Urychlovače nabitých částic patří k základní výzbroji jaderných fyziků. Používají se nejen v základním výzkumu, ale také k přípravě radionuklidů pro potřeby průmyslu, medicíny a dalších oborů. I když urychlovače mají různou konstrukci, ve všech jsou nabité částice (protony, elektrony apod.) urychlovány silným elektrickým polem a mohou získat i rychlosti blížící se rychlosti světla. Výstavba a provoz dnešních velkých urychlovačů klade velké finanční nároky. Proto se základní výzkum soustřeďuje do několika velkých laboratorních komplexů. V průmyslu a medicíně se používají mnohem menší urychlovače, kterých je v provozu na celém světě téměř 20 000.
Ve zmenšeném měřítku najdeme tento generátor v každém fyzikálním kabinetu, kde slouží jako zdroj vysokého napětí pro pokusy z elektrostatiky. První generátor zkonstruoval americký fyzik van de Graaff v roce 1929. Dnešní největší generátory tohoto typu poskytují urychlovací napětí i několik desítek milionů voltů. V jaderném výzkumu se van de Graaffův generátor používá nejen samostatně, ale často také jako první stupeň v systému obřích urychlovačů.
Konstrukci prvního lineárního urychlovače navrhnul roku 1930 norský inženýr R. Wideroe. V principu je to dlouhá trubice se soustavou válcových elektrod, ve které je hluboké vakuum. Podél osy elektrod se pohybují urychlované částice setrvačností (elektrické pole je v nich odstíněno jako ve Faradayově kleci), v mezerách mezi elektrodami jsou urychlovány elektrickým polem. Elektrody mají rostoucí délku, aby se vykompenzovala stále větší rychlost částic. Současný největší lineární urychlovač SLAC pracuje na Stanfordově univerzitě v USA. Kanál, ve kterém dochází k urychlování elektronů a pozitronů na energii až 50 GeV, má délku přes 3 km!
Cyklotron kombinuje působení elektrického a magnetického pole na nabité částice. Jeho konstrukce je složitější, než u předchozího typu, má však menší rozměry, urychlované částice se pohybují po spirálové dráze. Cyklotron se skládá ze tří hlavních částí:
Uvnitř duantů se urychlované částice pohybují setrvačností (Faradayova klec), v mezeře mezi duanty jsou urychlovány elektrickým polem. Magnetické pole zakřivuje dráhu urychlovaných částic a udržuje je v prostoru duantů. První cyklotron postavil roku 1931 americký fyzik E. O. Lawrence.
V Ústavu jaderné fyziky v Řeži u Prahy je od roku 1977 v provozu několikrát modernizovaný cyklotron U-120M. Je určen k urychlování protonů, deuteronů, částic alfa a kladných iontů 3He. V jeho urychlovací komoře o průměru 120 cm mohou částice získat energii až 40 MeV a rychlost několik desítek tisíc km/s. Urychlovací napětí je 34 kV. Cyklotron U-120M slouží především k přípravě radionuklidů pro medicínu, nových radionuklidů a k testování materiálů, používaných v jaderných reaktorech. Ve spolupráci s německými, americkými a italskými vědci se zde provádějí také biofyzikální a astrofyzikální experimenty.
Cyklotron U-120M - urychlovací komora je umístěna v prostoru mezi elektromagnety (červené)
Místnost, z níž se řídí chod urychlovače a průběh experimentů
I když urychlovače patří k "zázrakům" moderní techniky, můžete si jednoduchý model lineárního urychlovače snadno zhotovit pomocí několika ocelových kuliček a miniaturních magnetů. Připravte si:
Do instalační lišty vyřežte listem pilky na železo čtyři zářezy, do kterých půjdou těsně zasunout feritové magnety. Vzdálenost zářezů závisí na rozměrech použitých magnetů a velikosti kuliček, tady bude třeba trochu experimentovat. Při použití kuliček a magnetů vyhovuje mezi zářezy vzdálenost asi 7 cm. Feritové magnety zasuňte tak, aby jejich odpovídající póly směřovaly stejným směrem. Pro zesílení účinku ke všem feritům přiložte z jedné strany neodymiový magnet. Ke každému feritovému magnetu přiložte velkou a pak malou kuličku, tím je model urychlovače připraven k činnosti. Zbývající malou kuličku položte do drážky a lehce do ní cvrnkněte směrem k neodymiovému magnetu. Po jejím nárazu se v mžiku dají do pohybu i ostatní malé kuličky a poslední odletí z opačného konce lišty neočekávaně velkou rychlostí.
Sestava modelu: neodymiový a feritový magnet, velká a malá ocelová kulička
V lineárním urychlovači jsou nabité částice urychlovány elektrickým polem mezi trubicemi. Ocelové kuličky v našem modelu jsou urychlovány magnetickým polem. Přitom se kromě působení magnetického pole uplatní několikanásobné předávání energie nárazem:
Lehkým postrčením první kuličky se energie postupně přenáší na další kuličky
Výkon modelu urychlovače můžete zvětšit přidáním dalších magnetů, změnou velikosti kuliček i vzdálenosti magnetů. Místo větších kuliček můžete k magnetům přiložit i jiné ocelové součástky (válečky z ložisek apod.). Mají totiž za úkol jen zvětšit vzdálenost mezi magnetem a odskakující kuličkou. Experimentovat je možno také s různými typy magnetů, rozměrem a počtem použitých kuliček. Podaří-li se vám dobře "vyladit" konstrukci modelu, budete jeho výkonem příjemně překvapeni.
Poznámka:
Silné neodymiové magnety získáte rozebráním vyřazeného pevného disku počítače. V bloku těchto magnetů se pohybuje raménko záznamové hlavičky. Ještě snadněji je vymontujete z vyřazené mechaniky CD. Mají tvar malých hranolků a najdete je u miniaturní čočky, jejíž zaostřování zajišťují. Feritové magnety jsou k dostání např. v modelářských prodejnách.
Blok neodymiových magnetů v pevném disku počítače
Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons BY-NC-ND.
Článek nebyl prozatím komentován.
Pro vložení komentáře je nutné se nejprve přihlásit.
Článek není zařazen do žádného seriálu.
