اثرات میدان مغناطیسی طبیعی زمین بر مسیر ذرات در شتابگر ها

در طراحی شتاب‌دهنده‌های ذرات، یکی از موضوعات مهمی که همیشه مطرح بوده  قسمتهای مربوط به کنترل باریکه ذرات با کمک میدان‌های مغناطیسی است. برای اغلب افراد پیش زمینه اینست که با افزایش انرژی ذرات و نسبیتی شدن سرعت آنها، کنترل مسیر حرکتشان  سخت‌تر می‌شود و اینکه مسیر حرکت ذرات الکترون و پروتون در شتابگر های با انرژی‌های پایین‌تر، به‌طور کلی قابل کنترل‌تر است. اما این در عمل در بیشتر مواقع و بخصوص در شتابدهنده های خطی درست نیست و برخی مواقع برعکس است. یکی از دلایل این است که وقتی ذرات به سرعت‌های بالا می‌رسند، تأثیر میدان‌های خارجی مانند میدان مغناطیسی زمین و یا اثر ماه ! روی آن‌ها کاهش می‌یابد و حتی از بین میرود و در نتیجه مسیر حرکتشان طبق محاسبات اثر میدان‌های مغناطیسی مصنوعی است که طراح ماشین و اپراتور برای آنها در نظر گرفته. چرخش آسمان و زمین تا آنجا که ما میدانیم روی مسیرشان چندان تاثیری ندارد. ذرات در انرژیهای بالا و سرعتهای نزدیک به نور  و اینرسی عظیمشان، به نحوی ظاهرا «آرام و مطمئن» حرکت میکنند. مثل اینکه در این وضعیت به هر چه خواسته اند رسیده‌اند!

در انرژی‌ها و سرعتهای پایین،ولی  اثر میدان‌های مغناطیسی زمین و دیگر میدان‌های خارجی بسیار بیشتر است. برای مثال، میدان مغناطیسی زمین تأثیر زیادی روی حرکت ذرات در قسمت کم انرژی شتابدهنده های پروتون و بخصوص الکترون  دارد. ذرات کم انرژی و کم سرعت به همه چیز واکنش نشان میدهند، حتی به میدان مغناطیسی طبیعی زمین و یا عبور یک کابل از نزدیکیشان! آنها مثل اینکه بدنبال چیزی هستند که هنوز به آن نرسیده اند. ورج و وورج میکنند! رابطه ریاضی ژیرورادبوس یا شعاع سیکلوترون یا همان شعاع انحنا با جرم و سرعت ذرات و میدان مغناطیسی این پدیده را بصورت تیوری هم توضیح میدهد. در این شتابدهنده ها در نظر نگرفتن کویلهای مغناطیسی برای جبران این اثرات میتواند مسیر حرکت الکترونها در یک فاصله کوچک  ۲ متری  را تا چند سانتیمتر و پروتونها را تا چندین میلیمترجابجا کند . به همین دلیل، در شتاب‌دهنده‌های ذرات خطی باطول زیاد معمولاً از حفاظ‌های مغناطیسی استفاده می‌شود تا این تأثیرات کاهش یابد و کنترل ذرات در انرژیهای پایین بهبود پیدا کند. بعنوان مثال در شتابدهنده ۳ کیلومتری استانفورد Slac ,بعد از نصب و راه اندازی متوجه تاثیر جدی میدان مغناطیسی زمین روی مسیر حرکت ذرات شدند و در نتیجه از میله هایی در اطراف تیوب خلا استفاده کردند و با عبور جریان ازین میله ها و ایجاد یک میدان مغناطیسی مخالف میدان طبیعی زمین، اثرات آنرا کاهش دادند. همچنین در شتابدهنده های کوتاه میتوان از ورقه های مغناطیسی میومتال برای محافظت مغناطیسی قسمت‌های اولیه شتابگر استفاده کرد. حتی برای شتابدهنده های خطی خیلی دراز میتوان آنرا از روز اول در جهتی طراحی و روی زمین نصب کرد که اثرات مولفه عمود بر حرکت transverse میدان مغناطیسی زمین مینیمم شود.  در غالب شتابدهنده ها البته از مغناطیسهای کورکتور و یا کویل هلمهولتز در اطراف تیوب خلا استفاده میشود تا بصورت دینامیکی مسیر حرکت ذرات را اصلاح کرد. 

با وجود جدی بودن این موضوع، چند ماه پیش یکی از پژوهشگران در یک ورک شاپ شتابگر بیان می‌کرد که بعد از کامیشن کردن قسمت انرژی پایین شتابگر خطیشان متوجه شدند که مسیر حرکت پروتونها بصورت کاملا مشخص از مرکز تیوب خلا جابجا شده و بعد از بررسی متوجه شدند که این بخاطر اثر میدان مغناطیسی طبیعی زمین است که آنرا در طراحیشان لحاظ نکرده بودند. البته این یک اتفاق خیلی جدی نیست که راه حلی نداشته باشد. فقط برای اینکه کاری به بهترین کیفیت ممکن نتیجه دهد ، باید همیشه بهترین کار ممکن را در طراحی‌های اولیه انجام داد.