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