شتابدهنده‌ وان دوگراف


تاریخچه

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 فشار در ‏یک گاز افزایش می‌یابد. فاصله 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 ‏بیاید 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 ‏نسبت 7/1 شد. برای مثال مولدهای 5 ‏میلون ولتی را می‌توان در ‏مخزنهای به شعاع 5/2 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.

ساختمان شتاب دهنده وان‌ دوگراف

یک 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



تصویر

معرفی اجزای شتاب دهنده واندوگراف‏

  • متعلقات شتاب دهنده‌ها 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.

کانونش باریکه در شتاب دهنده وان دوگراف

سؤال کانونش یک سوال بنیادی در همه شتاب دهنده‌هاست که در زیر ‏بررسی می‌شود: 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 لوله باریکه انتقال یونی عملا 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 مقسم 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. عملا این ولتاژ که حدود ‏‎7Mv‏ است ‏به نام ولتاژ کلی و اثرش به نام اثر ولتاژ کلی ‏معروف است.‏

ویژگیهای طراحی شتاب دهنده

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.‏

بهینه سازی شتاب دهنده های ایستایی

راه حل هوشمندانه‌ای برای حل مسأله جریان پشتی شتاب دهنده توسط وان ‌دوگراف ، ‏رولز و ویتکار در سال ‏‏1962 پیش بینی شده‌ است. این راه‌ حل کاملا اثر ‏ولتاژ کلی را برطرف می‌کند. لوله‌های معمولی شتابدهی با ‏الکترودهای ‏قائم بر محور طولی لوله درست می‌شوند. این سه نفر به جای آن ‏لوله‌هایی به شکل مایل (مورب) ‏درست کردند. ‏این الکترودهای مایل موجب بروز مؤلفه شعاعی میدان الکتریکی ‏می‌شوند، در نتیجه این امر طول خطوط ‏نیروی میدان الکتریکی به کسر ‏کوچکی از طول لوله کاهش پیدا کرد. به عبارت دیگر الکترونی که در طول ‏‏خط نیرو حرکت می‌کند قبل از رسیدن به انرژی کابل به یک الکترود برخورد ‏می‌کند. این مایل بودن میدان ‏یک در میان معکوس می‌شود. به طوری که ‏اثر کلی آنها روی باریکه یونی به طور میانگین صفر می‌شود.

مباحث مرتبط با عنوان



تعداد بازدید ها: 21757