AGOR cyclotron

AGOR
Uitgave 10/2004
Deeltjes versnellen met het
AGOR cyclotron
Deeltjesbanen in het cyclotron
Dwarsdoorsnede
Het versnelsysteem
De deeltjes cirkelen zeer snel rond in het magneetveld, met een
frequentie tussen 24 en 62 MHz. (1 MHz is 60 000 000 toeren per
minuut). ledere keer als het deeltje over de elektrode heen gaat,
moet het aangetrokken (versneld) worden. Daarom werken we met
een wisselspanning van precies dezelfde frequentie. De spanning
tussen de elektroden kan oplopen tot 100000 volt (100 kV).
De wisselspanning wordt opgewekt in een resonator, die als een
schuiftrompet op de juiste frequentie (toonhoogte) afgestemd kan
worden. De energie die nodig is om de RF spanning op te wekken
wordt geleverd door een versterker die erg lijkt op de apparatuur die
voor bijv. FM-radiozenders gebruikt worden.
Meer informatie is te vinden op onze website:
http://ww w.kvi.nl/~agorcalc/agorhome.htm
Versnellen
Om iets te versnellen is een kracht nodig. Zo kun je een deeltje laten
vallen, de zwaartekracht zorgt er dan voor dat het steeds sneller gaat
vallen. Als de deeltjes geladen zijn, is het gemakkelijker om de
elektrische kracht te gebruiken, omdat die veel sterker is dan de
zwaartekracht. Je kunt een geladen deeltje (ion) versnellen door het
een spanningsverschil van enkele tien-duizenden Volts te laten
doorlopen.
Toch is de energie die je zo in een deeltje kan stoppen nog vrij laag.
Om een hogere energie te krijgen zet men in een lineaire versneller
een groot aantal van deze elektrische versnelkamers achter elkaar .
Met het aantal versnelelementen stijgt ook de eindsnelheid, maar het
apparaat wordt al gauw enorm lang: de langste versnellers zijn zo’n
4.5 km lang.
Met behulp van een magnetisch veld kunnen geladen deeltjes in een
cirkelvormige baan gehouden worden, zodat je een lineaire
versneller als het ware kunt “oprollen”. Verreweg de meeste
versnellers maken op de een of andere manier gebruik van dit
principe, van de kleine cyclotrons zoals die bijvoorbeeld in het AZG
gebruikt worden voor medisch onderzoek tot de enorme versneller
LHC met een omtrek van 27 km die bij CERN in Genève gebouwd
wordt.
Het cyclotron
De magnetische kracht buigt een geladen deeltje af, zodat het een
cirkelbaan gaat maken. De straal van de cirkelbaan neemt toe met
de snelheid van een deeltje.
De deeltjes komen binnen in het midden van de machine en gaan
rondjes draaien. Elke keer als ze over de versnelelektrode komen
wordt hun snelheid groter, waardoor ze een grotere cirkelbaan gaan
beschrijven.
Het resultaat is dat de baan van de deeltjes in de machine
spiraalvormig wordt; afhankelijk van de lading en het gewicht van het
deeltje maakt het 200 tot 500 omwentelingen voordat het uit de
machine schiet, geholpen door elektrische en magnetische
afbuigelementen.
De afgelegde weg is dan een paar kilometer lang, door het
magneetveld wordt dat pad keurig opgerold zodat het hele apparaat
in een klein rijtjeshuis zou passen.
Hoe snel is snel?
In het dagelijkse leven meten wij snelheid in kilometers per uur. De
experimenten die met AGOR gedaan worden kijken naar de uitkomst
van botsingen, en dan geeft snelheid niet voldoende informatie. Het
maakt uit of er een fietser met 20 km/h tegen je aan botst of een
truck met oplegger: het gewicht is ook belangrijk. Daarom kijken
natuurkundigen liever naar de bewegingsenergie, die deze beide
grootheden combineert.
De bewegingsenergie van een knikker die met 3 centimeter per uur
over een tafel rolt is niet erg groot, maar stoppen we al deze energie
(200 MeV) in een piepklein (en licht) deeltje, bijvoorbeeld een
waterstofatoom, dan krijgt deze een fantastische snelheid, 0.6 maal
de lichtsnelheid, dus 175000 km/s (630 miljoen kilometer per uur).
Het is niet moeilijk om een voorwerp een bepaalde energie te geven
(als je rustig fietst heb je al een paar miljard maal meer
bewegingsenergie dan de grootste deeltjesversnellers op aarde
kunnen maken), de kunst is om al die energie in één (atomair) deeltje
te stoppen.
De magneet
Het magneetveld wordt gemaakt door twee paren spoelen,
symmetrisch geplaatst boven en onder het vlak waarin de deeltjes
rondcirkelen. Vanwege het hoge magneetveld is veel stroom nodig
(tot 1800 ampère), zodat spoelen van koperdraad niet gebruikt
kunnen worden, omdat er teveel warmte zou vrijkomen door de
elektrische weerstand.
Daarom zijn de spoelen van supergeleidend metaal, een legering van
niobium en titaan, gemaakt. Ze worden met vloeibaar helium op een
temperatuur van −269°C (4K) gehouden. Een supergeleider heeft
geen elektrische weerstand, dus er komt geen warmte vrij.