تحقیق و توسعه در ساخت شتاب دهنده‌های توسعه یافته



 تحقیق و توسعه در ساخت شتاب دهنده‌های توسعه یافته

 

مترجم: زهرا هدایت منش
منبع:راسخون
 
در برخورد ذرات با انرژی‌های خیلی بالا، دو اثر تولید دردسر می‌کند. اول اینکه در انرژی‌های بالا، انرژی مؤثر مرکز جرم در برخورد ذره فرودی به هدف ساکن فقط متناسب با ریشه دوم انرژی ذره فرودی افزایش می‌یابد. ثانیاً در مسیرهای دایروی اتلاف انرژی به علت تابش سنکروترونی فوق العاده زیاد است. بنابراین برای شتاب دادن ذرات به انرژی‌های خیلی بالا ناگزیر باید آن‌ها را در شتاب دهنده‌های خطی شتاب داد و همچنین برای حصول به انرژی‌های مؤثر بالا باید از برخورد رودرروی دو باریکه پر انرژی ذرات استفاده کرد. چنین آرایه‌ای برخورد دهنده خطی نامیده می‌شود.
اتلاف انرژی تابش سنکروترونی برای پروتون‎‌ها بسیار کمتر است تا برای الکترون‌ها. بنابراین هنوز هم طرح برخورد دهنده دایروی TeV20 به TeV20 پروتون – پروتون، یعنی ابر برخورد دهنده ابر رسانا (SSC) یک طرح عملی است، در حالی که برخورد دهنده دایروی بزرگ الکترون پوزیترون (LEP) که در CERN ساخته می‌شود به طور معقول فقط می‌تواند تا GeV100 به GeV100 توسعه بیابد. به علاوه، با استفاده از تکنولوژی مغناطیس ابر رسانا، امکان دستیابی به شدت مغناطیسی بیشتر و توان (الکتریکی) مصرفی کمتر در SSC فراهم شده است. معهذا، احتمالاً این برخورد دهنده‌ها پر انرژی‌ترین ماشین در نوع خود خواهند بود. بر طبق برنامه تنظیم شده قرار است LEP در سال ۱۹۸۹ در انرژی GeV50 به GeV50 به کار بیفتد. کلیات طرح SSC در اوایل ۱۹۸۶ کامل شد و مورد تأیید وزارت انرژی آمریکا قرار گرفت. تأمین مخارج SSC که ۳ تا ۴ میلیارد دلار برآورد شده، هنوز به تصویب دولت آمریکا نرسیده است.
ورای این ماشین‌ها، از این پس، دور دور برخورد دهنده‌های خطی خواهد بود. یک برخورد دهنده خطی اصلاح شده، یعنی SLC که الکترون‌ها و پوزیترون‌هایی را که همزمان در شتاب دهنده خطی SLAC شتاب یافته‌اند به هم برخورد می‌دهد، در مرحله نهایی ساختمان است و قرار است که در سال ۱۹۸۷ به کار بیفتد. دسته‌های e^+ و e^- که با انرژی GeV50 از شتابدهنده خطی خارج می‌شوند به وسیله مغناطیسها به دو قوس بزرگ انتقال می‌یابند و سپس به طور رودررو به هم می‌خورند. برخورد دهنده خطی در شکل کلی‌اش دو شتاب دهنده خطی رودروی هم خواهد داشت و باریکه‌های ذرات شتاب یافته در نقطه وسط این شتاب دهنده‌های خطی با هم برخورد خواهند کرد. دربایست‌ها روشن است: میدان شتاب در شتاب‌دهنده خطی باید به حد کافی قوی باشد تا طول دستگاه از حد معقول بیشتر نباشد؛ کارایی انتقال توان از منبع تغذیه به باریکه ذرات باید، به قدر معقولی بالا باشد، و جریان‌های باریکه باید زیاد باشد و باید بتوان باریکه را در نقطه برخورد تا ابعاد بسیار کوچکی کانونی کرد تا درخشندگی مفید (آهنگ برخورد ذرات) بالایی حاصل شود. با بالا رفتن انرژی، مقطع مؤثر برخورد با مجذور انرژی کاهش می‌یابد. در برخورد هادرون‌ها انرژی میان کوارک‌ها و گلوئون‌های تشکیل دهنده آن تقسیم می‌شود. علاوه بر این، مقطع مؤثر تابع شدیداً کاهش یابنده‌ای از نسبت انتقال اندازه حرکت به انرژی برخورد است. بنابراین لازمه حصول به حداقل آهنگ‌های مشاهده پذیر در برخوردهای شدید کوارک یا گلوئون درخشندگی بسیار زیاد یا انرژی فوق العاده بالاست.
