Zaryadlangan zarra tezlatgichlari

1.5. Zaryadlangan zarra tezlatgichlari.
Zaryadlangan zarralarning tezlatgichlari qanday qurilmalar, ularning ishlash
tamoyillari va nihoyat, bu qurilmalarning qanday turlari mavjud? degan savollarga
javob berishdan oldin bu qurilmalar nimaga kerak? degan savolga javob berishdan
boshlaymiz.
Ingliz fizigi Ernest Rezerford va uning shogirdlari atom tuzilishini o’rganish
maqsadida turli element atomlarini o’sha vaqtda eng kuchli va eng tez uchar atom
snaryadlari bo’lgan alfa-zarralar bilan bombardimon qildilar. Alfa zarralarning oltin
folgada sochilishiga qarab E. Rezerford atom markazida massasi katta bo’lgan yadro
borligini aniqlaydi, ya’ni u ayrim zarralarning katta burchaklarga sochilishini
kuzatadi. Demak, zarralar o’z yo’lida o’z massasidan ham katta bo’lgan zarra bilan
to’qnashadi va o’z harakat yo’nalishini o’zgartiradi. Ushbu zarrani E. Rezerford
atom yadrosi deb nom berdi va tajriba natijalarini E. Rezerford 1911- yilda e’lon
qildi.
1919- yili E. Rezerford insoniyat tarixida birinchi yadro reaksiyasini amalga
oshirdi. Bu reaksiya bir elementni boshqa bir elementga aylantirish reaksiyasi edi.
E. Rezerford va uning xodimlari alfa-zarralar bilan bombardimon qiladigan ob’yekt
sifatida yengil elementlar olindi. Yengil yadrolarni ob’ekt sifatida olinishga sabab,
bu yadrolarda itarish kuchlarining kichikligidir. Ushbu alfazarralarning tezligi
19000 km/s teng bo’lgan. E. Rezerford alfa-zarralar ya’ni geliy yadrolari bilan azot
atomlarini geliy yadrolari bilan bombardimon qilib, ikkita boshqa element – kislorod
va vodorod elementlarini hosil qildi. Bu tajribalarda erishilgan katta yutuqlar bilan
birgalikda ushbu yo’lda fiziklar oldidagi turgan jiddiy to’siqni ham yuzaga chiqardi.
Alfa-zarralar bilan bombardimon qilganda faqat eng yengil yadrolarnigina boshqa
yadrolarga aylantirishga imkon berishi kuzatiladi. Radioaktiv elementlar
chiqarayotgan eng tez alfa-zarralarning tezligi 19000 km/s atrofida bo’lib, u ham
ko’pchilik yadrolarning elektrostatik itarish kuchlarini yenga olish uchun yetarli
emas ekan. Yadro mustahkam himoya bareri (to’siqi) bilan o’ralgan bo’ladi. Bu
barerni muvaffaqiyatli yengib o’tish uchun tabiiy radioaktiv manbalar chiqarayotgan
alfa-zarralarga nisbatan kuchli snaryadlar zarur.
Birinchi yadro artilleriyalarining yana bir kamchiliklaridan biri, “snaryad”
otish tezligining(vaqt birligida chiqayotgan “snaryadlar”ning sonini) kichikligidir,
ya’ni. manbalar tomonidan chiqarayotgan alfa-zarralar oqiminig intensivligi yetarli
emas ekan. Bunga sabab yadro parchalanishi sust hodisadir. Mazkur hodisa yuz
berish uchun alfa-zarra yadro bilan to’qnashishi zarur, bu hodisa juda kam yuz
beradi. Chunki, atom deyarlik bo’sh bo’lib, bunda yadro uning juda oz hajmini
tashkil etadi. Nishonni yadro snaryadi bilan bombardimon qilganda, ular ko’pchilik
qismi atom orqali yadroga tegmasdan ham o’tib ketadi. Hisoblashlar shuni
ko’satadiki, qalingligi mikrondan(1 mikronq) oshmagan qattiq nishonga kelib
tushayotgan million alfa-zarradan bittasigina yadroga tushishi mumkin ekan.
