شتاب‌دهنده‌ها و آشکارسازهای ذرات – قسمت دوم

شتاب‌دهنده‌ها و باريكه‌ها

همه‌ي شتاب‌دهنده‌ها از نيروي الكترومغناطيسي براي تقويت انرژي ذرات پايدار استفاده مي‌كنند. اين ذرات توسط وسيله‌اي كه يك باريكه‌ي شدت بالا و كم‌انرژي از ذرات توليد مي‌كند، به ماشين شتاب‌دهنده‌ تزريق مي‌شوند. تفنگ الكتروني (يك فيلامان داغ) يا چشمه‌ي يوني پروتون نمونه‌اي از اين وسيله است. شتاب‌دهنده‌هاي مورد استفاده در مطالعات ساختار هسته‌اي به دو گروه جريان ثابت (DC) و جريان متناوب (AC) تقسيم مي‌شوند. در ماشين‌هاي جريان ثابت از يك ميدان شتاب‌دهنده يكنواخت و در ماشين‌هاي جريان متغير از يك ميدان الكتريكي متغير (با فركانس راديويي) استفاده مي‌شود. همه‌ي شتاب‌دهنده‌هاي مورد استفاده در فيزيك ذرات از نوع دوم هستند.

شتاب‌دهنده‌هاي يكنواخت (DC)

قديمي‌ترين نوع شتاب‌دهنده‌ دي‌سي، ماشين كاكرافت-‌والتون است كه در آن يون‌ها از مجموعه‌اي از الكترودهاي هم‌ جهت‌شده با پتانسيل‌هاي رو به افزايش عبور مي‌كنند.

ساده ترین راه شتاب دادن به ذره باردار افت آن از یک اختلاف پتانسیل ثابت v است. هرگاه بار ذره برابر q باشد انرژی جنبشی qv را به دست می آورد. این درست انرژی است که برای بسیاری از مطالعات هسته‌ای نیاز داریم و بنابراین این نوع شتابنده در آزمایشگاه های فیزیک هسته‌ای سراسر جهان کاربرد وسیعی دارد.

تکنولوژی شتابدهنده‌های الکتروستاتیکی شامل برقراری و نگهداری یک پایانه ی ولتاژ بالا به منظور شتاب دادن به ذرات باردار حاصل از چشمه‌ی یون است .

اولین ساخت این نوع شتابدهنده‌ها توسط جان کاکلرافت (John Cockcroft)  و ارنست والتون (Ernest valton) صورت گرفت که در آن خازن‌ها در اتصال موازی به یک پتانسیل مشترک وصل شده‌اند و سپس به طور متوالی تخلیه می‌شوند.

cockcroft-walton

پس به طور کلی و در عمل با یک اتلاف ولتاژ ناشی از جریان اخذ شده از طریق بار رو به رو هستیم که در هر چرخه ولتاژ اعمال شده

  v(t)= v sin wt ،

بار تلف شده را بازگشت می‌دهد . در خلال کار، یکسوسازها همگی در حال هدایت‌اند و خازن‌ها هم در وضع موازی‌اند . نکته قابل توجه این است که این یکسوسازها نارسانا هستند و در نتیجه مانند مدار‌های باز به نظر می‌رسند که در این حالت خازن‌ها به صورت متوالی بسته شده‌اند و در نتیجه‌ی عمل این چرخه، بارداركردن و  تخلیه شدن ولتاژ پایانه ثابت نیست و دارای تغییراتی است که عواملی مانند مقاوت بار خارجی و…. بستگی دارند .

توجه : این تغییرات نیز با تناسب هندسی برحسب تعداد مراحل، افزایش می یابد .

با استفاده از همین تکنیک والتون و کاکلرافت افزایش ولتاژ اولین فروپاشی هسته‌ای ناشی از واکنش ذرات باردار شتاب‌یافته را مورد بررسی قراردادند :

P+7Li→4He+4He

به خاطر سادگی طرح، امروزه استفاده از آن به عنوان مولد چشمه‌ی نوترون و نیز به عنوان یک تزریق کننده ذرات خصوصاً پروتون‌ها برای شتابدهنده‌های انرژی بالاتر ادامه دارد .

