Student World

tisková zpráva společnosti Siemens

Surfování na vysokých frekvencích
Že se žádný předmět nemůže pohybovat stejnou rychlostí, jako světlo, víme díky Albertu Einsteinovi již přes sto let. Teorie relativity nám však nebrání se této magické hodnotě jakkoliv přibližovat, čehož hojně využívají tzv. urychlovače částic. Tato zařízení – jako například známé kruhové urychlovače Large Hadron Collider (LHC) na pomezí Švýcarska a Francie, či americký Tevatron – se používají k urychlování částic na hodnoty jen o pár kilometrů za hodinu nižší, než je rychlost světla. Využití těchto přístrojů je však čistě vědecké a s ohledem na finanční a technologickou náročnost výstavby i provozu jich je na světě pouze několik. To však neplatí pro jiný druh urychlovačů, tzv. lineárních.

Široké možnosti použití
Jak již název napovídá, v lineárních urychlovačích nejsou částice urychlovány na kruhové, ale na přímé dráze. Výsledná maximální rychlost částic z tohoto typu urychlovače je sice nižší, ale rozměry zařízení jsou současně výrazně menší a jejich výkon je pro řadu aplikací zcela dostatečný. Kromě vědy tak nacházejí lineární urychlovače uplatnění i v řadě dalších odvětví. Například v medicíně se používají přímo při radioterapii, resp. pro výrobu radioizotopů používaných třeba v diagnostických systémech fungujících na principu pozitronové emisní tomografie (PET). V průmyslu pomáhají odhalovat skryté defekty v materiálech, sterilizovat vybavení či hotové produkty nebo skenovat uzavřené kontejnery. Svým způsobem tak zasahují do našeho každodenního života, aniž o tom máme nejmenší tušení. Vzhledem k šířce jejich využití tedy není divu, že je na světě v provozu přes 30.000 lineárních urychlovačů. Díky novým polovodičovým generátorům, vyvinutým ve spolupráci vědců společnosti Siemens s německými a ruskými výzkumnými institucemi, by jich však v budoucnu mohlo být ještě více.

Zatímco dřívější typy zařízení urychlovaly částice působením velmi silného a neměnného elektrického pole, v těch moderních jsou částice urychleny pomocí pole střídavého. To zvyšuje efektivitu celého zařízení, činí ho však také podstatně komplikovanějším. Představíme-li si urychlovač jednoduše jako trubici, v níž se částice pohybuje, působením střídavého elektrického pole by se částice pohybovala pouze tam a zpátky. Trubice je proto obklopena elektrodami, v nichž musí být střídavé pole pečlivě synchronizováno tak, aby na částici při průletu působilo pouze přitažlivou silou. Je-li částicí elektron se záporným nábojem, musí být na elektrodách při průletu kladné napětí, které elektron přitahuje. Jelikož se ale částice pohybují velmi vysokou rychlostí, je doba průletu kolem elektrody velmi krátká. Napětí na elektrodách se tedy musí měnit s extrémně vysokými frekvencemi, které vytvoří jakousi vlnu, po níž se částice „sveze“.

Klíč k úspěchu – uhlík a křemík
Vytvořit takto vysokofrekvenční pole s dostatečně vysokou hodnotou napětí ale není vůbec snadné. Konstruktéři proto využili speciální tranzistory vyrobené na bázi karbidu křemíku (SiC). Výhodou tohoto materiálu je výrazně volnější pohyb elektronů, než v běžných křemíkových polovodičích. Zesilovače tak mohou pracovat na frekvencích v řádech stovek megahertz (MHz) a díky lepšímu odvodu tepla i s vyššími energiemi a při účinnosti 70 %. Seskupením osmi takovýchto tranzistorů na jedinou desku získali vývojáři vysokofrekvenční generátor s výstupem 25 kilowattů (kW) při frekvenci 324 MHz, a propojením několika desek pak vytvořili generátor se stejnou frekvencí a výkonem 160 kW.

Tyto hodnoty již plně dostačují například pro medicínské či průmyslové využití, kde se zpravidla používají generátory s výkonem do 100 kW. Výhodou generátoru spojeného z několika zesilovačů je i vyšší spolehlivost zařízení – vypadne-li jeden zesilovač, urychlovač může, ač omezeně, stále fungovat. Cílem vývojářů je nyní vytvořit generátor s výstupem 3 megawattů, který by byl použitelný i v urychlovačích pro vědecké účely.

autor