معجلات الجهد المستمر

هناك العديد من هذه المعجلات. وينقسم المعجل إلى ثلاثة أجزاء رئيسية:

أ- مصدر الإيونات (Ion Source):

وهو عبارة عن أنبوبة تفريغ حيث يوجد بالمهبط الموجود داخلها فتحة يخرج منها شعاع الجسيمات الموجبة أما إذا أردنا الحصول على شعاع من الإلكترونات فإن مصدر الإيونات عبارة عن فتيلة ساخنة تنبعث من سطحها الإلكترونات عند التشغيل.

ب- أنبوبة التسريع (Accelerating Tube):

وهي عبارة عن أنبوبة مفرغة تتعجل الجسيمات عند مرورها خلالها. ويوجد في نهاية الأنبوبة فتحة تخرج منها الإيونات المعجلة حيث يتم توجيهها نحو هدف معين ليتم التفاعل مع مادة الهدف وتتم دراسة تفاعل معين.

ج- مصدر للجهد المعجل:

وهو أهم جزم من أجزاء المعجل وهو عبارة عن مصدر الجهد العالي الذي يشكل العقبة الرئيسية لتصميم المعجل.

هناك ثلاثة أنواع من هذه المعجلات وهي :

1. معجل كوكروفت - والتون Cockcroft Waltron Accelerator:

يتركب هذا المعجل كما بالشكل (1) من مجموعة من المكثفات

الشكل (1)

والمقومات. وتعتمد الفكرة الرئيسية هنا لتوليد مصدر جهد عالي على مبدا شحن مجموعة من المكثفات على التوازي بينما يتم تفريغها على التوالي وبالتناوب، ومن ثم تتم مضاعفة الجهد. تتكون الداثرة كما بالشكل من مجموعتين من المكثفات المتصلة على التوالي. C₁،C₃ ، ₅C والأخرى C₂ ،₄ C₆, C وتربط بينهما مجموعة من المقوماتR₁ ،R₂ ، R₃ . . يتم شحن المكثف (C_l) إلى الجهد (V) الناتج عن مصدر الجهد الأصلي. وذلك من خلال المقوم (R₁). وبالتالي فإنه خلال كل دورة يتغير فرق الجهد على R₁ من 0 - V2. حيث يؤثر هذا الجهد على الدائرة R₂C₂ ومن ثم يتم شحن المكثف C بجهد قدره 2V. وهذه تمثل المرحلة الأولى حيث يتم مضاعفة فرق الجهد عند نهاية هذه المرحلة. وبتكرار التفاعل السابق يتم مضاعفة الجهد عند المراحل المختلفة. فإذا كان عدد هذه المراحل (N) فإنه يتم مضاعفة الجهد إلى (NV) هذا عندما لا يوجد تحميل على الداثرة. يتم تعجيل الإيونات بواسطة هذا الجهد كما بالشكل (1). لقد تمكن أول معجل من تعجيل البروتونات إلى طاقة تساوي KeV 800 حيث استخدمت هذه البروتونات لإجراء التفاعل He^{4 7}Li (P, α). وعند استخدام الهواء فإنه يمكن أن تصل الطاقة الناتجة عن هذه المعجلات إلى 1.5 م.أ.ف. كما وأنه يمكن رفع هذه الطاقة إلى 2 م.أ.ف. باستخدام غازات تحت ضغوط عالية.

وتستخدم هذه المعجلات غالباً لتعجيل الديوترونات إلى طاقات تتراوح بين 200 - 400 ك. أ. ف. حيث يمكن استخدام هذه الديوترونات للحصول على النيوترونات عن طريق التفاعلين:H (d, n) ³He ²، ³H (d, n) ⁴He

كما ويمكن بناء معجل يعتمد على فكرة هذا المعجل وذلك باستخدام المحولات المتسلسلة (أي بربط محولات رفع مع بعضها بعضاً على التوالي لنصل إلى جهد عالي).

