מאיץ חלקיקים

מאיץ חלקיקים הוא מתקן המגביר את מהירותם של חלקיקים על ידי העברתם בשדות חשמליים ומגנטיים. הגברת המהירות שקולה למתן אנרגיה קינטית גבוהה לחלקיקים, המאפשרת ביצוע ניסויים פיזיקליים מגוונים.

Thumb — מאיץ החלקיקים על שם קופלר במכון ויצמן למדע, בתכנון האדריכל משה הראל

מדענים משתמשים בחלק ממאיצי החלקיקים כדי לגרום להתנגשות של חלקיקים נעים במטרה נייחת או בחלקיקים נעים אחרים. את ההתנגשות מכוונים כך שתתרחש באזור של גלאי חלקיקים המאפשרים מעקב מתועד אחר תוצרי ההתנגשות. לימוד ועיבוד המידע הנאסף בגלאים מאפשר לפענח ולהבין את תכונותיהם של החלקיקים המרכיבים את החומר ביקום ואת הכוחות שמועברים ביניהם. אנרגיית התנגשות גבוהה יותר מאפשרת הצצה עמוקה יותר למבנה החומר וכוחות היסוד. בין השאר התגלו באמצעות מאיץ חלקיקים בוזוני W ו-Z והיסודות קליפורניום, מנדלביום, ניהוניום, מוסקוביום, טנסין ואוגנסון.

מאיצי החלקיקים הגדולים בנויים בצורת טבעת גדולה של אלקטרומגנטים. בעזרת שליטה על הזרם ניתן לשלוט בשדות האלקטרומגנטיים. השדה המגנטי בתורו מכוון את החלקיקים הטעונים. בנוסף שדה חשמלי חזק מאיץ את החלקיקים למהירויות גבוהות.

מאיצי חלקיקים גדולים קיימים במרכז המחקר CERN שעל גבול שווייץ-צרפת (מרכז המחקר האירופי לפיזיקת חלקיקים), ובארצות הברית – פרמילאב. היקף הטבעת הגדולה ביותר במאיץ LHC ב-CERN הוא כ-27 קילומטר. צריכת החשמל של המאיץ כה גדולה עד כי הפעלתו מוגבלת לחודשי הקיץ. מתוכננים מאיצים גדולים יותר שיוכלו להאיץ חלקיקים למהירויות גדולות יותר על מנת לגלות את צפונות החומר.

תותח אלקטרונים הוא מאיץ חלקיקים קווי – אלקטרונים מואצים דרכו בהשפעת מתח חשמלי. תותח אלקטרונים הוא מרכיב בשפופרת קרן קתודית שהייתה בשימוש נרחב בטלוויזיות ובצגי מחשב עד תחילת המאה ה-21.

שימושים אחרים של מאיצי חלקיקים

כאשר חלקיק טעון כגון אלקטרון נע במעגל (כלומר מאיץ צנטריפטלית), נפלטת קרינה אלקטרומגנטית המכונה קרינת סינכרוטרון. בקרינה זאת ניתן להשתמש לצורך ניסויים שונים. בשנים האחרונות נבנו מספר מאיצי אלקטרונים שלא על מנת לחקור חלקיקים אלמנטריים^[1], אלא כדי לייצר קרינת רנטגן בהירה ומרוכזת המשמשת ברפואה, ביטחון, ולניסויים שונים בפיזיקה של חומרים, בכימיה, בביולוגיה מולקולרית, הנדסת חומרים, ועוד.

התקן נסיוני נוסף הנקרא לייזר אלקטרונים חופשיים (FEL) עושה שימוש באלקטרונים המואצים כתווך מעורר ללייזר. ההתקן, המתבסס על אפקט קומפטון, מאפשר הפקת קרינה קוהרנטית ומרוכזת באורך גל הניתן לשינוי. זאת להבדיל מקרינת סינכרוטרון, שאינה קוהרנטית.

מאיצי חלקיקים משמשים גם כספקטרומטר מסות.

