Transcript: Ciclotronul. Sincrotronul. Radiaţia sincrotronică.

În cea de-a 11-a lecție de fizică nucleară vom continua discuția din lecția trecută despre acceleratoare
cu un alt caz de acceleratoare și anume cele circulare.
În particular vom vorbi despre ciclotron și sincrotron.
Deci, acceleratoarele circulare și în particular ciclotronul.
Ciclotronul are două încinte semicilindrice, după cum vedeți în acest desen, care se numesc duanți.
Deci, duantul din stânga și duantul din dreapta.
Ceea ce vedem, bineînțeles, este o secțiune transversală prin ciclotron.
Deci, dacă doriți, ciclotronul se extinde către dumneavoastră ieșind din ecran.
În acești duanți avem un câmp magnetic intens.
Duanții sunt conectați la o sursă de curent alternativ, după cum vedeți aici în culoare albastru,
de mare frecvență, ce produce un câmp electric între ei.
Deci, ca să sumarizăm, avem acești doi duanți semicilindrici și avem două câmpuri, dar de data aceasta separat.
Un câmp magnetic intens în interiorul duanților, nu în exteriorul lor.
Și un câmp electric relativ intens între duanți.
Deci, polarizarea sursei este, să zicem ceva de genul acesta, plus în dreapta, minus în stânga.
Și atunci avem câmp electric între dreptele desenate cu albastru deschis în desenul nostru.
Câmpul magnetic fiind, bineînțeles, doar în interiorul duanților.
Ce se va întâmpla atunci este că accelerarea are loc doar între duanți sub acțiunea câmpului electric.
Deci, odată ce o particulă încărcată electrică pleacă din sursa ce se află pe axul dispozitivului, în zona dintre duanți,
acea particulă este accelerată de câmpul electric generat de sursa noastră.
Ea va intra într-unul din duanți cu o anumită viteză.
Deci, să presupunem că avem sarcini negative, un electron, spre exemplu.
El va fi atras de către duantul conectat la sursa pozitivă și va intra cu o anumită viteză V0.
Datorită acestei accelerări.
Odată ce intra în duant, particula nu mai simte câmpul electric, ci începe să simtă câmpul magnetic care este în interior.
Atunci, traiectoria ei va fi curbată.
Mai exact, particula va descrie o traiectorie circulară.
În fiecare punct al traiectoriei avem două forțe ce acționează.
Avem forța de tip electromagnetic, care se numește forță Lorentz.
Și avem cu aceeași direcție, dar sens opus, forța centrifug.
Datorită faptului că particula se mișcă pe o traiectorie circulară.
Aceste două forțe sunt egale și de sens opus, deci putem scrie că
pe semicercul descris de particula cu viteza V0 ce a intrat în duant,
forța Lorentz, care este egală cu sarcina particului, mulțită cu viteza ei, V0, mulțită cu câmpul,
intensitatea, sau inducția, mai exact, inducția câmpului magnetic B.
Deci forța Lorentz este egală cu forța centrifugă, care este masa ori viteza la pătrat
împărțită la raza R0 a acestei traiectorii.
Deci rezultă că raza acestei traiectorii va fi MV0 împărțit la Q ori B.
Bineînțeles că apoi particula va ieși din duant și va intra iarăși în spațiul cu câmp electric,
deci va fi accelerată din nou.
În concluzie, la intrarea în următorul duant, ea va avea o altă viteză, V1,
care este mai mare în modul decât V0.
Deci avem V0 mai mic decât V1, unde V1 este viteza particulei la următoarea iterație prin câmpul magnetic.
Și atunci, bineînțeles, se va întâmpla același lucru.
Vom avea o traiectorie circulară a care raze va fi dată de ecuația R1 este egal cu MV1 împărțit la QB.
Deci raza R1 a celei de-a doua traiectorii prin duanți va fi mai mare pentru că viteza V1 este mai mare.
Apoi, bineînțeles, ea va intra în spațiul dintre duanți, unde va fi din nou accelerată.