2. معجل الفاندي جراف (Van de Gruff accelerator):

إخترع هذا الجهاد فان دي جراف عام 1931. وهو أول جهاز تصل الطاقة فيه إلى 1.5 م.ا. ف. وقد صممت أجهزة أخرى بعد ذلك للوصول إلى طاقة قدرعا 10 م.أ.ف. ويمتاز عن المعجلات الأخرى بعدة ميزات منها:

أ) الحصول على شعاع ذي شدة عالية تبلغ عدة ميللي أمبيرات.

ب) طاقات متماثلة (تصل إلى 0.1%)

ج) استقرار عالي.

د) سهولة التحكم.

هـ) عدم وجود تموجات الجهد (ripplr voltages) الموجودة في مولد كوكروفت - والتن. هذا الجهاز عبارة عن مصدر جهد كهروستاتيكي. ويبنى على مبدأ هام وهو استقرار الشحنات الكهربية على السطوح الخارجية للموصلات بغض النظر عن قيمة جهدها. فإذا وضعنا موصلا مشحوناً داخل تجويف كروي ثم وصلنا الاثنين بسلك معدني فإن جميع الشحنة الموجودة على الموصل ستنتقل إلى التجويف الكروي حتى ولو كان جهد الأخير أكبر من جهد الأول. فإذا استمر توصيل الأجسام المشحونة بالتجويف الكروي فإنه يمكن زيادة جهد التجويف - نظرياً - إلى ما لا نهاية إلا أن ذلك غير ممكن عملياً. إذ يلزمنا استخدام عازلات لتثبيت التجويف الكروي فعند جهد معين سيتحول العازل إلى موصل وهكذا يثبت الجهد عند قيمة معينة. كما وأننا نجد أن تيارات التسرب تزداد كلما زاد الجهد. هذا بالإضافة إلى حدوث تفريغ الهالة Corona discharge عند الجهود العالية. إذ تتمكن الشحنات من التسرب إلى الخارج, فعندما يبلغ الجهد قيمة معينة فإن معدل تسرب الشحنات من الموصل تساوي معدل انتقالها إليه، ومن ثم يحدث الاتزان ويتم شحن الموصل إلى قيمة عظمي معينة للجهد ٠

يتركب الفاندي جراف كما بالشكل (2) من تجويف كروي معدني تتركز عليه الشحنات الموجبة وذلك عن طريق حزام ناقل من القطن أو المطاط. يمر هذا الحزام على بكرتين (R₂, R₁) تتحركان بفعل محرك. بالقرب من البكرة (₁R) توجد مجموعة من الرؤوس المدببة (C₁) حيث تشحن هذه الرؤوس

الشكل (2)

بشحنة موجبة باستخدام المصدر S₁)) الذي يبلغ جهده حوالي (KV50). ويعطي المجال الكهربي (E) عتد سطح كرة نصف قطرها (R) مشحونة بشحنة (q) في وسط ثابت عزله (ϵ) بالعلاقة:

