موضوع:
فهرست مقالات فیزیک شتاب دهنده
دید کلی
دستیابی به
انرژی بالا
یکی از آرزوهای فیزیکدانان ، شیمیدانان ، دانشمندان طب و ... و حتی با
وجود امکان دسترسی به انرژی بالا هنوز هم تلاشها برای فراهم آوردن انرژیها
بالاتر ادامه دارد زیرا انرژی بالا در شناخت و بررسی
جهان ریز
(مثل سیستمهای اتمی) و جهان بزرگ (مثل کهکشانها) و در کشف پدیدههای موجود
در این جهانها با ایجاد تسهیلات فراوان مؤثر واقع میشود. آیا در تشخیص
فرد خاصی در انبوه جمعیت ، مثلا دانش آموزان یک دبستان ، از راه دور به
رحمت افتادهاید؟
برای این تشخیص یا به داخل جمعیت میرود یا در محل ایستادن خودتان از یک
دوربین کمک میگیرد. انرژی بالا نیز با وضع مشابهی به فیزیکدان یا شیمیدان در کشف پدیدههای جدید کمک می دهد.
شتاب دهندهها دستگاههایی هستند که از طریق
شتاب دادن ذرات در میدانهای الکتریکی یا مغناطیسی به منظور دادن انرژی بالا به آنها بکار میروند. این ماشینها در کشف
ذرات ریز اتمی فیزیکدانان و در
تجزیه ساختار ترکیبات شیمیدانان را یاری رسانده و دانشمندان طب را برای مبارزه با بیماریها مسلح می کند.
مکانیزمهای شتاب دادن ذرات
سازندههای
شتاب دهنده به طرق گوناگونی موفق به
شتاب دادن ذرات باردار شده اند. برخی از آنان از طریق اعمال
ولتاژ مستقیم
بین دو ترمینال برای شتاب ذرات باردار به سمت هدف استفاده کردهاند و برخی
دیگر از طریق حمل بار با ابزار مکانیکی مثل تسمه و قرقره به محفظهای که
شامل منبع یونهای با بار همنوع بار حمل شده به این محفظه است، به شتاب
ذرات باردار پرداختهاند. بعضی توانستهاند از طریق شتاب دادن کوچک متوالی
ذرات باردار به انرژی بالا دست یابند.
وجود نواقصی در روشهای مذکور سازندهها را به استفاده از روشهای پیشرفته برای شتاب ذرات واداشته است
«شتاب دهنده پیشرفته).
یکی از این روشها شتاب دادن ذرات باردار روی مسیر مارپیچی دایروی به کمک
میدانهای مغناطیسی بوده که خود این روش نیز در طی تکامل خود روش بهتری را
سبب شده است مثلا در مسیر مارپیچ دایروی برای رسیدن به ذرات با
انرژی خیلی بالا لازم است که طول این مسیر را طولانی کنند ولی استفاده از تغییر اندازه
میدان مغناطیسی
و تغییر فرکانس توانستهاند به جای مسیر مارپیچ دایروی ، ذرات باردار روی
دایرههای هم مرکز شتاب بزرگی بدهند. علاوه بر اینها با استفاده از
مغناطیسهای فوق هادی به جای
مغناطیسهای معمولی قدم دیگری برداشته و در صدد ساختن شتاب دهندههای عظیم و کامل نهادهاند.
اجزای شتاب دهندهها
شتاب دهندهها از چهار جز درست شدهاند. جز
اول چشمه ذرات است که ذرات باردار الکتریکی تولید میکند، چرا که بسیاری
از دستگاههای شتاب دهنده از
میدانهای الکتریکی و
مغناطیسی برای شتاب دادن استفاده میکنند. چشمهها ممکن است یونهای منفی ،
الکترونها ، یا یونهای مشابه تولید کنند. از بین یونهای مثبت مخصوصا
پروتونها و
ذرات آلفا
متداول میباشد. یونها پس از تولید شدن باید به داخل سیستم تزریق شوند.
گاهی این کار فرآیند سادهای است که در آن یونها بوسیله الکترواستاتیکهای
ساده به داخل
لوله شتاب دهنده
جذب میشوند. در حالتهای دیگر تزریق کننده خود یک شتاب دهندهای است که
شتاب دهنده بزرگتری را تغذیه میکند. طریق شتاب دادن از دستگاهی به دستگاه
دیگر متفاوت است. ولی همه آنها بر اساس
میدانهای الکترومغناطیسی برای بوجود آوردن
شتاب استوار هستند. در نهایت ذرات پایدار از
ماشین شتاب دهنده خارج شده و بسوی هدف هدایت شوند.
انواع شتاب دهندهها
شتاب دهندهها از نظر اندازه و طرح بسیار متنوع هستند، از یک مولد نوترون
کاک کرافت والتن گرفته که بوسیله یک فرد قابل حمل است تا
شتاب دهنده SSL که محیط دایره آن در حدود 54 مایل میباشد.