Deci la următoare intrare în câmpul magnetic va avea o viteză și mai mare, V2.
Deci V0 mai mic decât V1, mai mic decât V2.
Și bineînțeles că atunci vom avea o traiectorie tot circulară, dar de rază și mai mare.
Și tot așa.
Deci avem intrări sau traiectorii semicirculare consecutive în duanții alternativi,
deci întâi în duantul din dreapta, spre exemplu, și apoi în stânga, iarăși în dreapta, iarăși în stânga,
a căror raze, razele acestor traiectorii cresc.
Deci avem R0 mai mic decât R1, mai mic decât R2, și așa mai departe.
Deci, cum am spus, la următoare intrare viteza va fi și mai mare, raza semicircului va fi și mai mare, și așa mai departe.
În felul acesta vedeți cum se mișcă o particulă încărcată într-un ciclotron.
Viteza maximă care poate fi atinsă este dată de raza duanților, adică de câte astfel de semicircule putem face în interiorul duanților.
Deci viteza maximă va fi QRB împărțit la M.
Vedeți de aici că viteza este QRB împărțit la M, iar viteza maximă, în concluzie, va fi legată de raza R a duanților.
Deci R este, bineînțeles, această dimensiune. Acesta este R.
Iar B este inducția câmpului magnetic din interior duanților.
Deci viteza maximă este dată de această ecuație, de unde putem deduce imediat energia cinetică pe care o obține o particulă încărcată într-un ciclotron.
Energia cinetică va fi Mvmax împărțit la 2.
Deci va fi QRB împărțit la 2M.
Foarte interesant de observat că datorită acestui fel de a construi ciclotronul, accelerarea are loc în câmpul electric, dar energia cinetică maximă este legată de inducția câmpului magnetic.
Să trecem acum la următorul tip de accelerator și anume sincrotron.
Sincrotronul este un inel tubular de mari dimensiuni, de-a lungul cărui află mulți magneti supraconductori de ordinul sutelor sau chiar miilor.
Acești magneti supraconductori accelerează fascicul de particule încărcat ce se află în centru, adică pe axul inelului.
Haideți să desenăm foarte schematic.
Deci avem un inel circular.
De obicei, sincrotronul este cuplat la un alt accelerator de viteze mai mici, deci fascicul care intră de particule încărcate electric este preaccelerat într-un accelerator mai mic și intră în accelerator, în sincrotron și va fi accelerat pe axul inelului.
După cum am spus, sincrotronul are o mulțime de magneti supraconductori.
De a lungul inelului se află foarte mulți magneti supraconductori care bineînțeles asigură o traiectorie circulară.
Deci ne asigurăm că fascicul stă pe axul acceleratorului și bineînțeles că el este accelerat.
Nu intrăm în descrierea matematică a felul în care se face acest accelerator pentru că, de fapt, sincrotronul este o mașină foarte complexă.
Pe lângă acești electromagneti supraconductori avem și alte instrumente care funcționează tot pe baze electromagnetice, spre exemplu pentru a colima fascicul.
Vrem ca fascicul să fie cât mai subțire de-a lungul axului acceleratorului.
Deci, în principiu, teoria interacțiilor electromagnetice dintre instrumentele electromagnetice ale sincrotronului și fascicul electric de particule încărcate de pe axul său este o teorie foarte complexă.
Nu intrăm în ea, dar principiul de funcționare este acesta și este foarte ușor de înțeles.
O discuție este, totuși, importantă de avut, o discuție principială.
După cum am spus în lecția trecută, în momentul în care accelerăm o particulă pe o traiectorie curbilinie, în cazul acesta o traiectorie aproximativ circulară, obținem o pierdere intensă de energie a particulei accelerate datorită emisiei de radiație electromagnetică.
Deci, din nefericire, avantajul sincrotronului de a permite o accelerare extrem de puternică pe un spațiu relativ restrâns duce și la un dezavantaj.
Pentru a obține acest spațiu relativ restrâns, trebuie să facem accelerarea într-un cerc, iar un cerc înseamnă traiectorie, bineînțeles, curbată a sarcinor electrice.