تبين هذه المعادلة أنه كلما قل نصف قطر الكرة فإن المجال الناتج حولها يزداد. فإذا كانت هذه الكرة الآن عبارة عن رأس مدبب (يقترب نصف قطره من الصفر) فإن شدة المجال تبلغ قيمة كبيرة تستطيع تأيين الهوام المحيط بها . فإذا كان الرأس مشحوناً بشحنة موجبة فإن ذلك ينتج عنه فيض من الإيونات الموجبة تتجه بعيداً عن الرأس، وهذا ما يعرف بتفريغ الهالة. وهذا ما يحدث عند مجموعة الأسنان (C_l) حيث يتم نشر الإيونات الموجبة على الشريط (الحزام) الناقل وتتحرك هذه الشحنات مع الحزام إلى أعلى حتى تصل إلى مجموعة الرؤوس C₃ حيث يتم انتقال هذه الشحنات من الحزام إلى هذه الرؤوس بفعل تفريغ الهالة السابق ذكره ومن ثم تنتقل هذه الشحنات إلى الموصل المجوف الرئيسي بالجهاز. ولمضاعفة قدرة الحزام على حمل الشحنات يتم تركيب مجموعة أخرى من الرؤوس عند (₂C) حيث يتم نثر شحنات سالبة على الجزء المتحرك إلى أسفل من الحزام حيث تعاد الكرة بعد ذلك عند مرور الحزام على البكرة (₁R). وباستمرار حركة الحزام يستمر نقل الشحنات الموجبة إلى الموصل الكروي المجوف ومن ثم يشحن إلى جهد عالي. يحدد قيمته - كما سبق وذكرنا ٠ عوامل كثيرة منها تحمل العازل وتفريغ الهالة. ولزيادة هذا الجهد وللتخلص من تسرب العازل وللحصول على عزل مناسب فإنه يمكننا احتواء المولد بكامله داخل إناء يملأ بغاز جاف عند ضغط أكبر من الضغط الجوي. ويمكن استخدام خليط من غاز ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين أو غاز سادس فلوريد الكبريت عند ضغط يساوي 20 ضغط جوي تقريباً.

يوضع مصدر الإيونات داخل التجويف الكروي. ويمكن الحصول على الأيونات الموجبة بقذف غاز مناسب بالكترونات ذات طاقة منخفضة. يحدث تنافر بين الإيونات الموجبة والموصل المجوف ذي الجهد الموجب العالي ومن ثم تتسارع هذه الإيونات داخل أنبوبة الشعاع في طريقها إلى الهدف وذلك بعد توجيهها نحوه باستخدام مغناطيسات توجبه مناسبة كما بالشكل (2).

لقد أمكن باستخدام هذه المعجلات تسريع البروتونات إلى طاقة تساوي 8 م. أ. ف. وبلغت شدة التيار (A100μ). كما ويمكن تسريع الديوترونات والتريتيونات (H³) ونظيري الهيليوم - 3 ,- 4 (شدة التيار تساوي حوالي Aμ10) وكذلك يمكن تسريع إيونات ثقيلة مثل: (¹⁶O, ¹²C).

3. معجل الفاندي جراف المتتالي Tandem Van De Graaff Accelerator:

يعتبر هذا الجهاز تعديلاً عبقرياً للفاندي جراف التقليدي السالف الذكر. إذ يمكن بواسطته تعجيل الجسيمات إلى ضعف طاقتها الناتجة عن الفاندي جراف. عند قذف بعض الغازات بالإلكترونات تنتج إيونات موجبة وأخرى سالبة وذلك كما يحدث في مصدر الإيونات. فإذا ما وجهنا هذه الإيونات السالبة نحو كرة الغاندي جراف الضخمة الموجبة فإنها تتسارع نحو هذا الجهد الموجب. وعندما تمر هذه الإيونات داخل الكرة فإننا نحولها إلى إيونات موجبة. ويتم ذلك بإدخالها إلى منطقة تحتوي غازاً ذا ضغط عالي. وعند تصادم هذه الإيونات مع جزينات الغاز فإن هذه الأخيرة تقوم بانتزاع الكترون أو أكثر من هذه الإيونات محولة إياها إلى إيونات موجبة, وتتنافر هذه الإيونات الموجبة مع كرة الفاندي جراف ومن ثم تتسارع مرة أخرى بفعل قوة الطرد الكهربي. وبالتالي يتم تعجيل الجسيمات إلى ضعف طاقتها السابقة.

يبين الشكل (3) تصميماً مبسطاً للفاندي جراف المتتالي. تم تعجيل البروتونات إلى طاقة تساوي 18 م.أ. ف. باستخدام هذا المعجل. وكانت شدة التيار الناتج حوالي 1.5μِِA نبين الشكل (3 .ب) صورة لمعجل متتالي يعرف بالإمبراطور حيث يمكن تعجيل البروتونات بواسطته إلى طاقة تبلغ 20 م.أ. ف.

الشكل (3)