המגנט הארבע-קטבי

שרטוט של מבנה הקוואדרופול והשדות המגנטיים שהוא יוצר

המגנט הקוואדרופולי (quadrupole magnet) - מגנט בעל ארבעה קטבים מגנטים - הוא מבנה מגנטי המורכב מארבעה מגנטים זהים, המסודרים במאונך זה לזה, כך שקוטב צפוני של אחד צמוד לקוטב דרומי של המגנט הסמוך לו. מגנט מסוג זה נמצא בשימוש כדי למקד אלומה של חלקיקים טעונים (דוגמת הפרוטונים במאיץ חלקיקים). הוא יוצר שדות מגנטיים שהולכים ומתחזקים ביחס ישר ככל שמתרחקים רדיאלית בציר האורך שלהם, וגורמים ליצירת כוחות מגנטיים.

החלקיקים בשרטוט נעים בניצב למישור השרטוט, והחוצה מה"דף".

המגנט הקוואדרופולי במאיצי חלקיקים

מגנט קוואדרופול

במאיצי חלקיקים מואצים חלקיקים טעונים בצינורות ריק בעלי קוטר קטן. ההאצה מבוצעת על מנת ליצור התנגשויות עתירות אנרגיה בין מצבורי חלקיקים, ובעזרת גלאים מתאימים לחקור תופעות פיזיקליות שקיימות בהתנגשויות ולגלות היווצרות חלקיקים חדשים.  בצינורות אלו קיים צורך במיקוד חלקיקים טעונים משתי סיבות עיקריות:

1. יצירת כמה שיותר מפגשים בין פרוטונים  ממצבור אחד לפרוטונים מהמצבור שמגיע מצידו השני של המאיץ, כדי ליצור כמה שיותר התנגשויות באזורי הגלאים. חלקיקי הפרוטונים הם חלקיקים קטנים שמורכבים מחלקיקים עוד יותר קטנים המכונים קווארקים.  ועל מנת ליצור התנגשות בין הקווארקים ברגע הרצוי, יש לוודא שהם מקובצים כמה שיותר קרוב זה לזה ועוברים באזור אחד, אחרת יעברו בריק שבין החלקיקים ולא תיווצר התנגשות אותה ניתן לחקור.
2. כדי שלא יווצר מגע עם דפנות צינור ההאצה, שיגרום להתנגשויות חלקיקים לא מבוקרות בצינור, ובעקבות התנגשויות אלו יאבדו חלק מהחלקיקים המואצים. והשנייה והחשובה בהן מיקוד החלקיקים נעשה על ידי מספר מגנטים קוואדרופולים, המסודרים בזה אחר זה ויוצרים סריג. הקוואדרפולים בסריג מחולקים לשני סוגים: קוואדרופול ממקד (F Quadrupole), אשר ממקד את האלומה אנכית, אך מפזר אותה אופקית, וקוואדרופול מפזר (D Quadrupole) שממקד את האלומה אופקית, אך מפזר אותה אנכית. מצב זה נובע מחוקי האלקרומגנטיות, ולפי משוואת מקסוול מוכח כי אין אפשרות שבמגנט קוואדריפולי יווצר מיקוד הן אנכי והן אופקי. לכן על מנת להמשיך לרכז את החלקיקים יש חילוף של הכיוון שבו המגנט מרכז את החלקיקים והמשמעות מכך היא שעל מנת לרכז קבוצת חלקיקים יש צורך ביותר קוואדרופול אחד.

כאשר מציבים את הקוואדרפול הממקד ולאחריו את הקוואדרפול המפזר וכן הלאה לסירוגין, אך עם מרווחים מדודים ביניהם, שכן אם יהיו צמודים השדות המגנטיים שלהם יתבטלו (בהסתמך על הנחת אירנשאו), נוצר מצב בו האלומה ממוקדת אופקית ואנכית גם יחד. לדגם הסריג הנ"ל קראו בקיצור  FODO (האות F מייצגת את המילה Focus - מיקוד באנגלית, והאות D - Defocusing והO מסמן את המרווח בין המגנטים) .  סריג מסוג זה יכול לאפשר את מעבר האלומה למרחק רב כשהיא ממוקדת במרכז צינור ההאצה.

לשם הבנה, ניתן לדמות את סריג הקוואדרופולים לאוסף של עדשות מרכזות ומפזרות, ואת אלומת החלקיקים הטעונים לקרני אור העוברות דרכן ונשברות בזוויות משתנות. מובא בשרטוט הבא:

דימוי סריג במגנטים לעדשות

מגנטים קוואדרופולים בCERN

סריג מגנטים במאיץ החלקיקים LIER בCERN. 3 המלבנים הכתומים כחולים בחלק השמאלי התחתון של התמונה הינם קוואדרופולים. צילום: קובי שוורצבורד

כיוון שמאיץ החלקיקים בCERN  הוא הגדול ביותר ובעל אנרגיית ההתנגשויות הגבוהה ביותר בעולם, הוא צריך מגנטים חזקים מאד בשביל לסובב את החלקיקים במאיץ המעגלי ובשביל למרכז אותם בתוך צינורות המאיץ. במאיצים הנמצאים במרכז לחקר פיזיקת חלקיקים - CERN - משתמשים במגנטים קוואדרופולים על מנת לפקס את החלקיקים. במאיץ הגדול ביותר הקיים כיום - LHC) Large Hadron Collider) משתמשים בכ- 9600 מגנטים אשר מתוכם 392 הם מגנטים קוואדרופולים.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא המגנט הארבע-קטבי בוויקישיתוף

• LHC - אתר CERN
• הארגון האירופאי למחקר ופיתוח מאיצים - מגנטים
• עלון מידע על CERN
• Lattice Design in Particle Accelerators