ตัวเร่งความเร็วเชิงเส้นคืออะไร

ตัวเร่งความเร็วเชิงเส้นเป็นอุปกรณ์ที่เร่งความเร็วของสสารให้เป็นความเร็วสูงโดยเลื่อนลงไปตามเส้นทางเชิงเส้นที่มีสนามแม่เหล็กไฟฟ้า คำนี้ใช้กันมากที่สุดในการอ้างถึงตัวเร่งอนุภาคแบบเป็นเส้นตรงหรือ linac ซึ่งเร่งอะตอมหรืออนุภาคย่อย “ Linear Accelerator” สามารถอ้างถึงอุปกรณ์ที่ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าเช่น coilgun และ railguns เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นมักใช้ในการแพทย์อุตสาหกรรมและการทดลองทางวิทยาศาสตร์และเครื่องเร่งอนุภาคแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับวัตถุขนาดใหญ่ เช่นการเดินทางในอวกาศและอาวุธ

เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นจะยิงอนุภาคที่มีประจุแบบแม่เหล็ก เหล่านี้อาจเป็นอะตอมที่มีประจุทั้งหมดเรียกว่าไอออนหรืออนุภาคในระดับอะตอมเช่นโปรตอนและอิเล็กตรอน ประการแรกอนุภาคที่ต้องเร่งถูกสร้างขึ้นโดยอุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าเช่นแคโทดหรือแหล่งกำเนิดไอออนและปล่อยสู่ห้องสุญญากาศที่มีรูปทรงเป็นท่อที่เรียงรายไปด้วยขั้วไฟฟ้า จากนั้นอิเล็กโทรดจะถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่สั่นซึ่งส่งพลังงานไปยังอนุภาคและเร่งให้หลอดลงสู่เป้าหมายของอุปกรณ์ การจัดเรียงที่แม่นยำของขั้วไฟฟ้าภายในหลอดกำลังไฟและความถี่ของพลังงานที่ส่งเข้าไปในขั้วไฟฟ้าและขนาดของขั้วไฟฟ้าทั้งหมดแตกต่างกันไปตามอนุภาคที่ถูกเร่งและวัตถุประสงค์ของอุปกรณ์

ตัวอย่างที่ง่ายและธรรมดามากคือหลอดรังสีแคโทดที่ใช้กันทั่วไปในโทรทัศน์จอภาพและเทคโนโลยีการแสดงผลอื่น ๆ หลอดรังสีแคโทดผลักอิเล็กตรอนลงไปในหลอดจนกว่าจะกระแทกเป้าหมายที่ปลายท่อซึ่งทำจากวัสดุเรืองแสงที่เรียกว่าฟอสเฟอร์ซึ่งเป็นสารประกอบโลหะซัลไฟด์ สิ่งนี้ทำให้ส่วนหนึ่งของพลังงานของอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาเมื่อปล่อยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นที่ดวงตาของมนุษย์ตรวจพบว่าเป็นแสงที่มองเห็นได้ เครื่อง X-ray ที่ใช้ในการแพทย์และการวิจัยทางชีววิทยาเป็นไปตามหลักการที่คล้ายกันยิงลำธารของอิเล็กตรอนลงในทองแดงโมลิบดีนัมหรือทังสเตนเพื่อผลิตการปล่อยรังสีเอกซ์ที่สามารถใช้สำหรับการถ่ายภาพหรือด้วยอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นรังสีบำบัด

เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นยังใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ อุปกรณ์ขนาดเล็กมักใช้สำหรับการถ่ายภาพในการวิจัยทางชีววิทยาและโบราณคดี เครื่องเร่งความเร็วเชิงเส้นที่ใช้สำหรับการวิจัยมีขนาดแตกต่างกันอย่างมากและสามารถเข้าถึงมิติขนาดมหึมาได้อย่างแท้จริงเนื่องจากระดับพลังงานสูงมากที่จำเป็นในการสร้างปรากฏการณ์บางอย่างที่ศึกษาในฟิสิกส์สมัยใหม่ เครื่องเร่งอนุภาคแบบเส้นตรงที่ใหญ่ที่สุดในโลกตั้งอยู่ที่ SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) ห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอนุภาคแห่งชาติในเมนโลพาร์คแคลิฟอร์เนียยาวสองไมล์

พวกเขายังใช้ในกระบวนการอุตสาหกรรมบางอย่าง ชิปซิลิคอนบางตัวที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัยนั้นผลิตขึ้นในกระบวนการซึ่งประกอบด้วยตัวเร่งความเร็วที่ขับเคลื่อนอะตอมที่มีประจุทั้งหมดแทนที่จะเป็นอนุภาคขนาดเล็กทำให้สามารถจัดวางอะตอมได้อย่างแม่นยำในระหว่างการผลิต เครื่องเร่งความเร็วยังสามารถใช้ในการปลูกฝังไอออนในพื้นผิวของวัสดุเช่นเหล็กปรับเปลี่ยนโครงสร้างของวัสดุเพื่อให้ทนทานต่อการกัดกร่อนของสารเคมี

คำว่า "ตัวเร่งเชิงเส้น" บางครั้งก็ใช้สำหรับอุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนวัตถุขนาดใหญ่ในลักษณะที่คล้ายกันโดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อเร่งกระสุนปืนไปตามทางตรง งานนี้ใช้กระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดโลหะพันรอบถังของอุปกรณ์การออกแบบที่เรียกว่า coilgun มวลขับหรือปืน Gauss หรือผ่านคู่ของรางโลหะที่วางขนานกันเรียกว่า Railgun วัตถุที่ทำจากวัสดุ ferromagnetic เช่นเหล็กสามารถเร่งลงถังของอุปกรณ์ด้วยสนามแม่เหล็กที่ผลิตโดยกระแสไฟฟ้าที่กำหนดเวลาไว้อย่างเหมาะสม Coilguns ได้รับการเสนอให้เป็นวิธีที่เป็นไปได้ในการปล่อยสินค้าจากพื้นผิวโลกไปสู่อวกาศและทั้งปืนขดลวดและปืนกลกำลังถูกวิจัยว่าเป็นอาวุธที่เป็นไปได้