HIZLANDIRICI FZ Doru Akm Hzlandrclar Semra DEMRALI Fen

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 (e. V) kullanılmaktadır. e. V, bir elektronun bir voltluk potansiyel farkında hızlandırıldığında kazandığı kinetik enerjidir. Şekildeki elektron A levhasından B levhasına kadar hızlandığında iki levha arasında kazandığı kinetik enerji 1 e. V’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 3 MV/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 800 k. V’luk bir üreteç tasarlamaya başladılar. • John Cockroft ve Erntest Walton, ürettikleri elektrostatik hızlandırıcı ile 1932 yılında protonları 400 ke. V enerjiye kadar hızlandırıp bir lityum tabakasına vurdurdular. Hızlandırılmış protonlar lityum atomunun çekirdeğini parçalayarak iki helyum atomu çekirdeği meydana getirdi. ( 7 Li + p 4 He + 4 He). Lityum + proton = 2 Helyum çekirdeği + Enerji • Bu deney, yapay olarak, bir atom çekirdeğinin parçalandığı ilk deneydir. 11

Cockroft-Walton jeneratörü 12

Cockroft-Walton Hızlandırıcısının Şeması Proton kaynağı Hedef Enerji limiti yaklaşık 1, 5 Me. V 13

• 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 U 0 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 U 0 olduğundan protonların kinetik enerjisi her iki elektrot arasında e* U 0 kadar artar. • Cockroft-Walton üretecinin verebileceği maksimum voltaj 1. 5 MV 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 20 MV’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! • Van de graaff jeneratorunun bir ayağında gözlenen elektrik boşalması (corona discharge) 20

KAYNAKÇA • Meraklısına Parçacık ve Hızlandırıcı Fiziği https: //www. dropbox. com/s/bv 3 znks 9 lq 1 g 8 i 0/ana. pdf? dl=0 • Keşif Işıldakları • http: //www. interactions. org/beacons/tr • http: //www. vitaminogretmen. com/videolar/12/1? q=cern 21

Teşekkürler… 22