HIZLANDIRICI FİZİĞİ
Doğru Akım Hızlandırıcıları
Semra DEMİRÇALI
Fen Bilimleri Öğretmeni – DENİZLİ
(TTP-7 Katılımcısı)
05/03/2018
İÇİNDEKİLER
1. Elektrostatik Hızlandırıcılar
1.1. Cockroft- Walton Hızlandırıcısı
1.2. Van de Graaff Hızlandırıcısı
2
• Maddenin temel yapı taşlarını ve aralarındaki etkileşmeleri inceleyen bilim dalına “parçacık fiziği” denir.
• Maddenin çok küçük boyutlardaki yapısını incelemek için, maddeyi çok yüksek enerjilerde çarpıştırmak gerekmektedir. Çarpışma enerjisi ne kadar büyük olursa o kadar küçük boyutlarda inceleme olanağı bulunmaktadır.
• Bunun için de parçacık hızlandırıcıları kullanılıyor. CERN’de birbirini tamamlayarak en yüksek enerjilere ulaşılmasını sağlayan bir takım hızlandırıcıların yanında kendi enerji sınırlarında yapılan deneylere de ev sahipliği yapabilen çeşitli hızlandırıcılar bulunmaktadır.
3
CERN hızlandırıcı yapısının bütünü
4
1. Elektrostatik Hızlandırıcılar
• Elektrostatik hızlandırıcıların çalışma prensibi,
yüklü parçacıkların sabit bir potansiyel
farkından geçirilerek hızlandırılmasına
dayanır.
5
1. Elektrostatik Hızlandırıcılar
6
1. Elektrostatik Hızlandırıcılar
• En basit elektrostatik hızlandırıcı,
bir doğru akım üretecinin iki kutbuna bağlanmış bir çift paralel
levhadır.
• İki levha arasına bir gerilim
uygulandığında levhalar arasında
şekildeki gibi elektrik alan oluşur.
Yüklü parçacıklar, oluşturulan bu elektrik alanda hızlandırılabilir.
7
1. Elektrostatik Hızlandırıcılar
• Yüklü bir parçacık; aralarında belirli bir gerilim bulunan iki paralel levha arasında hızlandırıldığında kazandığı kinetik enerji, parçacığın yükü ve levhalar arasında bulunan potansiyel farkının çarpımı kadardır.
• ΔE=q. ΔV
• Elektrik alan içerisinde bulunan pozitif yüklü parçacıklara elektrik alan yönünde, negatif yüklü parçacıklara ise elektrik alana zıt yönde bir kuvvet uygulanır.
8
• Hızlandırıcı fiziğinde enerji
birimi olarak elektron-volt
(eV) kullanılmaktadır. eV,
bir elektronun bir voltluk
potansiyel farkında
hızlandırıldığında kazandığı
kinetik enerjidir. Şekildeki
elektron A levhasından B
levhasına kadar
hızlandığında iki levha
arasında kazandığı kinetik enerji 1eV’tur.
9
• Böyle bir sistemle parçacıkları yüksek enerjilere çıkarabilmek için
yüksek gerilim verebilen bir üreteç kullanılmalıdır.
• Fakat bu iki levha (elektrotlar) arasında yüksek gerilim
oluşturulduğunda, levhalar etrafında elektrik alan değeri yüksek
olacağından elektrik boşalması riski artmaktadır. Örneğin, açık
havada bir iletken etrafında elektrik alan 3MV/m (Milyon
Volt/Metre) değerini geçmemelidir.
• Parçacıkları yüksek enerjilere çıkarabilmek ve elektrik boşalması
riskini azaltmak için üretecin geriliminin paylaştırıldığı bir dizi elektrot kullanılabilir.
• Cockcroft- Walton ve Van de Graaff hızlandırıcıları yaygın olarak kullanılan elektrostatik hızlandırıcı çeşitleridir.
10
1.1. Cockroft- Walton Hızlandırıcısı
• 1928 yılında Rutherford’ un iki öğrencisi John D. Cockroft ve Ernest
T. S. Walton, Rutherford’un desteği ile, proton hızlandırmada
kullanılmak üzere 800kV’luk bir üreteç tasarlamaya başladılar.