برای برآوردن این دربایست‌ها در برخورد دهنده‌های خطی آینده، چندین برنامه نسبتاً جسورانه و دوراندیشانه تحقیقاتی، دنبال می‌شوند، اگرچه هزینه و نیروی انسانی زیادی صرف آن‌ها نمی‌شود. اکثر ابداعات به ساختارهای شتاب دهی مناسب برای منابع تغذیه مربوط می‌شود. برای به دست آوردن چگالی توان بالا (در نتیجه میدان شتاب دهی قوی) و حد شکست الکتریکی بالا، باید از بسامدهای بالا یا تپ‌های کوتاه استفاده کرد. بسامدهایی از ده‌ها GHz تا Hz1014 (امواج میکرومتری لیزر) در نظر گرفته شده‌اند. مثلاً گروه برکلی – لیورمور در نظر دارد از لیزر الکترون آزاد استفاده کند، که یک منبع طول موج سانتی متری است. ساختار شتابدهی برای این امواج سانتی متری عبارت است از یک موج‌بر مینیاتوری با روزنه متغیر، که شبیه به ساختار شتاب دهنده خطی SLAC است. منبع تغذیه میکروموج لیزر الکترون آزاد (FEL) در این TBA (شتاب دهنده دو باریکه‌ای) هم اکنون به کار افتاده است و کل دستگاه قرار است در ۱۹۸۷ آماده باشد. انتظار می‌رود شدت میدان‌های شتابدهی تا صدها m/MV باشد.
لیزرهای شیشه‌ای، لیزرهای گازی، و لیزرهای اکسیمری با توان بالا قابل وصول‌اند. پیشرفت اصیلی که در این مورد باید صورت بگیرد، دستیابی به آهنگ تکرار بالاست که برای درخشندگی بالای باریکه برخورد کننده لازم است. ساختارهایی که برای شتابدهی طول موج μm ی پیشنهاد شده‌اند ساختارهای تشدید باز با Qی کم‌اند که صرفاً با تابانیدن باریکه لیزر در راستای مناسب برانگیخته می‌شوند. این ساختارهای باز می‌توانند به شکل‌های متنوعی از قبیل توری، ردیف‌هایی از برجستگی‌های میکرومتری، و جریان‌هایی از قطرات میکرومتری باشند. اگر این ساختارها از مواد فیزیکی ساخته شده باشند، هنگامی که توسط لیزر توان بالا گرم می‌شوند، تبخیر خواهند شد و به صورت پلاسما درخواهند آمد، ولی همبستگی شان را برای مدت چند نانو ثانیه حفظ خواهند کرد تا در نزدیک سطح میدان‌های شتابدهی خیلی قوی حاصل شود. از برآوردهای نظری، میدانی از مرتبه ۱ تا ۱۰ m/GV به دست می‌آید.
ساختارهای شتابدهی میکرومتری می‌توانند در پلاسما نیز تشکیل شوند. لذا از این میدان‌های قوی موجود در پلاسما می‌توان برای شتاب دادن ذرات استفاده کرد. نوید بخش ترین طرح از این نوع، شتاب‌دهنده موج زنش پلاسماست که فعلاً به طور آزمایشی در UCLA و در INRS در کانادا بررسی می‌شود. در این طرح یک موج پلاسما به طور تشدیدی در اثر پراکندگی رامان با دو باریکه فرودی لیزر که بسامد آن‌ها اندکی با هم متفاوت است برانگیخته می‌شود به گونه‌ای که بسامد زنش آن‌ها مساوی بسامد نوسان پلاسما باشد. موج پلاسما قبل از خراب شدن در اثر ناپایداری‌ها و اثرات غیر خطی، همدوسی خود را به مدت دهها نوسان حفظ می‌کند. میدان در موج بسیار چگال پلاسما، که به شدت مدوله شده است می‌تواند چندین m/GV باشد. میدان‌هایی به بزرگی m/GV1 اندازه‌گیری شده‌اند و الکترون‌ها در طی mm5ر۱ تا حدود MeV5ر۱ شتاب گرفته‌اند.
بدون هیچ ساختار شتابدهی، باریکه لیزری با موج تخت می‌تواند ذرات را در حالی که از یک موج ساز می‌گذرند در صفحه عرضی شتاب بدهد. بدین ترتیب، این شتاب دهنده یک شتاب دهنده لیزر الکترون آزاد معکوس (IFEL)- است. آهنگ شتاب محدود و فقط چند صد m/MeV است، و بالاترین انرژی قابل وصول چند صد GeV است که به علت اتلاف شدیداً فزاینده تابش سنکروترونی ذرات باردار لرزان، محدود می‌شود.
یک چشمه دیگر برای میدان شتابدهی، میدان القایی است که توسط باریکه متراکمی که یا در موجبر و یا در پلاسما انتشار می‌یابد، تولید می‌شود. طرح این آرایه باید چنان باشد که میدان از باریکه تغذیه توان (سیم پیچ اولیه) به باریکه شتاب یافته (سیم پیچ ثانویه) تقویت شود (نسبت تبدیل). بر طبق یک قضیه سرراست، در آرایه ساده‌ای که در آن هر دو دسته باریکه کوتاه باشند و در طول مدار یکسانی حرکت کنند، بیشترین انرژیی که پرتو شتاب یافته می‌تواند دریافت کند فقط دو برابر انرژی پرتو منبع تغذیه است. یک ساختار پیچیده باریکه – موجبر که نسبت تبدیل آن حدود ۱۰ است با مشارکت DESY و لوس آلاموس در حال آزمایش است.
اینها همه آینده نگری است، ولی امید آینده فیزیک انرژی بالا در درازمدت به همین چیزها بستگی دارد.

 



لینک منبع

اشتراک گذاری مطلب

انتشار مطالب با ذکر منبع مجاز می باشد.