(سر جان كاكرافت و ارنست والتون جايزه‌ي نوبل سال 1951 فيزيك را براي ساخت شتاب‌دهنده‌ و آزمايشات بعدي خود در زمينه‌ي فيزيك هسته‌اي با استفاده از همين دستگاه، دريافت نمودند.)

اين ماشين مي‌تواند انرژي‌هاي تا حدود يك ميليون الكترون ولت را فراهم نمايد.

مهمترين ماشين دي‌سي مورد استفاده در اين روزها، شتاب‌دهنده‌ي وان دو گراف است.

مولدهای وان دوگراف اولیه در سال 1931 در درون انباره‌های گنبدی بزرگی ‏نصب ‏شده‌اند. الکترود ولتاژ بالا برروی ستون نارسانا سوار شده‌ بود و ‏اندازه اتاق تا آنجا که ممکن بود توسط نیاز ‏به ساختن مسیر عبور جرقه ‏به زمین ، دیوار و سقف تعیین می‌شد. همچنانکه ولتاژهای بالاتر لازم ‏شد، به ‏زودی معلوم شد که یک فکر دیگری برای افزایش اندازه این ‏شتاب‌ دهنده‌ها باید پیدا شود. ‏جایگزین کردن هوا با فشار جو توسط گازهای با فشار بالا مثل گاز ازت -‏ فریون و ‏یا مخلوط آنها این وظیفه بزرگ را به عهده گرفت.

در واقع اگر فشار در ‏یک گاز افزایش ‌یابدف فاصله‌ي بین ‏مولکول‌ها کوتاه‌تر می‌شود. این امر در ‏مورد پویش آزاد یونها نیز صادق است (پویش آزاد یونها نیز کاهش ‏‏می‌یابد). این بدان معنی است که جرقه در میدان‌های با شدت بالاتر بوجود مي‌آید و در واقع این موردی است که ‏به عنوان مثال ازت در فشار ‏at‏16 ‏می‌تواند گرادیان ‏kv/cm‏200 یا ‏Mv/m‏20 را تحمل کند. ‏نتیجه این امر تقریبا 7 برابر شدن قابلیت ماشین و کاهش ابعاد آن به ‏نسبت1/7 شد. برای مثال مولدهای 5 ‏میلون ولتی را می‌توان در ‏مخزنهای به شعاع 2/5 متر نصب کرد. حتی می‌توان این شتاب دهنده‌ها را ‏بطور ‏افقی سوار کرد که در مورد اولین نسل شتاب دهنده‌های وان‌ دوگراف ‏با هوا این امر ممکن نبود.

4_Tandem_van_de_Graaf

يک شتاب دهنده وان‌ دوگراف شامل سه قسمت اساسی است.‏‏

1)       ‏تانک فشار بالا

2)       مولد الکتریکی ‏DC‏ همراه با موتور حرکت دهنده تسمه نقاله و ‏الکترودهای ولتاژ بالا.‏

3)      متعلقات شتاب دهنده‌ها

متعلقات شتاب‌دهنده‌ها یعنی چشمه یونی ، لوله شتابدهی در مورد ‏مولدهای منفی این چشمه یونی یک تفنگ ‏الکترونی است. صرفنظر از ‏اینکه منبع یونی تفنگ الکترونی باشد یا یک چشمه یونی مثبت ، باید در ‏درون ‏پایانه ولتاژ بالا قرار گیرد.

از آنجایی که این ابزارها برای کار نیاز به منبع برق دارند آنها را می‌توان از ‏یک مولد برق کوچک که ‏توسط همان تسمه نقاله متحرک حامل بار رانده ‏می‌شود تغذیه کرد. فضای دسترس داخل پایانه نسبتا محدود ‏ساخته ‏می‌شود طوری که برای وسایل پیچیده مانند آنچه که برای مثال در تولید ‏یونهای سنگین همانند هسته ‏‏C‏12 بکار می‌رود، عملا بوجود می‌آید.

