HIZLANDIRICI FİZİĞİ Doğru Akım Hızlandırıcıları Semra DEMİRÇALI Fen Bilimleri Öğretmeni – DENİZLİ (TTP-7 Katılımcısı) 05/03/2018

İÇİNDEKİLER Elektrostatik Hızlandırıcılar 1.1. Cockroft- Walton Hızlandırıcısı 1.2. Van de Graaff Hızlandırıcısı

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.

CERN hızlandırıcı yapısının bütünü

1. Elektrostatik Hızlandırıcılar Elektrostatik hızlandırıcıların çalışma prensibi, yüklü parçacıkların sabit bir potansiyel farkından geçirilerek hızlandırılmasına dayanır.

1. Elektrostatik Hızlandırıcılar

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.

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.

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.

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.

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

Cockroft-Walton jeneratörü

Cockroft-Walton Hızlandırıcısının Şeması Proton kaynağı 𝟖𝑼 𝟎 =𝟖𝟎𝟎𝒌𝑽 𝑹 𝑹 400 𝑘𝑉 𝑹 0 𝑘𝑉 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Elektrostatik hızlandırıcıların limiti! Parçacıklar en fazla (potansiyel farkı) x (yük) kadar enerji kazanabilir. Yüksek enerjilere çıkmak için daha yüksek potansiyelli üreteçlere ihtiyaç var Hava bulunan ortamda yaratılabilecek maximum elektrik alan yaklaşık 𝐸 𝑚𝑎𝑥 =3𝑀𝑉/𝑚 Vakumlu ortamda olsak bile bir limitimiz var!!! 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

Teşekkürler…