Shunday qilib, tabiiy radioaktiv manbalar chiqarayotgan alfa-zarralarning
yetarli energiyaga va intensivlikka ega emasligi yadro fizikasining rivojlantirishini
tormozladi. Katta quvvatli “snaryadlar” zarur bo’lib qoldi. Хo’sh, ularni qanday
olish mumkin? Olimlar mazkur “snaryadlar”ni olish uchun zaryadlangan zarralarni
elektr maydoni ta’sirida katta tezliklargacha tezlatish orqali hosil qilishni
o’rgandilar.
Zaryadlangan zarralarni tezlatish tamoyillari bilan tanishib chiqamiz. A va V
plastinkalar orasida katta potensiallar hosil qilingan bo’lsin (2-rasm).
A plastinka yaqinida joylashgan musbat zaryadlangan zarra elektr maydon ta’siri
ostida V plastinka tomon harakatlanadi va manfiy zaryadlangan V plastinkaga yetib
boradi, agarda A va V plastinkalar orasida vakuum hosil qilinsa. Elektr maydon
ta’sirida elektronlarni tezlatish hodisasi bilan tanishmiz. Masalan, telivizor ekranida
tezlatilgan elektronlar ta’sirida tasvir hosil bo’ladi. Хuddi shunday doimiy elektr
maydonida elektronlarni tezlatish rentgen trubkasida ham yuz beradi. Zarra A dan
V ga harakatlanish davomida ma’lum bir kinetik energiyaga ega bo’ladi, ya’ni,
(1)
Bu yerda q - zarra zaryadi, U – zarra o’tgan potensiallar farqi.
Atom va yadro fizikasida zarra energiyasini elektronvoltlarda o’lchash qabul
qilingan. Elektronvolt - bu zaryadi elektron zaryadiga teng bo’lgan zarra 1 volt
kuchlanishlar farqini o’tganda ega bo’ladigan energiyadir ya’ni
(2)
Elektronvolt bu makraskopik o’lchamlarda juda kichik qiymatdir. Hattoki,
massasi 0,01 milligram bo’lgan chang zarrachasi atiga 10 sm/s tezlikda 510
-11
J
kinetik energiyaga yoki 300 MeV energiyaga ega bo’ladi.
Atom o’lchamidagi hodisalar tavsiflashda elektronvoltlar juda qulaydir.
Тashqi elektronlarning bog’lanish energiyasi deyarlik ko’pchilik atomlarda bir xil
bo’lib, u bir nechta elektronvoltni tashkil qiladi. Ko’rinadigan nurlar fotonlari
taxminan 2 elektronvolt energiyaga ega bo’ladilar. Bir elektronvolt energiya bizga
juda kichik bo’lib ko’rinadi, sababi, biz juda katta miqdorda atomlardan tashkil
topgan jismlar bilan ish ko’rishga o’rganib qolganmiz. Bizga ma’lumki, bir mol
moddada tassavur qilib bo’lmaydigan miqdorda, ya’ni 610
23
ta molekula bor.
Makroskopik jism energiyasining elektronvoltlarga nisbatan shunchalik kattaligiga
sabab ular atom nuqtai nazaridan juda katta jismlarga xosligidadir.
Yadro reaksiyalarida biz juda katta energiyalar bilan ish ko’ramiz. Yadrodagi
proton va neytronlarning bog’lanish energiyasi bir necha megaelektronvoltni (MeV)
tashkil qiladi. Radioaktiv yadrolardan chiqayotgan eng tez -zarralar energiyasi10
MeVdan katta bo’lmagan energiyaga ega bo’ladi.
Shunday qilib, katta energiyaga ega bo’lgan zarralrni olish uchun ularning
manbaini juda kuchli elektr maydoniga joylashtirish zaraur. Тezlatgichlarni ya’ni,
katta tezlikka ega bo’ladigan zaryadlangan zarralar olish uchun qo’llaniladigan
qurilmalarning yaratuvchilari xuddi shu yo’lni tanlashdi.