היסטוריה

עד שנות השלושים הייתה הקרינה הקוסמית המקור היחיד לחלקיקים חדשים. החלקיקים הקוסמיים אנרגטיים מאוד ובעלי יכולות מעולות לניפוץ נוקלאונים וליצירת חלקיקים חדשים - בהם הפיזיקאים מבצעים ניסויים רבים. עד לאותה עת הדרך היחידה לבצע ניסויים בחלקיקים כאלו הייתה על ידי שיגור אמצעי מדידה, לרוב בדמות סרטי צילום, אל האטמוספירה. החסרון העיקרי בשיטה זו היא שאין למבצעי הניסוי שליטה על תנאיו ולעיתים היה צריך להמתין ארוכות ולעבור על פני מאות ואלפי צילומים כדי לבדוק אם הם מכילים במקרה את המידע הדרוש. לכן שאפו הפיזיקאים לחקות במעבדה את התהליכים הנוצרים על ידי החלקיקים הקוסמיים הראשונים, מה שהוביל אותם להאיץ חלקיקים טעונים - פרוטונים ואלקטרונים - למהירויות גבוהות, שכן ההאצה מקנה אנרגיה לחלקיק.

תפנית חלה בשנים 1928-1932 אז החלו בבניית מאיץ החלקיקים הראשון במעבדתו של ארנסט רתרפורד באוניברסיטת קיימברידג'. במאיץ הראשון היה שנאי גדול ומיישר זרם, אשר יצרו מתח של מאות אלפי וולטים בין שתי אלקטרודות, שאחת הקיפה את השנייה. מתוך האלקטרודה הפנימית שוחררו פרוטונים, שנוצרו באמצעות יינון של אטומי מימן, ונפלטו דרך חור באלקטרודה החיצונית באנרגיה של עד חצי MeV (מיליון אלקטרון-וולט). היסוד הראשון שנופץ בידי פרוטונים אלה היה ליתיום, שגרעינו נופץ במפגש ונוצרו 2 גרעיני הליום.

נקודת מפנה בהתפתחות המאיצים נזקפת לאורלנדו לורנס, אשר המציא ב-1931, יחד עם לוינגסטון^[2], את המאיץ המכונה ציקלוטרון (מהמלה היוונית ציקלוס, שפרושה מעגל).

הציקלוטרון הכיל מסלול מעגלי, מוקף אלקטרו-מגנטים. חלקיקים הואצו בהשפעת השדה החשמלי והמגנטי. הציקלוטרון הראשון היה בקוטר של כ-4.5 אינץ' (כ-11.5 ס"מ), עם מתח של 1800 וולט והאיץ יוני מימן ל 80KeV^[2]. כבר ב-1932 בנה לורנץ מאיץ חלקיקם גדול יותר (כ-70) ס"מ ואנרגיה של 4.8 MeV. בהמשך נבנו מאיצים גדולים וכבדים הרבה יותר ופתחו תקופה חדשה בחקר החלקיקים. ייחודו של המבנה המעגלי הוא באפשרות להאיץ חלקיקים למהירויות גבוהות תוך השקעה כספית נמוכה יחסית.

דרך פעולה

העיקרון שעליו מבוססת פעולת המאיץ, הוא אותו עקרון שבעזרתו מואצים אלקטרונים בשפופרת קרן קתודית. בין שני גופי מתכת, אלקטרודות, הטעונים במטענים חשמליים מנוגדים, שורר שדה-חשמלי. על חלקיק הנמצא בשדה, בין 2 האלקטרודות, פועל כוח (אם מטען החלקיק חיובי, הכוח הפועל הוא בכיוון השדה ואם מטען החלקיק שלילי – הפוך). כוח זה גורם לתאוצה של החלקיק, כלומר לגידול מתמיד של מהירותו. עוצמת השדה החשמלי שווה למתח החשמלי שבין האלקטרודות חלקי המרחק שביניהן. הכוח הפועל על החלקיק שווה למכפלה של הכוח שפועל עליו, במרחק שהחלקיק עובר בהשפעת הכוח.

את האנרגיה הקינטית של החלקיק מודדים ב־eV (אלקטרון-וולט= $1.6\times 10^{12}$ ארג). א"ו אחד היא האנרגיה שרוכש חלקיק שמטענו שווה למטען היסודי כאשר הוא מואץ במתח של וולט אחד.

נדמה, אם כך, שהדרך הפשוטה להשיג אנרגיה יותר גבוהה היא בעזרת הגדלת המתח החשמלי במאיץ. אך יש גבול למתח הסטטי שניתן לקיים בין אלקטרודות.

