เครื่องเร่งอนุภาค (2)

ส่วนประกอบภายในเครื่องเร่งอนุภาค ( Inside a Particle Accelerator)

เครื่องเร่งอนุภาคทุกชนิดไม่ว่าแบบเชิงเส้นหรือแบบวงกลม มีส่วนประกอบหลักดังนี้

  • ต้นกำเนิดอนุภาค (Particle source) ทำหน้าที่ป้อนอนุภาคให้แก่เครื่องเร่ง
  • ท่อทองแดง (Copper tube) ลำอนุภาคจะเคลื่อนที่ไปในท่อสุญญากาศนี้
  • เครื่องผลิตคลื่นไมโครเวฟ (microwave generators) หรือ Klystrons สำหรับเป็นคลื่นที่ใช้พาให้อนุภาคเคลื่อนที่ไป
  • ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnets) แบบ conventional หรือ superconducting ใช้บีบลำอนุภาคให้เป็นลำแคบๆ หรือใช้บังคับทิศทางขณะที่อนุภาคเคลื่อนที่ไปในสุญญากาศ
  • เป้า (Targets) เป็นสิ่งที่กำหนดให้อนุภาคเคลื่อนที่เข้าชน
  • เครื่องวัดรังสี (Detectors) เป็นอุปกรณ์สำหรับตรวจจับอนุภาคหรือรังสี ที่เกิดขึ้นจากการชน
  • ระบบสุญญากาศ (Vacuum systems) ทำหน้าที่ดูดอากาศและฝุ่นออกจากท่อของเครื่องเร่งอนุภาค
  • ระบบทำความเย็น (Cooling systems) ทำหน้าที่ระบายความร้อนที่เกิดขึ้นจากแม่เหล็กไฟฟ้า
  • ระบบคอมพิวเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์ (Computer/electronic systems) ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของเครื่องเร่งอนุภาค และวิเคราะห์ข้อมูลจากการทดลอง
  • ระบบป้องกันรังสี (Shielding) ใช้ป้องกันรังสีที่เกิดขึ้นจากการทดลอง ให้แก่เจ้าหน้าที่ ช่างเทคนิค และประชาชน
  • ระบบตรวจสอบ (Monitoring systems) เป็นโทรทัศน์วงจรปิดและเครื่องวัดรังสี ใช้ตรวจสอบสิ่งที่เกิดขึ้นภายในเครื่องเร่งอนุภาค เป็นระบบสำหรับความปลอดภัย
  • ระบบจ่ายกำลังไฟฟ้า (Electrical power system) ใช้ป้อนไฟฟ้าให้เครื่องหมดทั้งหมด
  • ระบบเก็บลำอนุภาค (Storage rings) ทำหน้าที่เก็บลำอนุภาคไว้ชั่วคราวขณะที่ยังไม่ใช้งาน

รายละเอียดของแต่ละส่วน ของ linear accelerator แบบที่ติดตั้งอยู่ที่ SLAC

แหล่งกำเนิดอนุภาค (Particle Source) ท่อทองแดง (Copper Tube) และ Klystrons

แหล่งกำเนิดอนุภาค Particle Source

particle source ทำหน้าที่ผลิตอนุภาคที่ต้องการเร่ง อนุภาคที่ใช้ ได้แก่ อิเล็กตรอน (electron) โปรตอน (proton) โพสิตรอน (positron) ซึ่งปฏิอนุภาค (antimatter particle) ที่มีคุณสมบัติแบบเดียวกับอิเล็กตรอน แต่มีประจุบวก ไอออน และนิวเคลียสของธาตุมวลหนัก เช่น ทอง ที่ SLAC มีปืนอิเล็กตรอน (electron gun) ที่ใช้เลเซอร์ยิงให้อิเล็กตรอน หลุดออกจากผิวหน้าของสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) จากนั้น อิเล็กตรอนจะเข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคที่ส่วนของ linac

แผนภาพแสดง  electron gun ของ SLAC's linac

ที่ SLAC สามารถผลิตโพสิตรอน (positron) โดยการยิงทังสเตน (tungsten) ด้วยลำอิเล็กตรอน ทำให้เกิดคู่ของอิเล็กตรอนกับโพสิตรอน (electron-positron pairs) จากนั้นจึงเร่งโพสิตรอน โดยการกลับขั้วของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ภายในเครื่องเร่งอนุภาค

ท่อทองแดง (Copper Tube)