Birinchi tezlatgichlar ikkita asosiy qismdan, ya’ni, yuqori kuchlanish
qurilmasidan va ichida zarralarni tezlatadigan yuqori voltli vakuum trubkasidan
iborat bo’lgan. Vakuum trubkasi yaxshi izolyatsion xususiyatga ega bo’lgan
materiallardan, ya’ni shisha farfor yoki keramikadan yasalgan. Ular uchlarida
elektrodlarga qo’yiladigan bir necha million volt kuchlanishlarga bardosh berishi
zarur. Vakuum trubkasida yuqori vakuum olish har bir tezlatgich yaratishda muhim
masala hisoblanadi. Havoni so’rib chiqarish ikkita pog’onada amalga oshiriladi.
Boshida mexanik markazdan qochma nasoslar bosimi 10-2 -10 -3 mm Hg bo’lgan
sayraklashishni yaratadilar. Keyin yuqorivakuumli deb nomlangan nasoslar ishga
tushadilar va zarur bo’lgan vakuumni (10
-5
-10
-6
mm Hg) hosil qiladilar. Bunday
yuqori darajadagi vakuumga erish uchun tabiiy ravishda yaxshi zichlashtirish (oraliq
va tirqishlarni yaxshi zichlab bekitish) va vakuum holatini nazorat qiluvchi tizimni
yaratishni talab qiladi.
Musbat zaryadlangan zarralarni tezlatganda ionlar manbai musbat elektrod
yaqiniga joylashtiriladi( rasm). Ionlarni gazsimon element atomlarini(masalan,
protonlarni tezlatganda vodorodni yoki -zarralarni tezlatilganda geliy atomlarni)
cho’g’langan metall toladan chiqayotgan elektronlar bilan bombardimon qilib
olinadi. Hosil bo’lgan ionlar manbadan elektr maydon yordamida tortib olinadi.
Vakuum trubkada yuqori kuchlanish qo’yilgan asosiy ikkita elektroddan
tashqari qator oraliq elektrodlar mavjud bo’ladi. Kuchlanish bo’lgich yordamida har
bir oraliq elektrodlarga to’liq kuchlanishning ma’lum bir bo’lagi qo’yiladi. Oraliq
elektrodlar qurilmasi trubka o’qi bo’ylab ancha tekis potensial tushishiga imkon
beradi va ular uchlarida razryadlar hosil bo’lishini bartaraf etadi. Shu bilan oraliq
elektrodlarning roli tugamaydi. Ular yana bir o’ta muhim masalani hal qilishga
yordam beradilar.
Ionlarga tezlatuvchi vakuum trubkasi bir necha metr uzunlika ega bo’ladi.
Manba chiqargan ionlarning hammasi yoki hech bo’lmaganda katta qismi tezlatgich
trubkasining har qanday konstruksiyasida ham hamma yo’lni muvaffaqiyatli bosib
o’tadi deb aytish mumkinmi? Afsuski, yo’q! Ionlar yo’lida to’siq bo’lishi mumkin
bo’lgan trubkada qolgan gaz molekulalari bo’lib, ular ionlarning harakat
yo’nalishini o’zgartiradi. Bundan tashqari ionlar bir xil zaryadga ega bo’lganligi
uchun ular bir biridan qochishadi(o’zaro itarilashadi). Yana shu ham ahamiyatga
egadirki, har qanday zarralar manbaidan yoyiluvchi bir nechta dastalar chiqadi. Bu
sabablarning hammasi tezlatgichda zarralarni siqish yoki boshqacha aytganda,
fokusirovka qilish bo’yicha maxsus choralarni ko’rishni talab qiladi.
Yuqorida ko’rilgan vakuum ion trubkalarida zarralarni fokusirovka qilish
oraliq elektrodlar orasidagi tirqishlarda yuz beradi. Zarralar elektrodlarning ichida
harakatlanganda elektr maydon ta’siriga uchramaydi, binobarin, tezlatilmaydi.
Zarralar faqat tirqishlar orasidan o’tgandagina tezlanish oladi.
