عرفان سلیم زاده
22nd September 2011, 06:31 PM
1)مقدمه
زماني كه دانشمندان فيزيك (http://www.tebyan.net/mobile.aspx/Comment/adabi-honari/83/06/html/index.aspx?pid=87077) هسته اي سخت مشغول مطالعات ذرات بنيادي و تبديل اتم به اتم ديگري بودند،ايده بمباران هسته اتم به عنوان هدف توسط ذره هاي باسرعت بالا شكل گرفت. تا آن زمان تنها ذره با سرعت زياد، ذره آلفا بود كه از مواد راديو اكتيو طي فرآيند واپاشي گسل مي شد. در آن زمان سوال براي دانشمندان فيزيك هسته اي اين بود كه آيا اين امكان وجود دارد كه با اعمال اختلاف پتانسيل بتوان ذرات اتمي را با انرژي و شتاب زياد به هدفي برخورد داد كه به توليد و تحقيق درباره عناصر مصنوعي مورد نظرپرداخته شود؟
تئوري اثر تونل نتيجه و راهبردي بود كه توسط گامو به رادفورد پيشنهاد گرديد و سپس با اختيارات واگذار شده از سوي رادفورد به كاك كرافت و والتون اولين تلاشها در اين راستا به عمل آمد. طبيعي بود كه اعمال اين اختلاف پتانسيل، فقط روي ذرات باردار، آنهم در ميدان هاي الكتريكي يا مغناطيسي ميتواند ميسر باشد. در آن زمان فقط مطالعات وبر همكنش ذرات هسته اي وتوليد عناصر وايزوتوپهاي مفيد حائز اهميت بودند.
بنابراين دراين راستا، دانشمندان فيزيك هسته اي مي بايد در جستجوي دستيابي به باريكه هايي از ذرات باردار وپر انرژي باشند كه پاسخ در نياز به انرژي هاي چند مگا الكترون ولت ودر بعضي موارد، به دليل طبيعت ماده، انرژي چندين گيگا الكترن ولت را برآورده سازد.
در هر صورت، چنين پذيرفته شد كه به طور اصولي هيچ امكاني ساده تر از شتاب دادن به ذرات به انرژي هاي بالاتر نيست. لازمه اين امر در اين است كه ابتدا تعداد زيادي از ذرات يك گاز مناسب در يك قوس الكتريكي يا چشمه توليد يون، يونيزه شوند.درواقع، اتمهاي هر گازي دراين شرايط تااندازه اي يا كاملاً از الكترونهاي خود كنده شده و توليد يون مثبت ميكنند.
به عنوان مثال از گاز هيدروژن، پروتون واز گاز ذرات آلفا توليد ميشود. لذا وقتي ذرات باردار توليد شدند، آنها به آساني در يك ميدان الكتريكي شتاب مي گيرند. يونهاي مثبت از الكترود مثبت پس زده شده و به سمت الكترود منفي سوق پيدا كرده وجذب مي شوند. اگر يونها يك بار داشته باشند، مثل پروتن يا دوترون، انرژي جنبشي آنها در هنگام ورود به الكترود منفي حدود يك الكترون ولت مي باشد كه برابر است با اختلاف بالقوه هر ولت بين دو الكترود.
اگر ولتاژ بالاتري تامين شود، پروتون به مقدارE الكترون ولت انرژي دريافت مي كندو صرف نظر از طول لوله شتابدهنده اختلاف Eولت ميشود. در اينجا مشكل شتاب دادن ذرات توليد شده با انرژي هاي بالايي دارند كه نياز به ولتاژ بالا دارد، ولتاژ بالا هم داراي مشكل نگهداري وعايق كاري الكتريكي است.
در هر صورت، اين سدها يكي پس از ديگري مرتفع گرديد و امروزه ذرات را با سرعت نزديك به سرعت نور وبا انرژي هاي حتي يك تريليون الكترون ولت در شتاب دهنده هاي كوچك و بزرگ شتاب مي دهند. به همين دليل در دنياي امروز، اندازه شتاب و كاربرد آنها طيف بسيار گسترده وشايد هم غير قابل باوري را ايجاد كرده است. حجم و ابعاد شتابدهنده ها از حدود يك متر تا اندازه يك شهر با كاربردهايي جهت حل پيچيده ترين موضوعات دنياي فيزيك هسته اي از ذرات فيزيك بنيادي، تا كاربردهاي پزشكي، صنعتي، زيست محيطي و نانو تكنولوژي (http://www.tebyan.net/mobile.aspx/Comment/adabi-honari/83/06/html/index.aspx?pid=44957) را شامل ميشود.