อุปกรณ์หลักอย่างหนึ่งของเครื่องเร่งอนุภาคคือ ท่อทองแดง (copper tube)  ภายใน copper tube จะมีสภาวะที่เป็นสุญญากาศ (strong vacuum) เพื่อให้อนุภาคเคลื่อนที่ผ่านได้ ตัวท่อทำด้วยทองแดง เนื่องจากทองแดงเป็นตัวนำไฟฟ้าและแม่เหล็กที่ดี ที่ SLAC linac มี copper tube มากกว่า 80,000 copper กระบอกเชื่อมต่อกันเป็นระยะทางยาวมากกว่า 2 ไมล์ หรือ 3.2 กิโลเมตร

ท่อทองแดงทรงกระบอก
ช่องว่างตรงกลางให้อนุภาคเคลื่อนที่ผ่าน
ท่อทองแดงจะเชื่อมกันเป็นชุดต่อเนื่อง (series of cells) ในแนวยาว เรียกว่า cavities ระยะระหว่าง cavities เรียกว่า spacing จะพอดีกับความยาวคลื่นของไมโครเวฟ spacing จะเป็นส่วนที่มีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กทุกๆ 3 cavities ลำอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนจะเคลื่อนที่ผ่าน cavities เป็นลำแบบห้วง (bunch) แต่ละห้วงจะพอดีกับเวลาที่สนามไฟฟ้าผ่าน cavities  
ช่องว่างภายใน copper tube

Klystrons

Klystrons ทำหน้าที่ผลิตไมโครเวฟ ซึ่งคล้ายกับเตาไมโครเวฟที่ใช้ในครัว ต่างกันที่กำลังของ klystron ให้ไมโครเวฟมากกว่าประมาณ 1 ล้านเท่า ผลิตไมโครเวฟโดยการใช้ปืนอิเล็กตรอน (electron gun) เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้าไปช่องว่าง (cavities) ของ klystron ซึ่งใช้ควบคุมความเร็ว อิเล็กตรอนที่ถูกลดความเร็วลงใน klystron จะคายรังสีออกมาในรูปของคลื่นไมโครเวฟ และจะถูกส่งไปยังส่วนของ copper waveguides ซึ่งเป็นท่อทองแดงในเครื่องเร่งอนุภาค Waveguides จะทำหน้าที่รักษาประสิทธิภาพของคลื่น ไม่ให้ลดความเข้มลง

แผนภาพแสดง klystron, waveguide และ copper tube ของ linac

Klystrons จะถูกจัดเรียงและควบคุมระยะห่าง ไปตลอดความยาวของเครื่องเร่งอนุภาค

แม่เหล็ก ( Magnets) เป้า (Targets) และเครื่องตรวจวัดรังสี (Detectors)

แม่เหล็ก Magnets
แม่เหล็กอาจะเป็น แม่เหล็กไฟฟ้าธรรมดา (conventional electromagnets) หรือ (superconducting magnets) วางอยู่ที่ท่อตามความยาวของเครื่องอนุภาค ในตำแหน่งตามระยะห่างที่กำหนด แม่เหล็กเหล่านี้ ทำหน้าที่กำหนดขนาดและโฟกัสลำอนุภาค ถ้านึกภาพลำอนุภาคเป็นลูกปืน แบบลูกปราย ที่ยิงออกไปจากปืนโดยปกติ ลูกปรายหรืออิเล็กตรอนมีแนวโน้มจะกระจายตัวออก และถ้าลูกปืนกระจายออก ก็จะกระทบเป้าที่มีขนาดเล็กจำนวนน้อย ถ้าลูกปืนถูกบังคับด้วยแรงภายนอก (สนามแม่เหล็ก) ให้เป็นลำแคบๆ ก็จะเกิดการชนกับเป้าได้มากขึ้น จำนวนครั้งของการชนที่มากขึ้น จะทำให้เกิดเหตุการณ์ที่สามารถตรวจวัดได้ในการทดลองได้มากขึ้น

แม่เหล็กของ Linac

แม่เหล็กจะทำให้เกิดสนามขึ้นภายในแกน แต่จะไม่มีแรงแม่เหล็กที่ตำแหน่งศูนย์กลาง ซึ่งลำอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่าน ถ้าอิเล็กตรอนเบนออกไปจากศูนย์กลาง ก็จะถูกแรงแม่เหล็กผลักกลับเข้าหาศูนย์กลาง เมื่อจัดวางชุดแม่เหล็กให้สลับขั้วกัน อิเล็กตรอนจะถูกบีบเป็นลำไปตลอดช่วงความยาวของท่อ