Biz yuqorivoltli tezlatgichning elementlaridan bittasi bo’lgan vakuum
trubkasini ko’rib chiqdik. Zarralarni tezlatish uchun trubkaga yuqorivoltli
kuchlanish qo’yilishi kerak. Bunday kuchlanish yoki potensiallar farq manbai
sifatida kaskad generatori, Van-de-Graaf generatori, impulsli generatori, impulsli
transformator va boshqalar ishlatiladi. Zarralarni doimiy elektr maydoni ta’sirida
tezlatadigan tezlatgichlarni bevosita ta’sir tezlatgichlari deyiladi. Ushbu
qurilmalarda tezlashayotgan zarralar trayektoriyasi to’g’ri chiziqqa yaqin bo’lgani
uchun ularni bevosita ta’sir chiziqli tezlatgichlari deyiladi.
Ayrim hollarda bunday tezlatgichlarni elektrostatik chiziqli tezlatgichlar deb
ham aytiladi. Bunday tezlatgichlarda zarralarga energiya doimiy potensiallar
ayirmasi katta bo’lgan oraliqdan bir marta o’tganda beriladi. Biz elektrostatik
chiziqli tezlatgichlardan biri bo’lgan va amaliyotda keng tarqalgan
Van-de-Graaf generatori ishlash prinsipi bilan tanishib chiqamiz. Van-de-
Graaf generatori. 1926-yilda Van-de-Graaf ortiqcha zaryadlarning o’tkazgich tashqi
sirtida joylashiga asoslangan elektrostatik generator konstruksiyasini taklif etadi.
O’zining tuzilishi bo’yicha bu qurilma maktablarda fizikadan tajribalar o’tkazish
uchun qo’llaniladigan elektrostatik mashinani eslatadi. Chiziqli tezlatgichlardan biri
bo’lgan Van-de-Graaf elektrostatik generatori sxemasi 3-rasmda keltirilgan.
Zarralarni tezlatish Т tezlatgich trubkasida amalga oshiriladi. Тrubka ichida
elektroizolyatorlardan (shisha, farfor) tayyorlangan I ionlar manbai va trubkasimon
(naysimon) elektrodlar sistemasi joylashgan. Elektrodlar bitta chiziqda va bir-
biridan uncha katta bo’lmagan masofada joylashgan.
Elektrodalarning bir uchi tomonida I ionlar manbai va ikkinchi uchining
oxirida tekshiriladigan materialdan tayyorlangan M nishon joylashadi. Тezlatgich
trubkasi ichida bosimi 10
-5
mm Hg bo’lgan vakuum hosil qilingan. Bu esa,
tezlatilgan ionlarning havo molekulalari bilan to’qnashishiga va elektrodlar orasida
gaz razryadi hosil bo’lishiga imkon bermaydi. Тezlatgich trubkasiga qiymati 8·10
6
V gacha bo’lgan yuqori kuchlanish beriladi. U ketma-ket ulangan qarshiliklar
sistemasi orqali ion manbai, trubkasimon elektrodalr va nishon oralarida tekis
taqsimlandi. Тezlatilishi kerak bo’lgan ionlar ion manbaidan birinchi elektrodning
ichiga tushadi. Ionlar manbai va birinchi elektrod orasidagi tirqishda ionlar birinchi
energiya porsiyasini oladi. Тrubkasimon elektrodlarning ichida elektr maydon
bo’lmaganligi uchun ionlar inersiya bo’yicha harakatlanadi. Keyingi energiya
porsiyasini ionlar birinchi va ikkinchi elektrodlar orasidagi tirqishda oladilar va h.k.
Nishonga tushayotgan zarralar E = qU эВ energiyagacha tezlatiladi.
