Hızlandırıcı fiziği

Hızlandırıcı fiziği uygulamalı fiziğin bir alt dalıdır. Genellikle, parçacık hızlandırıcı; inşası, tasarımı ve kullanılmasıyla ilgilenir. Bu konuda genellikle hareket konularını, rölativistik etkilerin parçacıklar ve parçacık hüzmelerine etkisi ve parçacıkların birbirleriyle etkileşimlerini göz önünde bulundururlar. Özellikle hızlandırıcı inşasında elektrik alan ve manyetik alan özelliklerinden yararlanılır.

Hızlandırcı fiziğiyle alakalı bilim alanları:

• Mikrodalga Mühendisliği (Parçacıkları hızlandırmak için gereken radyo frekansı aralığını belirlemek).
• Optik (Parçacıkları istenilen bölgeye odaklamak ve lazerlerle parçacıkların etkileşimini incelemek).
• Bilgisayar Bilimleri (verileri toplamak, analiz etmeye uygun hale getirmek ve analizlerini yapmak).

Hızlandırıcı fiziği genellikle fiziğin diğer alanlarında sonuç bulmak için kullanır. Örneğin; parçacık fiziği, çekirdek fiziği, yoğun madde fiziği bu alanlardan bir kaçıdır. Hızlandırıcı fiziğinde genellikle parçacık demetlerin özelliklerini anlamak için deneyler yapılır. Parçacık demetlerinin ortalama enerjisi, yoğunluğu içerdiği parçacıklar analiz edilir.

Hızlandırıcı ve parçacıkların RF yapılarıyla etkileşimleri

İleri röletivistik parçacıkların hızlandırması için kullanılan Süper iletken niobium oyugu Tesla Projesi

Genellikle yüklü parçacıkları hızlandırmak için elektrik alan kullanılır. Örneğin, voltaj çoğaltıcı tüpler. Fakat bu metot yüksel voltajın elektriksel boşalmasıyla limitlidir. Sonuç olarak elektrik alan içerisindeki parçığın enerjisi korunumludur, yani çıkılabilecek en yüksek kinetik enerji voltaj değerine bağlıdır.

Doğrusal parçacık hızlandırıcılarda zamanla değişen elektrik alanı kullanılmaktadır. Bu alanı kontrol edebilmek için çeşitli yapılar kullanır. Bu yapılar radyo frekansları ile kontrol edilir ve eğer bir parçacık bu alana girerse kaybettiği kinetik enerjiyi tekrar kazanır ve sabit bir enerjide yolunu devam eder böylelikle sistemdeki enerji salınımlarından kurtululmuş olunur.

Bu tarz hızlandırıcılarda parçacık demetinin etrafında genelde diğer maddelerin olmaması istenir bunun için bu parçacıklar vakumda ve kapalı bir ortam içerisinde hızlandırılmadır. Çünkü yüksek enerjili parçacık demeti etrafında bulunan diğer gazlarla etkileşime geçerek enerjisini büyük bir kısmını kaybedebilir. Bu durum genellikle istenmez çünkü parçacıklar enerjisini kaybettiği zaman çarpışmaların verimi düşer ve çarpışma sonucu gözlenmek istenen bazı parçacıklar gözlenemez.

Parçacık demeti dinamikleri

Yüklü parçacıkların yüksek hıza sahip olmalarından dolayı bu parçacıklara Lorentz Kuvveti eşlik eder bu yüzden parçacıklar izledikleri yoldan çıkabilir. Bunu engellemek için manyetizma ve manyetik etkiler kullanılır. Yaygın olarak kullanılan detertörlerde  (siklotron ya da betatron) parçacıkların uygun yolu izlemesi için  elektromıknatıslar kullanımaktadır. Bu mıknatıslar parçacık demetini bükerek ve her yönden baskı oluşturarak demetin doğru bir hizada ve istenilen yolda ilerlemesini sağlar. 

Simülasyon Kodları

Bir hızlandırıcı yapılmadan önce tüm olası durumları önceden test etmek gerekmektedir. Simülasyonlar bu durumda çok önemli rol oynamaktadır. Özellikle bu metot için bilgisayar yaklaşımları ve modelleri kullanılır olası tüm durumlar test edilmeye çalışılır. Bu simülasyonlar parçacık demeti dinamikleri ve elektrik ve manyetik alanlarının hızlandırıcı için farklı değerler ve durumlar için test edilerek en iyi tasarımın yapılmasını sağlamaktadır. Bu tür simülasyon paketlerini ve programlarını genellikle Cern tarafında herkese açık olarak yayınlanır.

Bilgisayar Sınırları

Bilgisayarda yapılan işlemlerin bir sınırı vardır hızlandırıcı fiziğinde bu sınırlar sonuna kadar kullanılarak olası durumların tamamının analizi yapılmaya çalışılır.

Bilgisayar simülasyonları yapılırken çeşitli programlama dilleri kullanılır fakat bilgisayarlı hesaplama yöntemlerinin tamamında bir hata vardır. Örneğin, yuvarlama hatası bu hatayla sayılarla çalışırken daha fazla karşılaşılır her bir hesaplama bir hatayla gelir ve hesaplamanın en sonunda bu hata göz ardı edilemeyecek kadar buyuk olur ve önceden test edilen durumlar hakkında yanlış bir sonuca varılmasına neden olabilir.

Bu çeşit hataları azaltmak için yazılan kodların optimizasyonun çok iyi yapılarak çalışan algoritmanın mümkün olduğunca az işlem içermesine özen gösterilir.

Kaynakça

• Schopper, Herwig F. (1993). Advances of accelerator physics and technologies. World Scientific. ISBN 981-02-0957-6. Erişim tarihi: 9 Mart 2012.
• Wiedemann, Helmut (1995). Particle accelerator physics 2. Nonlinear and higher-order beam dynamics. Springer. ISBN 0-387-57564-2. Erişim tarihi: 9 Mart 2012.
• Lee, Shyh-Yuan (2004). Accelerator physics (2nd bas.). World Scientific. ISBN 978-981-256-200-5.
• Chao, Alex W.; Tigner, Maury, (Edl.) (2013). Handbook of accelerator physics and engineering (2nd bas.). World Scientific. ISBN 978-981-4417-17-4.
• Chao, Alex W.; Chou, Weiren (2014). Reviews of Accelerator Science and Technology Volume 6. World Scientific. ISBN 978-981-4583-24-4.
• Chao, Alex W.; Chou, Weiren (2013). Reviews of Accelerator Science and Technology Volume 5. World Scientific. ISBN 978-981-4449-94-6.
• Chao, Alex W.; Chou, Weiren (2012). Reviews of Accelerator Science and Technology Volume 4. World Scientific. ISBN 978-981-438-398-1.

İlave Linkler

• UCB/LBL Beam Physics site21 Temmuz 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• BNL page on The Alternating Gradient Concept