2)اجزاي شتابدهنده
در سيستمهاي امروزي، ذرات باردار مثبت از بمباران يك گاز با الكترونهاي پر انرژي در نتيجه يونيزاسيون حاصل مي شوند. گاز هيدروژن از بالا به محفظه اي در آن الكترون از فلامنت كاتد گسل شده وبه سوي آند شتاب مي گيرد، جريان دارد. عبور الكترونها از ميان گاز سبب يونيزاسيون آن وتوليد يونهاي مثبت مي شود، انرژي ذرات باردار متناسب با انرژي ويا اختلاف پتانسيل الكترونها است.
اين يونهاي مثبت بايد از اين محيط استخراج وبه داخل سيستم اصلي تزريق شوند،در موارد معمولي، اين يونهاي مثبت بوسيله الكترواستاتيك هاي ساده به داخل لوله شتابدهنده جذب مي شوند يا در بعضي موارد ممكن است اين خود يك تزريق كننده به يك شتابدهنده باشد كه شتابدهنده بزرگتر را به عنوان يك چشمه ذرات باردار مثبت تغذيه ميكند. وضعيت خلاء براي استخراج يا تزريق باريكه ذرات باردار 4-10 ودر محل يونيزاسيون 2-10 پاسكال است. اصول بمباران توسط الكترونها، براي انواع مختلف چشمه هاي توليد يون براي برآورد نيازهاي طيف وسيعي از شتابدهنده هاي ذرات باردار، مشابه و تقريباً يكسان است. بنابراين چشمه ها ممكن است توليد كننده يونهاي منفي، الكترون ها، يا يونهاي مثبت باشند.
بنابراين اجزاي يك شتاب دهنده مي تواند شامل موارد زير باشد:
1. چشمه يوني يا سيستم تزريق كننده
2. ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي
3.سيستم خلاء
4. هدف
5. سيستمهاي الكترونيك و آشكار ساز
6. سيستمهاي كامپيوتري ونرم افزاري
http://img.tebyan.net/big/1387/12/71971231282092011920137122131415060169171.jpg (http://www.tebyan.net/mobile.aspx/Comment/adabi-honari/83/06/html/bigimage.aspx?img=http://img.tebyan.net/big/1387/12/842217859662432056918724566198391012736.jpg)
3)اختراع اولين شتابدهنده
رادفورد اولين عنصر مصنوعي را از ذرات آلفا گسيل شده پلونيم_214در 1919م ساخت كه بدينوسيله تبديل عناصر به يكديگر را ممكن نمود. اولين شتاب دهنده توسط كاك راف و والتون در سال1932با اعمال ولتاژ بالا با موفقيت آزمايش شد. توسعه نظري تونل گامودر مورد فرو پاشي آلفا سبب شد كه هاترمن يك واكنش متضاد را پيشنهاد كند وآن برخورد يك پروتن با انرژي بالا از طريق نفوذ سد پتانسيل كولني بر هسته به عنوان هدف بود .
محاسبات نشان ميدهند كه چنين پديده اي مي تواند حتي در حدود انرژيkeV100 اتفاق افتد. كاك رافتكه يك مهندس برق بود، متوجه شد كه شتاب دادن پروتونها در چنين انرژي هايي در يك مولد پر انرژي مي تواند امكان پذير باشد. لذا وي و همكارش والتون مبادرت به ساخت چنين دستگاه ارزشمندي كردند. در يك شتابدهنده تك مرحله اي مثل شتابدهنده كاك رافت و والتون كل انرژي توليد شده از يك مولد با ولتاژ بالا است كه در سرتاسر شتابدهنده براي شتاب ذرات باردار بين چشمه يوني وهدف اعمال مي گردد. انرژي جنبشي براي هر ذره عبارت است از:
Ekin=nqV
در اينجاqبار يونهاي شتاب يافتهبرحسب كولن،Vسرعت اعمال شده در مسير ذرات وnتعداد مراحل شتاب دهي است كه در مورد ماشين كرافت_والتون برابر يك مي باشد.
