, wykorzystując elektromagnetyzm do przyspieszenia pocisku wzdłuż prostej ścieżki. Działają one poprzez przepuszczanie prądu przez metalową cewkę owiniętą wokół beczki urządzenia, konstrukcję zwaną cewką, sterownikiem masy lub działem Gaussa, lub przez parę metalowych szyn ustawionych równolegle względem siebie, zwanych karabinem. Obiekt wykonany z materiału ferromagnetycznego, taki jak żelazo, może być przyspieszany w dół cylindra urządzenia za pomocą pól magnetycznych wytwarzanych przez odpowiednio ustawione prądy elektryczne. Coilguns zostały zaproponowane jako możliwy sposób na wystrzelenie ładunków z powierzchni Ziemi w przestrzeń kosmiczną, a zarówno coilguns, jak i karabiny są badane jako możliwa broń.