เครื่องเร่งอนุภาค (3)

ระบบสุญญากาศและระบบทำความเย็น (Vacuum and Cooling Systems)

ระบบสุญญากาศ Vacuum Systems
เครื่องเร่งอนุภาคต้องใช้ระบบสุญญากาศด้วยเหตุผล 2 ประการ:

  1. เพื่อป้องกันการเกิดประกายไฟ (spark) เนื่องจากไมโครเวฟในอากาศ ซึ่งจะทำให้เกิดความเสียหายใน waveguide และโครงสร้างของเครื่องเร่งอนุภาค
  2. เพื่อป้องกันการสูญเสียพลังงานถ้าลำอนุภาคชนกับโมเลกุลของอากาศ

การใช้  rotary pumps ร่วมกับ cold traps ทำให้สามารถรักษาระบบให้อยู่ในสภาวะ low vacuum (หนึ่งในล้านของบรรยากาศ) Rotary pumps ทำงานคล้ายพัดลมดูดอากาศ Cold traps ใช้กาซเหลว ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ไนโตรเจนเหลว ทำความเย็นให้ผิวหน้าของ trap โมเลกุลของอากาศหรือฝุ่นจะถูกดูดไปเกาะผิวหน้าที่เย็นของ ของ trap และถูกดูดออกไปจากท่อ จึงจำเป็นต้องทำให้ส่วนของ Cold traps เย็นอยู่ตลอดเวลาเพื่อดักโมเลกุลของอากาศและฝุ่นเพื่อขจัดออกไป

ระบบทำความเย็น (Cooling Systems)
กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านท่อทองแดงของเครื่องเร่งอนุภาค ทำให้เกิดความร้อนสูงมาก ซึ่งจำเป็นต้องขจัดออกไป ด้วยเหตุผล 2 ประการ:

  • เพื่อป้องกันไม่ให้ท่อทองแดงละลาย ซึ่งจะทำความเสียหายให้กับโครงสร้างของเครื่องเร่งอนุภาค
  • เพื่อป้องกันการขยายตัวของท่อทองแดง ซึ่งจะทำให้เกิดการแตกร้าวของรอยเชื่อมในระบบสุญญากาศ

ท่อทำความเย็นที่ผ่านท่อทองแดงในโครงสร้างของ linac

ท่อทำความเย็นที่ผ่านส่วนของแม่เหล็ก

Linac ของ SLAC มีท่อน้ำใช้ระบายความร้อนให้กับท่อทองแดงและแม่เหล็กในโครงสร้างของเครื่องเร่งอนุภาค ระบบระบายความร้อนจะมีน้ำหมุนเวียนไปยังหอระบายความร้อน (cooling towers) ซึ่งตั้งอยู่เหนือพื้นดิน เพื่อถ่ายเทความร้อน ส่วนแม่เหล็กที่ใช้ตัวนำยิ่งยวด (superconducting magnets) จะระบายความร้อนด้วยไนโตรเจนเหลว หรือฮีเลียมเหลว เนื่องจาก linac ตั้งอยู่ใต้พื้นดิน จึงไม่ได้รับผลจากความร้อนหรือความเย็นตามฤดูกาล

ระบบคอมพิวเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์ (Computers and Electronics)

การทำงานของเครื่องเร่งอนุภาค ต้องใช้ระบบคอมพิวเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์ทำหลายหน้าที่ ได้แก่:

  • ควบคุมต้นกำเนิดอนุภาค (particle source) klystrons และแม่เหล็ก ในการเร่งอนุภาค
  • ตรวจสอบลำอนุภาค
  • เก็บข้อมูลและบันทึกข้อมูลจากการทดลอง
  • วิเคราะห์ข้อมูล
  • ติดตามระบบความปลอดภัย
  • ปิดระบบในกรณีที่เกิดเหตุฉุกเฉิน

ภาพมุมกว้างของห้องควบคุมเครื่องเร่งอนุภาค

เครื่องเร่งอนุภาคใช้ระบบคอมพิวเตอร์หลายระบบ เครื่องคอมพิวเตอร์เหล่านี้ โดยทั่วไปจะเป็นชนิดที่มีไมโครโปรเซสเซอร์ความเร็วสูง มีหน่วยความจำและหน่วยเก็บข้อมูลขนาดใหญ่ และมักจะเชื่อมต่อกันด้วยระบบเนตเวิร์ก และในบางกรณี จะมีการวิเคราะห์ข้อมูลด้วยซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ ที่อยู่ภายในหรือภายนอกระบบ

ระบบป้องกันรังสี ระบบตรวจสอบ ระบบไฟฟ้า และระบบกักเก็บอนุภาค
Shielding, Monitors, Power and Storage