• John Cockroft ve Erntest Walton, ürettikleri elektrostatik hızlandırıcı
ile 1932 yılında protonları 400keV enerjiye kadar hızlandırıp bir
lityum tabakasına vurdurdular. Hızlandırılmış protonlar lityum
atomunun çekirdeğini parçalayarak iki helyum atomu çekirdeği
meydana getirdi. ( 7Li + p 4He + 4He).
• Bu deney, yapay olarak, bir atom çekirdeğinin parçalandığı ilk deneydir.
Lityum + proton = 2 Helyum çekirdeği + Enerji
11
Cockroft-Walton jeneratörü
12
Cockroft-Walton Hızlandırıcısının
Şeması
13
Proton kaynağı
Hedef Enerji limiti yaklaşık 1,5 MeV
• Şekildeki, yüksek gerilim üretecinin çalışması, bir
alternatif akım üretecinin geriliminin diyot ve
kapasitörlerden oluşan bir devre aracılığı ile
çoğaltılması prensibine dayanır.
• Şeklin sol tarafında gösterildiği gibi maksimum
gerilimi U0 olan bir alternatif akım üretecinin
gerilimi sekiz kat çoğaltılarak doğru akıma
çevrilebilir.
• Elde edilen bu yüksek gerilim, hızlandırıcı
sisteminde protonları hızlandırmak için kullanılabilir.
14
• Şeklin sağ tarafında gösterilen hızlandırıcı
sistemi bir dizi elektrottan meydana gelmiştir.
• Bu üreteçte elde edilen yüksek gerilim,
dirençler yardımı ile elektrotlara
paylaştırılmıştır. Protonlar şeklin üst tarafında
bulunan kaynaktan çıkarak elektrotlar arasında
hızlandırılıp şeklin altında bulunan hedefe
çarptırılırlar.
15
• iki elektrot arasında potansiyel farkı U0
olduğundan protonların kinetik enerjisi her iki
elektrot arasında e* U0 kadar artar.
• Cockroft-Walton üretecinin verebileceği
maksimum voltaj 1.5MV civarındadır.
16
1.2. Van de Graaff Hızlandırıcısı
• 1931 yılında Amerikalı fizikçi
Robert J. Van de Graaff yüksek
potansiyel üretebilecek bir sistem
geliştirdi.
• Bu sistem, bir elektrik motoru
tarafından hareket ettirilen kayış
sayesinde elektrik yüklerinin bir
küre üzerinde biriktirilmesi
prensibine dayanmaktadır.
17
• Elektrik yükleri, doğru akım kaynağına
bağlanarak yüklenen bir fırça sayesinde hareket
eden kemerin üzerine bırakılır ve kemer üzerinde
küreye taşınır.
• Toplayıcı fırça sayesinde bu yükler iletken küre
üzerine aktarılır. Küre üzerinde biriktirilen
yüklerin çeşidi (pozitif veya negatif) yüklü
fırçanın akım kaynağının hangi kutbuna
bağlandığına göre değişir.
• Küre üzerine biriken yük miktarı arttıkça kürenin
potansiyeli de artmış olur.
18
• Van de Graaff jeneratörü ile 20MV’tan daha
yüksek potansiyel değerlerine çıkılmıştır.
• Yüksek potansiyel değerlerinde, elektriksel
boşalmayı engellemek için, Van de Graff
jeneratörünün yüksek potansiyel taşıyan metal
kısımları gaz malzemeler kullanılarak
yalıtılmaktadır.
• Van de Graff jeneratörü, Cockroft-Walton
hızlandırıcısında olduğu gibi, bir dizi elektrottan
oluşmuş bir hızlandırma tüpüne bağlanarak yüklü
parçacıkları hızlandırmada kullanılabilir.
19
Elektrostatik hızlandırıcıların limiti!
20
Van de graaff jeneratorunun
bir ayağında gözlenen elektrik
boşalması (corona discharge)
KAYNAKÇA
• Meraklısına Parçacık ve Hızlandırıcı Fiziği https://www.dropbox.com/s/bv3znks9lq1g8i0/ana.pdf?dl=0
• Keşif Işıldakları • http://www.interactions.org/beacons/tr
• http://www.vitaminogretmen.com/videolar/12/1?q=cern
21
Teşekkürler…
22