فیزیک
)مقدمه
زمانی که دانشمندان فیزیک هسته ای سخت مشغول مطالعات ذرات بنیادی و تبدیل اتم به اتم دیگری بودند،ایده بمباران هسته اتم به عنوان هدف توسط ذره های باسرعت بالا شکل گرفت. تا آن زمان تنها ذره با سرعت زیاد، ذره آلفا بود که از مواد رادیو اکتیو طی فرآیند واپاشی گسل می شد. در آن زمان سوال برای دانشمندان فیزیک هسته ای این بود که آیا این امکان وجود دارد که با اعمال اختلاف پتانسیل بتوان ذرات اتمی را با انرژی و شتاب زیاد به هدفی برخورد داد که به تولید و تحقیق درباره عناصر مصنوعی مورد نظرپرداخته شود؟ تئوری اثر تونل نتیجه و راهبردی بود که توسط گامو به رادفورد پیشنهاد گردید و سپس با اختیارات واگذار شده از سوی رادفورد به کاک کرافت و والتون اولین تلاشها در این راستا به عمل آمد. طبیعی بود که اعمال این اختلاف پتانسیل، فقط روی ذرات باردار، آنهم در میدان های الکتریکی یا مغناطیسی میتواند میسر باشد. در آن زمان فقط مطالعات وبر همکنش ذرات هسته ای وتولید عناصر وایزوتوپهای مفید حائز اهمیت بودند. بنابراین دراین راستا، دانشمندان فیزیک هسته ای می باید در جستجوی دستیابی به باریکه هایی از ذرات باردار وپر انرژی باشند که پاسخ در نیاز به انرژی های چند مگا الکترون ولت ودر بعضی موارد، به دلیل طبیعت ماده، انرژی چندین گیگا الکترن ولت را برآورده سازد.
در هر صورت، چنین پذیرفته شد که به طور اصولی هیچ امکانی ساده تر از شتاب دادن به ذرات به انرژی های بالاتر نیست. لازمه این امر در این است که ابتدا تعداد زیادی از ذرات یک گاز مناسب در یک قوس الکتریکی یا چشمه تولید یون، یونیزه شوند.درواقع، اتمهای هر گازی دراین شرایط تااندازه ای یا کاملاً از الکترونهای خود کنده شده و تولید یون مثبت میکنند. به عنوان مثال از گاز هیدروژن، پروتون واز گاز ذرات آلفا تولید میشود. لذا وقتی ذرات باردار تولید شدند، آنها به آسانی در یک میدان الکتریکی شتاب می گیرند. یونهای مثبت از الکترود مثبت پس زده شده و به سمت الکترود منفی سوق پیدا کرده وجذب می شوند. اگر یونها یک بار داشته باشند، مثل پروتن یا دوترون، انرژی جنبشی آنها در هنگام ورود به الکترود منفی حدود یک الکترون ولت می باشد که برابر است با اختلاف بالقوه هر ولت بین دو الکترود. اگر ولتاژ بالاتری تامین شود، پروتون به مقدار E الکترون ولت انرژی دریافت می کندو صرف نظر از طول لوله شتابدهنده اختلاف E ولت میشود. در اینجا مشکل شتاب دادن ذرات تولید شده با انرژی های بالایی دارند که نیاز به ولتاژ بالا دارد، ولتاژ بالا هم دارای مشکل نگهداری وعایق کاری الکتریکی است.
در هر صورت، این سدها یکی پس از دیگری مرتفع گردید و امروزه ذرات را با سرعت نزدیک به سرعت نور وبا انرژی های حتی یک تریلیون الکترون ولت در شتاب دهنده های کوچک و بزرگ شتاب می دهند. به همین دلیل در دنیای امروز، اندازه شتاب و کاربرد آنها طیف بسیار گسترده وشاید هم غیر قابل باوری را ایجاد کرده است. حجم و ابعاد شتابدهنده ها از حدود یک متر تا اندازه یک شهر با کاربردهایی جهت حل پیچیده ترین موضوعات دنیای فیزیک هسته ای از ذرات فیزیک بنیادی، تا کاربردهای پزشکی، صنعتی، زیست محیطی و نانو تکنولوژی را شامل میشود.