כאשר המתח גדול מספיק מתחולל תהליך המכונה פריצה. המטען החשמלי עובר מאלקטרודה אחת לשנייה תוך יצירת ברק, או שהוא עובר דרך חומרי הבידוד ומתארק לאדמה. בעזרת שיפורים בחומרי הבידוד ותכנון מוקפד ניתן לייצר מתח סטטי בסדר גודל של כמה מיליוני וולטים אך זה עדיין לא מספיק. ניתן להתגבר על מגבלה זו בעזרת שימוש במאיץ מעגלי. במקום לייצר מתח סטטי אדיר אחד, שנותן האצה ב"דחיפה" אחת לחלקיק, מעבירים את החלקיק במסלול מעגלי מספר רב של פעמים שכל פעם הוא מקבל "דחיפות" קטנות ומהירותו עולה בהדרגה. גם במאיץ מעגלי ישנם בעיות שמהנדסי המאיצים נאלצים להתגבר עליהן.

אחת הבעיות היא הפסדי אנרגיה בגלל הקרינה האלקטרומגנטית שפולט חלקיק טעון חשמל הנע בתאוצה. תנועה במסלול מעגלי, אפילו במהירות קבועה, היא תנועה מואצת משום שכיוון המהירות משתנה בלי הרף (תאוצה צנטריפטלית). כאשר החלקיקים הטעונים נעים במהירות גבוהה במסלולם המעגלי הם פולטים אנרגיה אלקטרומגנטית רבה ולכן מפסידים אנרגיה קינטית. על עניין זה מתגברים באמצעות הגדלת קוטר המאיץ. ככל שהקוטר גדול יותר ככה עיקום המסלול קטן יותר.

מבנה המאיץ

מאיצי חלקיקים מתחלקים לשתי קבוצות: מאיצים קווים ומאיצים מעגליים.

מאיץ קווי

במאיץ קווי (באנגלית Linac = Linear accelarator) החלקיק עובר את כל שלבי המאיץ פעם אחת.

עקב הבדלי המסה והבדלים נוספים בין אלקטרונים לפרוטונים, מאיצי אלקטרונים שונים באופן פעולתם ובמרכיביהם במקצת ממאיצי פרוטונים, אך לשניהם אופן פעולה ומבנה דומה. החלקיק יוצא ממאיץ התחלתי מקדים, המהווה מקור לחלקיק, הכולל סליל חימום, ובו מתח סטטי של כמיליון וולטים (כאמור, המאיץ ההתחלתי שונה במקרה בו רוצים להאיץ אלקטרונים או פרוטונים). מהמקור החלקיקים עוברים דרך כמה צינורות מתכת גליליים המחוברים למקור מתח חילופין. מתח החילופין בין הצינורות מופעל בתדירות כזו, שכאשר אלומת החלקיקים נמצאת בתוך צינור חיובי, כיוון המתח מתחלף, והצינור הבא הופך משלילי לחיובי. כך האלקטרונים נעים קדימה כל זמן שהם נמצאים בין 2 צינורות. בין הצינורות שורר ריק על מנת שהחלקיקים המואצים לא יפסידו אנרגיה בהתנגשות עם מולקולות האוויר. בסיום המסלול החלקיקים המואצים מגיעים לגלאים, מכשירי מדידה, התנגשות עם חלקיקים אחרים/מטרה נייחת או מועברים למאיץ נוסף, בדרך כלל מעגלי. מאיץ קווי מודרני מכיל אלפי צינורות האצה ואורכו יכול להגיע למאות מטרים ואף לקילומטרים.

בשנת 2013 בוצע ניסוי שדה-שובל מתקדם לבחינת בניית מאיץ קווי חדש.