شتابدهنده هاي بالا هنوز هم براي حصول به انرژي جنبشي پايين تا پروتون هاي با انرژي MeV4مي شوند.اكنون چنين شتاب دهنده هايي در بسياري از تاسيسات فيزيك هسته اي به عنوان مرحله اول شتاب دهي و تزريق كننده درماشينهاي بزرگتروپيچيده تري كه براي توليد باريكه انرژي بالا طراحي شده اند استفاده مي شوند.
در يكي از آزمايش ها، از گاز هيدروژن يون منفي حاوي دو الكترون ويك پروتون،توليد شد. يونهاي با ولتاژ مثبت شتاب داده شده اندو انرژي eV75000يا keV570رسيد. اين انرژي 30برابربيشتر از انرژي باريكه الكترون در تلويزيون ها است.
در سالهاي اخير شتاب دهنده هاي نسبتاً ارزانو كوچك مورد استفاده قرار گرفته اند كه مبتني بر اصول همان ماشين هاي كاك رافت_والتون كار مي كنند. اين ماشين ها به نام شتابدهنده هاي مبدل يكسو سازشناخته شده اند واصولاً براي الكترونها يا دوترون ها جهت توليد نوترون استفاده شده اند.
هدف هاي تريتيم، با دوترونهاي شتاب داده شده بمباران مي شوند. نظريه سد پتانسيل كولني براي اين واكنش حتي در انرژي هاي MeV1/0نتايج خوبي به دست داده است.
http://img.tebyan.net/big/1387/12/1082362913516713425183112971208183177111.jpg (http://www.tebyan.net/mobile.aspx/Comment/adabi-honari/83/06/html/bigimage.aspx?img=http://img.tebyan.net/big/1387/12/1632227214419676219196111178502271797016165.jpg)
گردآوري: مژده اصولي
تنظيم براي تبيان: محسن مرادي
زماني كه دانشمندان فيزيك (http://www.tebyan.net/mobile.aspx/Comment/adabi-honari/83/06/html/index.aspx?pid=87077) هسته اي سخت مشغول مطالعات ذرات بنيادي و تبديل اتم به اتم ديگري بودند،ايده بمباران هسته اتم به عنوان هدف توسط ذره هاي باسرعت بالا شكل گرفت. تا آن زمان تنها ذره با سرعت زياد، ذره آلفا بود كه از مواد راديو اكتيو طي فرآيند واپاشي گسل مي شد. در آن زمان سوال براي دانشمندان فيزيك هسته اي اين بود كه آيا اين امكان وجود دارد كه با اعمال اختلاف پتانسيل بتوان ذرات اتمي را با انرژي و شتاب زياد به هدفي برخورد داد كه به توليد و تحقيق درباره عناصر مصنوعي مورد نظرپرداخته شود؟
تئوري اثر تونل نتيجه و راهبردي بود كه توسط گامو به رادفورد پيشنهاد گرديد و سپس با اختيارات واگذار شده از سوي رادفورد به كاك كرافت و والتون اولين تلاشها در اين راستا به عمل آمد. طبيعي بود كه اعمال اين اختلاف پتانسيل، فقط روي ذرات باردار، آنهم در ميدان هاي الكتريكي يا مغناطيسي ميتواند ميسر باشد. در آن زمان فقط مطالعات وبر همكنش ذرات هسته اي وتوليد عناصر وايزوتوپهاي مفيد حائز اهميت بودند.
بنابراين دراين راستا، دانشمندان فيزيك هسته اي مي بايد در جستجوي دستيابي به باريكه هايي از ذرات باردار وپر انرژي باشند كه پاسخ در نياز به انرژي هاي چند مگا الكترون ولت ودر بعضي موارد، به دليل طبيعت ماده، انرژي چندين گيگا الكترن ولت را برآورده سازد.
