Partikkelbaner

Partikkelbaner er baner der ladede partikler følger bestemte kurver når de utsettes for elektromagnetiske felt. De er sentrale i både grunnforskning og anvendelser, og brukes til å studere fundamentale krefter, partikkelspekteret og egenskaper hos materialer gjennom kontrollerte kollisjoner og bestråling.

Bevegelsen av en ladet partikkel i et magnetfelt følger Lorentz-kraften. I et homogent felt blir banen i den plane delen sirkulær med radius r = p/(qB), der p er partikels bevegelsesmoment, q er ladningen og B er magnetfeltets styrke. Dersom hastighetskomponenten langs feltet ikke er null, blir banene helix og har en konstant helningsvinkel. I akseleratorer blir energi tilført partikkelen ved RF-kavitasjoner som øker momentumet stykkevis.

Et partikkelbanesystem består vanligvis av magneter og rør: dipolmagneter bøyer banen, medan kvadrupolmagneter fokuserer partikkelstrømmen som en optikk for partikkelbanen. Det finnes også mer komplekse magnetarrangementer, inkludert sextupoler for å korrigere kromatikk. RF-kavitasjoner gir periodisk energitilførsel, og elektroniske styringssystemer holder banen stabil og presis.

Typer av partikkelbaner inkluderer lineære akseleratorer (linacs) som gir energi på en rett sti, og sirkulære baner som syklotrons, synkrotroner og lagringsringer hvor partikler sirkulerer i lange perioder. I praksis kombineres disse for å oppnå ønsket energi og intensitet, ofte med komplekse optiske systemer.

Viktige parameterverdier inkluderer energi, intensitet, emittance og luminositet. Energi bestemmer hvilke prosesser som kan produseres; intensitet og luminositet påvirker antall hendelser per tidsenhet; emittance beskriver hvor fokusert partikkelstrømmen er i rom og retning.

Anvendelser omfatter grunnforskning i partikkelfysikk og kjernevåpen, medisinsk behandling som protonterapi, materialanalyse og industriprosesser. Sikkerhet og strålevern er sentrale hensyn ved planlegging og drift av slike anlegg.

Historisk har utviklingen av partikkelbaner gjort betydelige fremskritt siden tidlige syklotrons på 1930-tallet, med senere introduksjon av lagringsringe og kolliders som muliggjorde store eksperimenter og nye innsikter i fundamentale krefter.