)اجزای شتابدهنده
در سیستمهای امروزی، ذرات باردار مثبت از بمباران یک گاز با الکترونهای پر انرژی در نتیجه یونیزاسیون حاصل می شوند. گاز هیدروژن از بالا به محفظه ای در آن الکترون از فلامنت کاتد گسل شده وبه سوی آند شتاب می گیرد، جریان دارد. عبور الکترونها از میان گاز سبب یونیزاسیون آن وتولید یونهای مثبت می شود، انرژی ذرات باردار متناسب با انرژی ویا اختلاف پتانسیل الکترونها است. این یونهای مثبت باید از این محیط استخراج وبه داخل سیستم اصلی تزریق شوند،در موارد معمولی، این یونهای مثبت بوسیله الکترواستاتیک های ساده به داخل لوله شتابدهنده جذب می شوند یا در بعضی موارد ممکن است این خود یک تزریق کننده به یک شتابدهنده باشد که شتابدهنده بزرگتر را به عنوان یک چشمه ذرات باردار مثبت تغذیه میکند. وضعیت خلاء برای استخراج یا تزریق باریکه ذرات باردار 4-10 ودر محل یونیزاسیون 2-10 پاسکال است. اصول بمباران توسط الکترونها، برای انواع مختلف چشمه های تولید یون برای برآورد نیازهای طیف وسیعی از شتابدهنده های ذرات باردار، مشابه و تقریباً یکسان است. بنابراین چشمه ها ممکن است تولید کننده یونهای منفی، الکترون ها، یا یونهای مثبت باشند.
بنابراین اجزای یک شتاب دهنده می تواند شامل موارد زیر باشد:
1. چشمه یونی یا سیستم تزریق کننده
2. میدانهای الکتریکی و مغناطیسی
3.سیستم خلاء
4. هدف
5. سیستمهای الکترونیک و آشکار ساز
6. سیستمهای کامپیوتری ونرم افزاری
)اختراع اولین شتابدهنده
رادفورد اولین عنصر مصنوعی را از ذرات آلفا گسیل شده پلونیم_214در 1919م ساخت که بدینوسیله تبدیل عناصر به یکدیگر را ممکن نمود. اولین شتاب دهنده توسط کاک راف و والتون در سال1932با اعمال ولتاژ بالا با موفقیت آزمایش شد. توسعه نظری تونل گامودر مورد فرو پاشی آلفا سبب شد که هاترمن یک واکنش متضاد را پیشنهاد کند وآن برخورد یک پروتن با انرژی بالا از طریق نفوذ سد پتانسیل کولنی بر هسته به عنوان هدف بود . محاسبات نشان میدهند که چنین پدیده ای می تواند حتی در حدود انرژیkeV100 اتفاق افتد. کاک رافتکه یک مهندس برق بود، متوجه شد که شتاب دادن پروتونها در چنین انرژی هایی در یک مولد پر انرژی می تواند امکان پذیر باشد. لذا وی و همکارش والتون مبادرت به ساخت چنین دستگاه ارزشمندی کردند. در یک شتابدهنده تک مرحله ای مثل شتابدهنده کاک رافت و والتون کل انرژی تولید شده از یک مولد با ولتاژ بالا است که در سرتاسر شتابدهنده برای شتاب ذرات باردار بین چشمه یونی وهدف اعمال می گردد. انرژی جنبشی برای هر ذره عبارت است از:
Ekin=nqV
در اینجاqبار یونهای شتاب یافتهبرحسب کولن،Vسرعت اعمال شده در مسیر ذرات وnتعداد مراحل شتاب دهی است که در مورد ماشین کرافت_والتون برابر یک می باشد.
شتابدهنده های بالا هنوز هم برای حصول به انرژی جنبشی پایین تا پروتون های با انرژی MeV4می شوند.اکنون چنین شتاب دهنده هایی در بسیاری از تاسیسات فیزیک هسته ای به عنوان مرحله اول شتاب دهی و تزریق کننده درماشینهای بزرگتروپیچیده تری که برای تولید باریکه انرژی بالا طراحی شده اند استفاده می شوند.
در یکی از آزمایش ها، از گاز هیدروژن یون منفی حاوی دو الکترون ویک پروتون،تولید شد. یونهای با ولتاژ مثبت شتاب داده شده اندو انرژی eV75000یا keV570رسید. این انرژی 30برابربیشتر از انرژی باریکه الکترون در تلویزیون ها است.
در سالهای اخیر شتاب دهنده های نسبتاً ارزانو کوچک مورد استفاده قرار گرفته اند که مبتنی بر اصول همان ماشین های کاک رافت_والتون کار می کنند. این ماشین ها به نام شتابدهنده های مبدل یکسو سازشناخته شده اند واصولاً برای الکترونها یا دوترون ها جهت تولید نوترون استفاده شده اند.
هدف های تریتیم، با دوترونهای شتاب داده شده بمباران می شوند. نظریه سد پتانسیل کولنی برای این واکنش حتی در انرژی های MeV1/0نتایج خوبی به دست داده است.
نویسنده: مژده اصولی
منبع :تبیان
© کپی رایت توسط محلات سایت آموزش و پرورش شهرستان محلات کلیه حقوق مادی و معنوی مربوط و متعلق به این سایت است.)
برداشت مقالات فقط با اجازه کتبی و ذکر منبع امکان پذیر است.
پ