در هر صورت، چنين پذيرفته شد كه به طور اصولي هيچ امكاني ساده تر از شتاب دادن به ذرات به انرژي هاي بالاتر نيست. لازمه اين امر در اين است كه ابتدا تعداد زيادي از ذرات يك گاز مناسب در يك قوس الكتريكي يا چشمه توليد يون، يونيزه شوند.درواقع، اتمهاي هر گازي دراين شرايط تااندازه اي يا كاملاً از الكترونهاي خود كنده شده و توليد يون مثبت ميكنند.
به عنوان مثال از گاز هيدروژن، پروتون واز گاز ذرات آلفا توليد ميشود. لذا وقتي ذرات باردار توليد شدند، آنها به آساني در يك ميدان الكتريكي شتاب مي گيرند. يونهاي مثبت از الكترود مثبت پس زده شده و به سمت الكترود منفي سوق پيدا كرده وجذب مي شوند. اگر يونها يك بار داشته باشند، مثل پروتن يا دوترون، انرژي جنبشي آنها در هنگام ورود به الكترود منفي حدود يك الكترون ولت مي باشد كه برابر است با اختلاف بالقوه هر ولت بين دو الكترود.
اگر ولتاژ بالاتري تامين شود، پروتون به مقدارE الكترون ولت انرژي دريافت مي كندو صرف نظر از طول لوله شتابدهنده اختلاف Eولت ميشود. در اينجا مشكل شتاب دادن ذرات توليد شده با انرژي هاي بالايي دارند كه نياز به ولتاژ بالا دارد، ولتاژ بالا هم داراي مشكل نگهداري وعايق كاري الكتريكي است.
در هر صورت، اين سدها يكي پس از ديگري مرتفع گرديد و امروزه ذرات را با سرعت نزديك به سرعت نور وبا انرژي هاي حتي يك تريليون الكترون ولت در شتاب دهنده هاي كوچك و بزرگ شتاب مي دهند. به همين دليل در دنياي امروز، اندازه شتاب و كاربرد آنها طيف بسيار گسترده وشايد هم غير قابل باوري را ايجاد كرده است. حجم و ابعاد شتابدهنده ها از حدود يك متر تا اندازه يك شهر با كاربردهايي جهت حل پيچيده ترين موضوعات دنياي فيزيك هسته اي از ذرات فيزيك بنيادي، تا كاربردهاي پزشكي، صنعتي، زيست محيطي و نانو تكنولوژي (http://www.tebyan.net/mobile.aspx/Comment/adabi-honari/83/06/html/index.aspx?pid=44957) را شامل ميشود.
2)اجزاي شتابدهنده
در سيستمهاي امروزي، ذرات باردار مثبت از بمباران يك گاز با الكترونهاي پر انرژي در نتيجه يونيزاسيون حاصل مي شوند. گاز هيدروژن از بالا به محفظه اي در آن الكترون از فلامنت كاتد گسل شده وبه سوي آند شتاب مي گيرد، جريان دارد. عبور الكترونها از ميان گاز سبب يونيزاسيون آن وتوليد يونهاي مثبت مي شود، انرژي ذرات باردار متناسب با انرژي ويا اختلاف پتانسيل الكترونها است.
اين يونهاي مثبت بايد از اين محيط استخراج وبه داخل سيستم اصلي تزريق شوند،در موارد معمولي، اين يونهاي مثبت بوسيله الكترواستاتيك هاي ساده به داخل لوله شتابدهنده جذب مي شوند يا در بعضي موارد ممكن است اين خود يك تزريق كننده به يك شتابدهنده باشد كه شتابدهنده بزرگتر را به عنوان يك چشمه ذرات باردار مثبت تغذيه ميكند. وضعيت خلاء براي استخراج يا تزريق باريكه ذرات باردار 4-10 ودر محل يونيزاسيون 2-10 پاسكال است. اصول بمباران توسط الكترونها، براي انواع مختلف چشمه هاي توليد يون براي برآورد نيازهاي طيف وسيعي از شتابدهنده هاي ذرات باردار، مشابه و تقريباً يكسان است. بنابراين چشمه ها ممكن است توليد كننده يونهاي منفي، الكترون ها، يا يونهاي مثبت باشند.
