het AGOR cyclotron

AGOR Uitgave 12/2009
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/
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 UMCG gebruikt worden voor medisch
onderzoek tot de enorme versneller LHC met een omtrek van
27 km die bij CERN in Genève is gebouwd.
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.