מאיץ מעגלי

מאיץ מעגלי בנוי בצורת טבעת. מחוץ לטבעת המאיץ מותקנים אלקטרומגנטים היוצרים בתוך הטבעת שדה-מגנטי. השדה-המגנטי לא משפיע על מהירות החלקיקים אלא רק על כיוון תנועתם. כאשר חלקיק טעון נע בתוך שדה-מגנטי פועל עליו כוח הניצב לכיוון תנועתו. כיוון השדה-המגנטי המאיץ מעגלי ניצב למישור הטבעת, והכוח שהוא מפעיל על החלקיק הטעון מכריח אותו לנוע במסלול המעגלי. החלקיקים המואצים עוברים תחילה האצה ראשונית במאיץ קווי, לאחר מכן הם נכנסים למאיץ המעגלי ועוברים את המאיץ פעמים רבות והאנרגיה הקינטית שלהם גדלה מסיבוב לסיבוב. ככל שהאנרגיה של החלקיק גדולה יותר, דרוש שדה-מגנטי חזק יותר כדי שהחלקיקים ימשיכו לנוע באותו מסלול מעגלי, לכן מגדילים את עוצמת השדה-המגנטי במקביל לגידול באנרגיית החלקיקים. כאשר החלקיקים מגיעים לאנרגיה המרבית שלהם, מופעל עליהם באזור מסוים של המאיץ שדה-מגנטי נוסף המכוון אותם החוצה מן הטבעת אל מסלולים בהם מתבצעים ניסויים על ידי התנגשות עם חלקיקים אחרים או מטרה נייחת. מאיץ מעגלי כזה, שבו רדיוס המסלול קבוע והשדה-המגנטי משתנה נקרא בשם סינכרוטרון.

בישראל

בשנים 1976–2010 פעל במכון ויצמן למדע המאיץ ע"ש קופלר, במגדל שהפך לסימן היכר אדריכלי של המכון^[3]. מאיץ זה הוא מאיץ יונים קווי, שממוקם במגדל. בראש המגדל ממוקם מקור יונים. היונים שהוא מספק מואצים בתוך צינור אופקי על ידי שדה חשמלי חזק. בצינור זה, כמו בשאר הצינור דרכו עוברת קרן היונים, ממוקמות מספר עדשות מגנטיות, מערבלים ומתקני מדידה, לצורך שליטה ובקרה על מיקוד הקרן. שליטה זו מנוהלת מחדר הבקרה. בתחילת המאיץ מסיטים את קרן החלקיקים כלפי מטה על ידי שדה מגנטי חזק ("Injection Magnet"), ובוררים בעזרתו את מסת היונים שימשיכו. במרכז המגדל, מייצרים מטען חשמלי חיובי חזק (על ידי שרשרת נטענת, בדומה למחולל ואן-דה-גראף), אליו נמשכים היונים השליליים. בטרמינל, במרכז צינור, מצוי גם מפשיט יונים - מתקן שבעזרת רדיד מתכתי, או אטומי גז, "מפשיט" את היונים מהאלקטרונים, והופך אותם ליונים חיוביים. כעת משהם חיוביים הם נדחים ממרכז המגדל כלפי מטה, וממשיכים להאיץ כתוצאה מהכוח החשמלי החזק. בתחתית המגדל ישנו מגנט נוסף, מגנט אנליזה, בעזרתו בוררים את היונים הרצויים (בעלי מספר האלקטרונים המבוקש). היונים ממשיכים בצינור ואקום עד לחדר המטרה, בו הם מוקרנים לצורכי הניסוי שנערך. האנרגיה שהמאיץ מעניק ליונים בעלי מטען חשמלי של אלקטרון אחד היא עד 28 MeV, והיונים מואצים בו למהירויות של אחוזים בודדים ממהירות האור.

במרכז למחקר גרעיני שורק פועל מאיץ החלקיקים הקווי שרף (Soreq Applied Research Accelerator Facility). שרף מסוגל להאיץ פרוטונים ודאוטרונים לאנרגיות של עד 4 MeV. בנוסף למחקר בסיסי, יינתנו בו שירותי רדיוגרפיה ודיפרקציה של נייטרונים ויפותחו בו שיטות לייצור איזוטופים לשימושים רפואיים^[4].

מתקן לייזר אלקטרונים חופשיים (FEL) נסיוני ממוקם באוניברסיטת אריאל^[5].

במרכז חמד"ע קיים מאיץ חלקיקים אך הוא קטן יחסית ובשימוש לעיתים רחוקות.

מאיצי חלקיקים זעירים

האפשרות שמאיץ החלקיקים יהיה נייד, קטן, זול וזמין תנגיש אותו למגוון שימושים וקהילות שכרגע רואים בו טכנולוגיה שאינה בת השגה, לדוגמה: מפעלים קטנים, קהילות עניות, ומדינות עולם שלישי.