Și, după cum știm din electromagnetiz, orice sarcină electrică aflată pe o traiectorie curbată va emite radiație electromagnetică, va emite foton.
Aceasta fiind un efect nedorit, pentru că în felul acesta pierdem din energia pe care am acumulat-o și am transmis-o fascicolui accelerat.
Acest lucru, și anume pierderea de energie prin emisia de radiație electromagnetică, este foarte semnificativ la particule de mase mici, precum electronul, și este mult mai puțin semnificativ pentru particule de mase mari, precum nucleele sau protoni.
În concluzie, particule de mase mari, la ora actuală, precum protonii și neutronii, sunt accelerate în sincrotron, iar particule de mase mici, precum electronii, sunt accelerați în acceleratoare liniare, pe cum am văzut în lecția trecută.
Această radiație emisă, această radiație electromagnetică emisă, se numește radiația sincrotronică, datorită faptului că se produce într-un sincrotron.
Ea este radiația de foarte mare energie și intensitate. Deci, la ora actuală, cele mai mari intensități și energie ale unor unde electromagneticii se obțin într-un sincrotron, prin radiația sincrotronică, și este emisă, după cum am spus, de particule încărcate, aflate în rotație, într-un sincrotron.
Această proprietate a radiației sincrotonice, de a fi de atât energie cât și intensitate foarte mare, duce la o aplicație paralelă a sincrotronului, și anume, se folosesc, la ora actuală, sincrotroane în scopul exact invers, adică nu mai dorim să accelerăm particulele,
ci injectăm fascicule de masă mică, electroni, în cazul acesta, bineînțeles, după cum am spus, vom avea o radiație electromagnetică foarte puternică, electronii vor pierde foarte multă energie în acest proces de accelerare, ei nu vor fi accelerați foarte mult, dar vor emite această radiație sincrotronică, de mare energie și intensitate,
care este apoi captată, fotonii, bineînțeles, nu o sarcină și ies din spațiul de accelerare, ei sunt captați și folosiți în experimente, în aplicații practice, de studiere, spre exemplu, a proprietăților unor materiale și așa mai departe.
Deci un sincrotron care folosește, spre exemplu, electroni pentru a produce radiație sincrotronică, emite această radiație de energie și intensitate foarte mare, pentru că numărul de ture pe secundă este enorm, de tipul, electronul face un milion de ture pe secundă, iar o tură are mulți kilometri.
Deci de aici provine energia și intensitatea mare a radiației electromagnetice sincrotronici.
Aplicațiile sincrotronului sunt mult tip, el fiind, la ora actuală, cel mai utilizat tip de accelerator.
În primul rând, în medicină, ciclotronul este folosit pentru producerea radioizotopilor folosiți în brahiterapie sau radioterapie cu fașicul de ion.
Despre aceste metode sau aplicații practice în medicină ale radiaților nucleare am discutat în lecția despre radiații nucleare.
În particular am spus ce este brahiterapia.
O altă serie de aplicații este aplicația principală.
Sincrotronul este în principal folosit în cercetarea fundamentală, fizica particului și fizica nucleare, unde el este folosit pentru accelerarea la energii maxime ale particului de masă mare.
Deci sunt accelerați protonii și nucleele în sincrotroane, la energii foarte mari, pentru a fi apoi colizionați și a studia proprietățile lor.
Deci sunt ciocniți, pur și simplu, protoni sau nuclee de energii foarte mari.
Dar după cum am spus, aplicația complementară în cercetare aplicată este accelerarea particului de masă mici, în particular a electronilor în sincrotroane.
Caz în care, de fapt, efectul principal nu mai este accelerarea, ci radiația sincronică, care este folosită în nanotehnologie, microbiologie, microelectronică, chimie.
Deci radiația sincrotronică se folosește în cercetări ale structurii diferitelor substanțe și materiale microscopice, de dimensiuni foarte mici, și deci își găsește aplicații în aceste domenii, ca nanotehnologia, microbiologia, microelectronica și chimie.