Kā darbojas daļiņu paātrinātājs?

Daļiņu paātrinātājs tiek izmantots, lai novērotu mazu daļiņu uzvedību pie lieliem ātrumiem un enerģijām, kā arī ikdienas vajadzībām, piemēram, īpaša veida elektromagnētiskā starojuma radīšanai. Daļiņu paātrinātājus bieži izmanto, lai ļoti lielā ātrumā satriektu daļiņas viena pret otru, atklājot to svarīgākās sastāvdaļas. Gan rentgena ģenerators, gan televizors ir plaši izplatīti daļiņu paātrinātāju piemēri, un tiem ir tāds pats pamata dizains kā to lielākiem brālēniem, ko izmanto lielas enerģijas fizikas eksperimentos. Daļiņu paātrinātājs ietilpst vienā no divām kategorijām: apļveida vai lineāra.

Apļveida daļiņu paātrinātājā daļiņas tiek paātrinātas nepārtrauktā apļveida ceļā. Šāda izkārtojuma priekšrocība ir tā, ka daļiņu var vairākas reizes virzīt pa apli, ietaupot aparatūru. Negatīvā puse ir tāda, ka daļiņas apļveida paātrinātājos izstaro elektromagnētisko starojumu, ko sauc par sinhrotronu starojumu. Tā kā to impulss pastāvīgi mudina tos izlidot pa trajektoriju, kas ir tangenciāla aplim, enerģija ir nepārtraukti jātērē, lai tie noturētu apļveida ceļu, kas nozīmē, ka apļveida daļiņu paātrinātāji ir mazāk efektīvi. Lielos paātrinātājos sinhrotronu starojums ir tik intensīvs, ka viss paātrinātājs ir jāierok zem zemes, lai saglabātu drošības standartus. Fermilab daļiņu paātrinātāja Ilinoisā apļveida ceļš ir 6,44 km.

Lineārie paātrinātāji izšauj daļiņas taisnā līnijā uz fiksētu mērķi. Jūsu televizora katodstaru lampa ir zemas enerģijas daļiņu paātrinātājs, kas redzamās gaismas diapazonā izšauj fotonus uz stikla plāksnes, ekrāna. Fotonu straume tiek pastāvīgi novirzīta, lai aizpildītu ekrānu ar pikseļiem. Šī novirzīšana notiek pietiekami ātri, lai mēs uztveram mainīgo fotonu plūsmu kā nepārtrauktu attēlu.

Lielas enerģijas lineārie paātrinātāji jeb linacs tiek izmantoti fizikas lietojumos. Plākšņu sērija alternatīvi piesaista un atgrūž lādētās daļiņas, kas pārvietojas pa tām, velkot daļiņas uz priekšu, kad tās vēl nav pagājušas garām, un atgrūž tās pēc tam, kad tās ir pagājušas. Tādā veidā mainīgos elektriskos laukus var izmantot, lai paātrinātu daļiņu plūsmas līdz ļoti lieliem ātrumiem un enerģijām. Fiziķi izmanto šos paātrinātājus, lai modelētu eksotiskus apstākļus, piemēram, tos, kas atrodas zvaigžņu centrā vai netālu no Visuma sākuma. Daļiņu fizikas standarta modelī aprakstītais “daļiņu zoodārzs” tika pakāpeniski atklāts eksperimentos ar daļiņu paātrinātāju. Lielākais lineārais daļiņu paātrinātājs ir Stenfordas lineārais paātrinātājs, kura garums ir 3,22 km.