| |
 Mají-li částice získat v lineárním urychlovači velmi vysokou energii, nastávají problémy. Je třeba mít jednak k dispozici výkonný zdroj vysokého napětí, jednak musí mít urychlovací trubice velkou délku. Výborným nápadem proto bylo zakřivení dráhy urychlovaných částic magnetickým polem. Vznikly kruhové urychlovače, které mají poměrně malé rozměry. Částice jsou v nich urychlovány mnohonásobně opakovaným průchodem mezi elektrodami s relativně malým urychlovacím napětím. Podobným způsobem roste energie pasažérů na rozjíždějícím se řetízkovém kolotoči. Při každé jeho otočce se pohybují větší rychlostí a vzdalují se od osy otáčení. Současné velké urychlovače kombinují výhody urychlovačů lineárních (první fáze) a kruhových (dosažení velkých výsledných energií).
První kruhový urychlovač - cyklotron - zkonstruoval v roce 1930 americký fyzik E. O. Lawrence. Byl to malý přístroj s průměrem asi 10 cm (levý obr.), kterým se podařilo udělit protonům energii 80 keV. Vývoj postupoval rychle dopředu a už za dva roky byl uveden do provozu cyklotron o průměru 70 cm, protony v něm získaly energii 1,2 MeV (prostřední obr.). Dnes se cyklotrony různých velikostí a výkonů používají k výzkumným účelům nebo k přípravě radionuklidů pro potřeby průmyslu, medicíny a dalších oborů.
První cyklotron |
Lawrence u cyklotronu |
Moderní malý cyklotron |
Konstrukce cyklotronu má tři hlavní části: urychlovací komoru, elektromagnet a zdroj urychlovacího napětí. Komora se skládá ze dvou dutých elektrod, nazývaných duanty (anglicky „dee“). V komoře je vákuum a uprostřed je zdroj iontů, které mají být urychlovány. Duanty jsou umístěny v magnetickém poli silného elektromagnetu a připojeny ke generátoru G vysokofrekvenčního urychlovacího napětí.
Urychlování: Ze zdroje iontů vylétne částice (např. kladná). Je přitahována k tomu duantu, který je právě připojen k zápornému napětí. Působením magnetického pole se uvnitř duantu pohybuje po půlkružnici o malém poloměru. V okamžiku, kdy duant opouští, změní se polarita napětí a záporné napětí je nyní na druhém duantu. Částice je v mezeře urychlena, vnikne do druhého duantu a pohybuje se v něm po půlkružnici o větším poloměru. Tento děj se stále opakuje: v mezeře mezi duanty získává částice stále větší rychlost, uvnitř duantů se pohybuje po půlkružnicích se stále větším poloměrem. Její dráha se podobá spirále. Ve vhodném okamžiku je částice elektrickým polem odchýlena směrem k terčíku, kde dojde k jaderné reakci.
Částice je urychlovaná elektrickým polem v mezeře mezi duanty |
Hlavní části cyklotronu |
V cyklotronu je frekvence střídavého napětí konstantní a částice se pohybuje po spirálové dráze. Při velkých rychlostech částic se však začnou projevovat relativistické efekty - hmotnost částice roste. V cyklotronu by se začala opožďovat za změnami napětí na duantech a urychlování by se přerušilo. Synchrotron je kruhový urychlovač, ve kterém se částice pohybuje po kruhové dráze a je urychlována při každém průchodu mezi urychlovacími elektrodami. Frekvence urychlovacího napětí není stálá, ale mění se podle toho, jak roste relativistická hmotnost urychlené částice. První synchrotron byl uveden do provozu roku 1952 v Brookhavenu (New York, USA).
V synchrotronech a dalších typech kruhových urychlovačů mohou získat částice obrovskou energii. Současné nejvýkonnější urychlovače udělují částicím energii až 1012 elektronvoltů a částice přitom mohou získat rychlosti, které se těsně blíží rychlosti světla!
Tevatron ve Fermiho národní urychlovačové laboratoři (USA) |
|
|
