Hiukkaskiihdytin

Ilmakuva Fermilabin Tevatron hiukkaskiihdyttimestä

Hiukkaskiihdytin on laite, joka sähkökentän avulla kiihdyttää ja magneettikentän avulla suuntaa sähköisesti varautuneita hiukkasia.

Hiukkaskiihdyttimiä on muun muassa television kuvaputkissa ja lääketieteen röntgenkuvan ottamiseen tarvittavissa röntgenputkissa, mutta suurimmat hiukkaskiihdyttimet ovat jopa kymmenien kilometrien mittaisia hiukkasfysiikan tutkimukseen käytettäviä laitteita.

Yksinkertaisin hiukkaskiihdytin on tyhjiöputki, jonka toisessa päässä on varattujen hiukkasten lähde, esimerkiksi katodi, jos hiukkaset ovat elektroneja. Toisessa päässä putkea on tällöin vastakkaismerkkinen anodi. Putken päiden väliin luodaan siis suuri jännite, joka saa varatut elektronit pyrkimään anodin luo. Tutkimuskäytössä suuret kiihdyttimet voidaan rakentaa ympyrän muotoon, jolloin hiukkaset kiertävät ympyrärataa.

Yleisölle tunnetuin tutkimuskäytössä oleva hiukkaskiihdytin lienee yhteiseurooppalaisen kiihdytinlaboratorio CERNin LHC, joka sijaitsee Sveitsin ja Ranskan rajalla.

Syklotroni

Pääartikkeli: Syklotroni

Syklotroni on hiukkaskiihdytin, jossa hiukkasia kiihdytetään likimain ympyräradalla. Yksinkertaistettuna laitteen keskellä on sähkökenttä, joka kiihdyttää tutkittavaa hiukkasta. Kiihdytyksen jälkeen hiukkanen saapuu puoliympyrän muotoiseen kaarteeseen, jota kutsutaan D-kappaleeksi. Tässä kaarteessa magneettikenttä saa hiukkaselle aikaan keskeiskiihtyvyyden, ja hiukkanen pysyy ympyräradalla. Kuljettuaan puoliympyrän hiukkanen saapuu uudelleen sähkökenttään, jonka suunta on nyt vaihdettu. Näin hiukkanen kiihtyy aina kulkiessaan D-kappaleesta toiseen. Syklotronilla saavutettavaa energiaa rajaavat suhteellisuusteoreettiset efektit: kun hiukkanen on lähellä valonnopeutta, sen nopeus ei enää kasva tasaisesti ja kiihdyttävä sähkökenttä joutuu eri vaiheeseen hiukkasvirran kanssa

Synkrotroni

Pääartikkeli: Synkrotroni

Syklotronin ongelmana oleva kiihdyttävän kentän vaiheistaminen on ratkaistu synkrosyklotronissa, jota kutsutaan lyhyesti synkrotroniksi. Tässä laitteessa kiihdyttävät ja hiukkassädettä ohjaavat kentät on tarkasti vaiheistettu antamaan kiihdytintä kiertäville hiukkasille mahdollisimman suuri energia. Yleensä kiihdytintä kiertää kaksi hiukkassädettä, joista toinen sisältää hiukkasia, toinen vastaavia antihiukkasia. Näiden hiukkasten törmätessä ilmaisinyksikössä saadaan käytettyä koko liike-energia uusiin reaktioihin.

Synkrotronin ongelmana on synkrotronisäteily, jota syntyy hiukkasten joutuessa kiihtyvään liikkeeseen. Koska hiukkasten liike ympyräradalla on kiihtyvää, ne säteilevät osan energiastaan ympäristöön. Tämä aiheuttaa vaatimuksia säteilysuojaukselle ja pakottaa tekemään hiukkaskiihdyttimet suurikokoisiksi, jotta hiukkasten kulmakiihtyvyys olisi mahdollisimman alhainen.

Synkrotronisäteilyä käytetään myös säteilylähteenä erityisesti materiaalien ja biokemian tutkimuksessa, sillä se on paljon intensiivisempää kuin tavallisista röntgenputkista saatava röntgensäteily. Lisäksi synkrotronisäteilyn aallonpituuskaista on hyvin laaja. Useita hiukkasfysiikan tutkimuksissa käytettyjä hiukkaskiihdyttimiä on muunnettu synkrotronisäteilylähteiksi niiden muututtua hiukkasfysiikan kannalta vanhanaikaisiksi. Nykyään synkrotroneja rakennetaan myös pelkästään synkrotronisäteilylähteiksi, kuten yhteiseurooppalainen ESRF.