شتابدهندههای کاک کرافت والتن
این شتاب دهنده از ولتاژ مستقیم
اعمال شده بین دو ترمینال برای شتاب دادن ذرات به سمت یک هدف استفاده
میکند. این نوع شتاب دهندهها اکثرا به عنوان
تزریق کننده برای سیستمهای بزرگتر شتاب دهنده بکار میروند.
شتاب دهنده وان دوگراف
در این نوع شتاب دهنده تسمهای از جنس یک
ماده غیر هادی بر روی دو قرقره قرار داده شده و قرقرهها بطور پیوسته
چرخانده میشوند. در یک انتها ، یک منبع ولتاژ ، بار مثبت را به روی تسمه
میپاشد. ذرات باردار مثبت بوسیله تسمه به قرقره که در داخل یک گنبد فلزی
میان تهی قرار دارد، حمل میشوند. بارهای مثبت بوسیله نشانهای متصل به
گنبد از تسمه جدا شده و بر روی سطح کره توزیع میگردند. در داخل کره میان
تهی با بار مثبت یک منبع یونی وجود دارد که میتواند یونهای مثبت تولید
کند. بارهای مثبت همدیگر را دفع میکنند. یونهای مثبت دفع شده در یک
لوله شتاب دهنده تا پتانسیل زمینه به سمت پایین شتاب داده شود. هدف در انتهای این لوله باریکه قرار دارد.
شتاب دهندههای وان دوگراف در کاربردهای تجزیهای جهت تجزیه به طریق فعال سازی با ذره باردار ، نشر
اشعه ایکس حاصله از ذره ، تجزیه بطریق فعالسازی با نوترون سریع و
اسپکترومتری پراکندگی برگشتی رادرفورد بکار میروند.
شتاب دهندههای خطی
اولین شتاب دهنده از این نوع
شتاب دهنده لیناک
بوده که هدف اصلی آن دادن شتابهای کوچک زیاد به ذرات ، به جای یک شتاب
بزرگ است. در این شتاب دهنده ذرات از میان یک سری از لولههای میان تهی که
بر روی یک خط مستقیم ترتیب یافتهاند شتاب داده میشوند. یونهای حاصله از
چشمه در اولین لوله که دارای بار مخالف است، جذب میشوند. با رسیدن ذره به
انتهای لوله با تغییر علامت ولتاژ لوله ، ذره از این لوله دفع شده و در
لوله بعدی جذب میگردد. تا زمانی که ذرات انرژی دارند این عمل ادامه پیدا
میکند. با عبور ذره از میان هر لوله افزایش مییابد. این نوع شتاب دهنده
در فرآیندهای تشعشعی صنعتی ، در تحقیقات فیزیک و برای
درمان طبی تشعشعی استفاده میشود.
سیکلوترونها
در
این نوع شتاب دهنده
ذره به جای اینکه روی مسیر مستقیمی شتاب داده شود در یک مدار مارپیچی نیم
دایرهای شتاب داده میشود. سیکلوترون دارای یک چشمه یونی است که بین دو
صفحه نیم دایره میان تهی قرار گرفته است. به این صفحهها «
دی» گفته میشود. ذرات بر اثر اعمال یک
میدان مغناطیسی
در مسیری دایروی حرکت می کند و با عوض شدن علامت ولتاژ صفحهها ذرات نسبت
به مرحله قبلی در مسیری با شعاع بزرگتر قرار میگیرند و انرژی بیشتری پیدا
میکنند. سرانجام شعاع مسیر مارپیچی ذرات که باید سیکلوترون آن را در حرکت
بعدی خود نگه دارد بسیار بزرگ شده و ذرات بصورت الکتریکی از داخل
سیکلوترون به طرف هدف منحرف میشود. سیکلوترونهای ساده در حال حاضر به
عنوان تزریق کننده برای سیستمهای شتاب دهنده بزرگتر بکار میروند. همچنین
از این شتاب دهندهها در مقاصد پزشکی استفاده میشود.
سنکروترونها
در این نوع شتاب دهندهها
از طریق تغییر میدان مغناطیسی و فرکانس امکان حرکت ذرات در مدارها با شعاع
ثابت به جای مواد مارپیچی سیکلوترون فراهم میشود. در این شتاب دهندهها
به جای «دی»ها تنها یک لوله بسته انحنادار وجود دارد که حاوی ذرات است. مغناطیسهای
به شکل C در تناوبهای طول لوله جایگزین شدهاند. ذرات بوسیله یک شتاب
دهنده کوچکتر به داخل حلقه تزریق شده و در داخل لوله بوسیله مغناطیسها
نگهداری میشوند. شتاب ذرات بوسیله حفرههای شتاب دهنده انجام میگیرد.
این شتاب دهنده برای شتاب الکترونها و یونهای مثبت بکار میروند.
منبع: دانشنامه ی رشد
لینک وادامه مطلب
نظر
نویسنده: امیر حسین ستوده بیدختی