การใช้แม่เหล็กในการควบคุมขนาดของลำอนุภาค

การจัดตำแหน่งขั้วแม่เหล็กตรงข้ามกัน เพื่อใช้บังคับลำอนุภาค

เป้า (Targets)
เป้า (Target) จะแตกต่างกันไปในแต่ละการทดลอง บางครั้งอาจทำเป็นโลหะแผ่นบาง ในบางการทดลองอาจใช้ลำอนุภาคต่างชนิดกัน เช่น อิเล็กตรอน กับ โพสิตรอน เข้าชนกันภายในเครื่องตรวจวัดอนุภาค (detectors)

เครื่องตรวจวัดรังสี (Detectors)
เครื่องตรวจวัดอนุภาค (detectors) เป็นอุปกรณ์ที่สำคัญที่สุดชิ้นหนึ่งในเครื่องเร่งอนุภาค เครื่องนี้จะตรวจจับอนุภาคและรังสีที่เกิดขึ้นภายหลังการชน เครื่องตรวจวัดมีหลายชนิด ตั้งแต่ bubble และ cloud chambers ไปจนถึง solid-state electronic detectors ห้องปฏิบัติการจะมีการติดตั้ง เครื่องตรวจวัดหลายชนิดในหลายตำแหน่งของเครื่องเร่งอนุภาค ตัวอย่างเช่น bubble chamber ซึ่งบรรจุด้วยกาซเหลว (liquid gas) เช่น ไฮโดรเจนเหลว (liquid hydrogen) เมื่ออนุภาคที่เกิดจากการชนผ่านเข้าไปใน chamber จะทำให้กาซเหลวบางส่วนกลายเป็นไอ (vaporize) ทำให้เกิดเป็นฟองตามเส้นทางของอนุภาค

อนุภาค X0 เคลื่อนที่ผ่าน bubble chamber

cloud chamber detector บรรจุด้วยกาซที่อยู่ในสภาวะของไออิ่มตัว (saturated vapor) ไว้ภายใน chamber เมื่อมีอนุภาคพลังงานสูงเคลื่อนที่ผ่าน จะไปไอออไนซ์ไอที่อิ่มตัวนี้ ทำให้ควบแน่น และเห็นเป็นทางตามแนวที่อนุภาคเคลื่อนที่ผ่าน แบบเดียวกับที่เครื่องบินผ่านอากาศที่มีไอน้ำอิ่มตัว

เครื่องตรวจวัดแบบหนึ่งที่ติดตั้งที่ SLAC คือ SLAC Large Detector (SLD) ซึ่งเป็น solid-state detector ที่มีรูปร่างแบบถังหมักเหล้า (barrel-shape) ขนาดใหญ่ มีความสูงมากกว่า 6 ชั้น น้ำหนักมากกว่า 4,000 ตัน 

ภาพด้านข้างของ SLD
ภาพด้านในของ SLD

SLD เป็นเครื่องตรวจวัดแบบหลายชั้น (multi-layered detector) แต่ละชั้นจะทำหน้าที่แตกต่างกัน

  • Vertex detector ทำหน้าที่ตรวจหาตำแหน่งของรอยทาง (tracks) ของอนุภาค
  • Drift chamber ทำหน้าที่ตรวจหาตำแหน่งของอนุภาคมีประจุ จากหลายๆ จุดตามรอยทางที่อนุภาคเคลื่อนที่ผ่าน ความโค้งของรอยทาง จะแสดงโมเมนตัมของอนุภาค ซึ่งสัมพันธ์กับมวลและความเร็วของอนุภาค
  • Cerenkov detector จะตรวจวัดรังสีที่เกิดจากอนุภาคที่เคลื่อนที่ผ่าน และหาความเร็วของอนุภาค
  • Liquid argon calorimeter จะหยุดอนุภาคไว้และหาพลังงานของอนุภาคนั้น
  • Warm iron calorimeter ใช้ตรวจวัดอนุภาคมิวออน (muons) ซึ่งเป็นอนุภาคชนิดหนึ่งภายในอะตอม
  • Magnetic coil ใช้แยก calorimeters ออกจากกัน

แผนภาพแสดงเหตุการณ์ภายใน  SLD

เส้นสีเขียวและแดง คือรอยทางของอนุภาคที่เกิดขึ้นภายในเครื่องวัด
   
 

ถอดความจาก How Atom Smashers Work
www.howstuffworks.com