در مورد لوله شتابدهی باید توجه داشت که آن بتواند در مقابل کل افت ‏پتانسیل از پایانه ‏ولتاژ بالا به زمین تحمل داشته ‌باشد. پس این لوله از ‏حلقه‌های نارسانا که توسط الکترودهای فلزی از هم جدا ‏شده‌اند درست ‏می‌شود. این سازه به منظور افت تدریجی ولتاژ بکار می‌رود.

هر کدام از آن الکترودهای ساندویچی به نقاط مختلف یک مقسم ولتاژ ‏وصل‌ هستند و موجب می‌شوند که میدان ‏الکتریکی به ‌تدریج کاهنده و مضافا ‏عمل کانونی کردن باریکه ذرات شتابدار به سطح مقطع کوچکتر ممکن ‏‏شود.

به منظور اجتناب از ‏جرقه‌ها و سایر انواع نشت جریان الکتریکی، ‏گرادیان ولتاژ باید در همه ‌جا کمینه نگه داشته ‌شود. به ویژه میدان، در ‏طول ‏سیم و لوله‌ي باریکه انتقال یونی، عملاً باید یکنواخت باشد. ‏برای این منظور کل سازه در درون یک قفس که از حلقه‌های فلزی ‏دایروی متساوی الفاصله که به شعاع ‏خارجی الکترود ولتاژ بالا ساخته ‏شده‌اند، قرار دارند. این حلقه‌ها خود به تقسيم‌كننده‌ي ولتاژ آنچنان وصل شده‌اند ‏که ‏اختلاف پتانسیل بین دو حلقه همسایه همیشه برابر ، در نتیجه ‏کاهش ولتاژ از الکترود بالایی به زمین با ‏ملایمت صورت می‌گیرد.

به نظر می‌رسید که بین ولتاژ مورد نیاز و در ازای کل مسیر لوله یک ‏تناسب معین مثلا خطی وجود داشته ‏باشد که تجربیات نخستین نشان ‏داد که این رابطه خطی موجود نیست. بلکه سرعت افزایش طول لوله ‏نسبت به ‏افزایش ولتاژ سریعتر است. عملاً این ولتاژ که حدود ‏‎7Mv‏ است ‏به نام ولتاژ کلی و اثرش به نام اثر ولتاژ کلی ‏معروف است.‏

در یک شتاب دهنده معینی معلوم شده ‌است که رابطه غیر خطی بین ولتاژ ‏کل و جریان ارائه شده به روی تسمه ‏موجود است. چطور تغییر برای بیان ‏این پدیده بوجود آمده و توسعه پیدا کرده است. در یکی از آنها فرض ‏‏می‌شود که الکترونهای ثانویه رها شده از ذرات برخورد کننده به دیواره‌ها و ‏لبه‌های شکافهای تعبیه شده و یا ‏مولکولهای گازهای باقیمانده بر پشت ‏‏‌یا به عقب شتاب می‌گیرد و به پایانه ولتاژ بالای مقبت برخورد کرده و ‏تولید ‏اشعه ایکس می‌کنند. ‏‏اشعه ایکس به نوبه خود بطور نسبی گاز عایق ساز را یونیزه کرده و ‏ایجاد بارهای آزاد می‌کند که انتقال ‏آنها موجب یک بار اضافی روی تسمه ‏می‌شود. چنانچه می‌دانیم ولتاژ و در نتیجه انرژی الکترونها افزایش ‏‏می‌یابد و موجب تولید بیشتر و بیشتر اشعه ایکس می‌شود که همراه آن ‏به تناسب یونش در گاز بیشتر شده ‏نهایتا به یک حالت اشباع می‌رسد.‏

برای کاهش تخلیه و جرقه زنی، مولد در محفظه‌‌ی فشاری محتوی گاز عایق نگهداری می‌شود و در نتیجه از تخلیه جلوگیری به عمل می‌آید و لازم به ذکر است که یک لوله شتابدهنده‌ی تخلیه شده، یون‌ها را به ظرف هدف که در پتانسیل زمین قرار دارد هدایت می‌کند .

نکته: مولد واندوگراف مزیت بسیار بزرگی بر مولد کاکلرافت- والتون دارد . ولتاژ پایانه در واندوگراف فوق‌العاده پایدار و فاقد جریان متناوبی است که در مورد کاکلرافت- والتون دیده می‌شود .