ระบบป้องกันรังสี (Shielding)
อนุภาคที่ถูกเร่ง จะได้รับแรงทำให้มีการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว การเปลี่ยนแปลงทิศทาง หรือการเข้าชนกับเป้า ทำให้สูญเสียพลังงาน ซึ่งมักจะอยู่ในรูปของรังสี (ionizing radiation)  เช่น รังสีเอกซ์ หรือรังสีแกมมา นอกจากนั้น อนุภาคพลังงานสูงเองก็เป็นอันตรายเช่นกัน เพื่อป้องกันรังสีที่อาจรั่วไหลออกมาขณะที่เครื่องเร่งอนุภาคกำลังทำงาน โครงสร้างของเครื่องเร่งอนุภาคจึงมักติดตั้งอยู่ภายในอุโมงค์คอนกรีตใต้พื้นดิน คอนกรีตและพื้นดิน จะป้องกันรังสีให้กับสิ่งแวดล้อม ส่วนของห้องควบคุมจะมีการป้องกันด้วยคอนกรีตเช่นกัน เจ้าหน้าที่จะมีเครื่องตรวจวัดรังสีประจำตัว (radiation badge) และจะไม่ได้อยู่ภายในอุโมงค์ ขณะที่เครื่องเร่งอนุภาคทำงาน เครื่องเร่งอนุภาคในสหรัฐอเมริกา ต้องอยู่ภายใต้การควบคุมของคณะกรรมการควบคุมทางนิวเคลียร์ (the Nuclear Regulatory Commission) ซึ่งจะให้ใบอนุญาต กำกับและตรวจสอบความปลอดภัย ถ้าเครื่องเร่งอนุภาคเป็นของมหาวิทยาลัย หน่วยงานความปลอดภัยทางรังสีของมหาวิทยาลัยต้องปฏิบัติตามกระบวนการนี้เช่นกัน

ส่วนของ main ring ติดตั้งอยู่ในอุโมงค์คอนกรีตใต้พื้นดิน

ระบบเฝ้าติดตาม (Monitors)
ภายในอุโมงค์มักจะมีการติดตั้งโทรทัศน์วงจรปิด เพื่อใช้เฝ้าตรวจสอบอุปกรณ์และเครื่องมือวัดของเครื่องเร่งอนุภาค เครื่องมือวัดรังสีจะติดตั้งไว้ด้านนอกของโครงสร้างเครื่องเร่งอนุภาค เพื่อติดตามปริมาณรังสีที่รั่วไหลออกมาจากระบบป้องกันรังสี และป้องกันไม่ให้เกิดอันตรายแก่ผู้ปฏิบัติงาน

ระบบจ่ายไฟฟ้า (Electrical Power Systems)
เครื่องเร่งอนุภาคใช้อุปกรณ์หลายชนิด จึงมีการใช้ไฟฟ้าปริมาณมาก ในบางแห่งจะใช้ไฟฟ้าจากระบบสายส่งตามปกติ ขณะที่บางแห่งอาจมีระบบสำหรับผลิตไฟฟ้าขึ้นมาใช้เอง

ระบบกักเก็บอนุภาค (Storage Rings)
การเร่งอนุภาคเพื่อทำการทดลองแต่ละ ต้องใช้ทรัพยากรจำนนมาก เครื่องเร่งอนุภาคหลายๆ แห่ง จึงมีระบบกักเก็บอนุภาค (storage rings) เพื่อใช้ในการรักษาลำอนุภาคที่ถูกเร่งให้มีพลังงานสูงแล้วเอาไว้ ตัวอย่างเช่น ถ้าต้องการยิงลำของอนุภาคอิเล็กตรอนเข้าชนกับลำอนุภาคโพสิตรอน เราอาจจะกักเก็บลำอนุภาคชนิดหนึ่งเอาไว้ ขณะที่ไปเร่งอนุภาคอีกลำหนึ่ง storage ring มีส่วนประกอบเหมือนกับ main accelerator ต่างกันที่มี klystrons จำนวนน้อยกว่า อนุภาคที่เคลื่อนที่และถูกเร่งความเร็วไปรอบๆ ring จะใช้ klystrons เพียง 1 หรือ 2 หน่วย เพื่อชดเชยการสูญเสียพลังงาน เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของทิศทาง ของลำอนุภาคเท่านั้น

เมื่อทราบถึงส่วนประกอบของเครื่องเร่งอนุภาคแล้ว ลำดับต่อไป เรามาดูว่าจะใช้เครื่องมือชนิดนี้เรียนรู้อะไรได้บ้าง

ถอดความจาก How Atom Smashers Work
www.howstuffworks.com