بنابراين اجزاي يك شتاب دهنده مي تواند شامل موارد زير باشد:
1. چشمه يوني يا سيستم تزريق كننده
2. ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي
3.سيستم خلاء
4. هدف
5. سيستمهاي الكترونيك و آشكار ساز
6. سيستمهاي كامپيوتري ونرم افزاري
http://img.tebyan.net/big/1387/12/71971231282092011920137122131415060169171.jpg (http://www.tebyan.net/mobile.aspx/Comment/adabi-honari/83/06/html/bigimage.aspx?img=http://img.tebyan.net/big/1387/12/842217859662432056918724566198391012736.jpg)
3)اختراع اولين شتابدهنده
رادفورد اولين عنصر مصنوعي را از ذرات آلفا گسيل شده پلونيم_214در 1919م ساخت كه بدينوسيله تبديل عناصر به يكديگر را ممكن نمود. اولين شتاب دهنده توسط كاك راف و والتون در سال1932با اعمال ولتاژ بالا با موفقيت آزمايش شد. توسعه نظري تونل گامودر مورد فرو پاشي آلفا سبب شد كه هاترمن يك واكنش متضاد را پيشنهاد كند وآن برخورد يك پروتن با انرژي بالا از طريق نفوذ سد پتانسيل كولني بر هسته به عنوان هدف بود .
محاسبات نشان ميدهند كه چنين پديده اي مي تواند حتي در حدود انرژيkeV100 اتفاق افتد. كاك رافتكه يك مهندس برق بود، متوجه شد كه شتاب دادن پروتونها در چنين انرژي هايي در يك مولد پر انرژي مي تواند امكان پذير باشد. لذا وي و همكارش والتون مبادرت به ساخت چنين دستگاه ارزشمندي كردند. در يك شتابدهنده تك مرحله اي مثل شتابدهنده كاك رافت و والتون كل انرژي توليد شده از يك مولد با ولتاژ بالا است كه در سرتاسر شتابدهنده براي شتاب ذرات باردار بين چشمه يوني وهدف اعمال مي گردد. انرژي جنبشي براي هر ذره عبارت است از:
Ekin=nqV
در اينجاqبار يونهاي شتاب يافتهبرحسب كولن،Vسرعت اعمال شده در مسير ذرات وnتعداد مراحل شتاب دهي است كه در مورد ماشين كرافت_والتون برابر يك مي باشد.
شتابدهنده هاي بالا هنوز هم براي حصول به انرژي جنبشي پايين تا پروتون هاي با انرژي MeV4مي شوند.اكنون چنين شتاب دهنده هايي در بسياري از تاسيسات فيزيك هسته اي به عنوان مرحله اول شتاب دهي و تزريق كننده درماشينهاي بزرگتروپيچيده تري كه براي توليد باريكه انرژي بالا طراحي شده اند استفاده مي شوند.
در يكي از آزمايش ها، از گاز هيدروژن يون منفي حاوي دو الكترون ويك پروتون،توليد شد. يونهاي با ولتاژ مثبت شتاب داده شده اندو انرژي eV75000يا keV570رسيد. اين انرژي 30برابربيشتر از انرژي باريكه الكترون در تلويزيون ها است.
در سالهاي اخير شتاب دهنده هاي نسبتاً ارزانو كوچك مورد استفاده قرار گرفته اند كه مبتني بر اصول همان ماشين هاي كاك رافت_والتون كار مي كنند. اين ماشين ها به نام شتابدهنده هاي مبدل يكسو سازشناخته شده اند واصولاً براي الكترونها يا دوترون ها جهت توليد نوترون استفاده شده اند.
هدف هاي تريتيم، با دوترونهاي شتاب داده شده بمباران مي شوند. نظريه سد پتانسيل كولني براي اين واكنش حتي در انرژي هاي MeV1/0نتايج خوبي به دست داده است.
http://img.tebyan.net/big/1387/12/1082362913516713425183112971208183177111.jpg (http://www.tebyan.net/mobile.aspx/Comment/adabi-honari/83/06/html/bigimage.aspx?img=http://img.tebyan.net/big/1387/12/1632227214419676219196111178502271797016165.jpg)
گردآوري: مژده اصولي
تنظيم براي تبيان: محسن مرادي