لازم به ذکر است که ضعیف‌ترین حلقه‌ی شتابدهنده که مستلزم بیشترین توجه آزمایشگران است، چشمه‌ی یون مي‌باشد. رشته‌های تخلیه ممکن است سوخته شوند که باید جایگزین شوند و تغییر نوع یون شتابگیرنده نیز غالباً به تغییر تمام یا قسمتی از چشمه‌ی یون نیاز دارد و در نتیجه جایگزین کردن چشمه‌ی یون درداخل پایانه ولتاژ بالا دردسرهای زیادی را برای آزمایش‌کنندگان به وجود می‌آورد که از جمله می‌توان موارد زیر نام برد:

دسترسی به چشمه‌ی یون مستلزم تخلیه پایانه است. بایستي گاز عایق کننده را تخلیه و در جایی انبار کرد. هنگام بازکردن محفظه‌ی تحت فشار، استاندارد‌های نظافت باید به طور دقیق رعایت شوند ( تا از ورود گرد و غبار به داخل محفظه و ایجاد تخلیه به هنگام استفاده مجدد و اعمال ولتاژ جلوگیری شود )

این مراحل و فرآیند‌های پیچیده در این شتاب‌دهنده مستلزم آن است که شتابنده برای ساعت‌ها‌ی زیادی خاموش شود.

طرح دیگری این مسئله را حل می کند که آن استفاده از شتابدهنده واندوگراف تاندم است.

واندوگراف تاندم، يك نوع ابتكاري واندوگراف است كه انرژي ماشين‌هاي ساده را به دو برابر مي‌رساند، به‌طور شماتيك در شكل نشان داده شده است. نكته‌ي كليدي در كاركرد اين ماشين، ايجاد يك ولتاژ بسيار بالاست.

Vand

شتاب‌دهنده‌ي واندوگراف از طريق استفاده از اين واقعيت كه بار هر رسانا در خارجي‌ترين سطح آن تجمع مي‌يابد، كار مي‌كند. اگر اين رسانا با يك رساناي ديگر تماس يابد، مي‌تواند بار خود را به سطح خارجي‌ رساناي جديد منتقل كند. اگر به شكل دقت كنيد،‌ يك چشمه‌ي ولتاژ بالا در I،  يون‌هاي مثبت را از طريق يك ابزار شانه‌اي در نقطه‌ي C به يك كمربند منتقل مي‌سازد. كمربند از طريق حركت خود كه توسط يك موتور ايجاد مي‌شود، يون‌ها را به يك پولي ديگر منتقل مي‌كند كه در آنجا به وسيله‌ي يك شانه‌ي ديگر كه در محفظه‌ي فلزي T قرار گرفته است، به محفظه‌ منتقل مي‌شود.

بارها سپس به سطح خارجي محفظه انتقال مي‌يابند كه به عنوان يك ترمينال گسترده عمل مي‌كند. بدين طريق يك ولتاژ بالا روي محفظه ايجاد مي‌شود. يون‌ها‌ي داراي بار منفي واحد، از يك چشمه‌ به دستگاه منتقل مي‌شوند و در امتداد يك لوله خلاء به سمت T حركت مي‌كنند. در داخل محفظه، يك استريپر (مثل يك برگه‌ي كربني نازك) وجود دارد كه دو يا چند الكترون را از ذرات پرتابه جدا مي‌كند تا يون‌هاي مثبتي را به وجود آورد. اين يون‌ها ضمن عبور از نيمه‌ي دوم دستگاه،‌شتاب يافته و به انرژي‌هاي بالاتري مي‌رسند كه در نهايت توسط يك ميدان مغناطيسي منحرف شده، باريكه‌ي مورد نظر از يون‌هاي مثبت را به وجود مي‌آورند.

 منابع:

كتاب مقدمه‌اي بر فيزيك هسته‌اي و ذرات بنيادي، نوشته‌ي بي‌.آر.مارتين، ترجمه‌ي دكتر نعمت‌اله رياضي

كتاب فيزيك هسته‌اي، نوشته‌ي كنت كرين

وب‌سايت شبكه ملي مدارس، رشد  www.roshd.ir

لینک قسمت اول