Deeltjesversneller

Een deeltjesversneller is een apparaat waarin geladen deeltjes, zoals elementaire deeltjes, elektronen, baryonen, maar ook zwaardere atoomkernen, tot hoge energieniveaus gebracht worden door ze te versnellen tot snelheden in de buurt van de lichtsnelheid. Dit versnellen gebeurt met behulp van sterke elektrische velden. Voor het sturen van de richting waarin de deeltjesbundel gaat, worden vooral magnetische velden toegepast. Magnetische velden kunnen, door middel van de lorentzkracht, alleen de richting en niet de grootte van de deeltjessnelheid veranderen.

Tevatron van het Fermilab met de hoofdring en hoofdinjector. De ringvormige vijvers voeren de overtollige warmte van de installatie af.

Waarom heb je een tunnel van 27 kilometer nodig om het allerkleinste te zien? - Universiteit van Nederland

Men zou de kathodestraalbuis, zoals gebruikt in de inmiddels klassieke televisietoestellen kunnen opvatten als een deeltjesversneller, met energieniveaus van ongeveer 30 keV. Hetzelfde geldt voor apparaten voor het opwekken van röntgenstraling. Voor het produceren van radionucliden voor medisch gebruik kan de deeltjesversneller een goed alternatief zijn voor de nucleaire methode, die een kernreactor als neutronenbron gebruikt maar een grotere belasting geeft voor het milieu.

Er worden om de kleinste bouwstenen van de materie te bestuderen zeer grote deeltjesversnellers gebruikt. Er valt daarbij een onderscheid te maken tussen lineaire versnellers en magnetische versnellers. Bij de laatste worden de deeltjes door de lorentzkracht van een sterk magnetisch veld in een cirkelvormige baan gedwongen. Er wordt bij de magnetische versnellers weer tussen verschillende modellen onderscheid gemaakt. Er zijn het cyclotron, betatron en synchrotron.

Het cyclotron is ontworpen door Ernest Lawrence in 1929. Hij gebruikte het cyclotron voor experimenten met deeltjes van 1 MeV. Het eerste cyclotron had een diameter van maar 10 cm. Het betatron is uitgevonden door D.W. Kerst in 1940. Het verschil met het cyclotron is dat het betatron gebruikmaakt van stijgende magnetische flux om de deeltjes te versnellen. Synchrotrons zijn cirkelvormige deeltjesversnellers met diameters tot enkele kilometers. Hiermee kunnen zeer hoge energieniveaus bereikt worden. Voorbeelden hiervan zijn de Large Hadron Collider van het CERN-laboratorium en de Tevatron-versneller van het Fermilab.

Kleinere synchrotrons worden ook gebruikt voor het opwekken van synchrotronstraling, om zeer intense bundels van elektromagnetische straling, vaak UV of röntgen, op te wekken voor bijvoorbeeld materiaalonderzoek. De versnelde deeltjes, die door een cyclotron worden geproduceerd, wordt ook gebruikt om kankerpatiënten mee te bestralen.