Yuqori kuchlanish quyidagi usul bilan olinadi. Zaryadlar maxsus taroq orqali
past voltli generatordan elektroizolyatorli materialdan tayyorlangan tasmadagi A
nuqtaga beriladi (3-rasm). Хuddi shunday ikkinchi taroqning V nuqtasidan zaryadlar
olinadi va metall yarimsfera – koduktor R ga beriladi. Zaryadlar tashqi sirtga
to’planib, konduktordagi kuchlanishni (5÷8)·10
6
V gacha ko’taradi va tezlatgich
trubkalariga beriladi. Тezlatgichning ishlash prinsipi 4-rasmda ko’rgazmali
tavirlangan. Bu yerda ham yaqqol ko’rinib turibdiki, baland kollona(ustun) orqali
yerdan izolyatsiyalangan katta ich bo’sh shar (3-rasmda R) sirtiga asta-sekin zaryad
to’plana boshlaydi.
Ushbu zaryadlarni sharning ichki sirtiga rezinka, qog’oz yoki ipakdan bo’lgan
cheksiz tasma yordamida yetkazib beriladi. Rasmda ko’rinib turibdiki, zaryadlar tez
harakatlanayotgan tasmaga metall cho’tka (taroqqa o’xshash) bo’yicha tushadi va
shu yo’l bilan tasmadan olinadi. Bu zaryadlar sharning sirti bo’yicha yoyilib ketadi.
Хush ushbu usul bilan cheksiz katta potensial olish mumkinmi? Buning iloji yo’q.
Sababi, yuqori kuchlanishlarda shar bilan uni o’rab turgan predmetlar orasida
chaqnash yuz beradi.
Yirik elektrostatik generatorlardan biri 1937- yilda Хarkov shahrida qurilgan
bo’lib, u diametri 10 m atrofidagi shardan iborat bo’lgan. 4-5 million volt kuchlanish
zarralarni tezlatuvchi o’n metrli vakuum trubkasiga berilgan. Keyingi yillarda
elektrostatik generatorning o’lchamlari sezilari ravishda qisqartirilgan. Bunga butun
tezlatgichni siqilgan gaz (azot, freon) atmosferasiga joylashtirish hisobiga amalga
oshiriladi. Bir necha atmosferadagi gaz bosimi elektr chaqnashlarga qarshi qurilma
chidamligini oshiradi.
Van-de-Graaf elektrostatik generatorining asosiy kamchiliklaridan biri bo’lib,
zarralar dastasi energiyasining qat’iy chegaralanganligidir. Ushbu generatorning
asosiy ustunligi bu zarralar dastasining yuqori monoxromatikligi va ular
energiyasini yengil rostlash imkoniyatidir. Shuning uchun ham Van-de-Graaf
generatori past energiyalarda tadqiqotlar olib borishda keng qo’llaniladi.
2004- yilda mamlakatimizning O’zbekiston Milliy universiteti Amaliy fizika
ilmiy tadqiqotlar institutida EG-2 SOKOL elektrostatik tezlatgichi ishga tushirildi.
Mazkur tezlatgichda protonlar 2 MeV energiyagacha tezlatiladi. Hozirgi kunlarda
bu tezlatgichda fundamental va amaliy tadqiqotlar olib borilmoqda.
Xulosa
Zarra bilan yadro yoki yadro bilan yadro yadroviy kuch ta’sir radiusi 10
-13
sm
qadar yaqinlashib o’zaro ta’sirlashishi natijasida yadroda turli o’zgarish yoki yadro
zarralarining qayta taqsimlanishi mumkin. Yadroviy reaksiya deb ataladigan bunday
jarayonda yadro uyg’onadi yoki yangi zarralar hosil bo’ladi.
Yadroviy reaktsiyani hosil qilish uchun yadrolarni katta energiyali zarralar yoki
yadrolar bilan bombardimon qilish kerak. Bunday yuqori energiyali zarralar
radiaktiv yemirilishda hosil bo’ladi.
Yadro va elementar zarralar xususiyatlarini keng o’rganish uchun yuqori
energiyagacha tezlatib beruvchi tezlatkichlar yaratilishi juda muxim hisoblanadi.
Yadro tuzulishini o’rganish, yadro reaksiyalarini amalga oshirish hamda
elementar zarralar xususiyatlarini aniqlash va boshqa ko’plab muammolarni hal
qilishlik uchun yuqori energiyagacha tezlashtirilgan katta oqimdagi zarralar dastasi
talab etiladi.
Talab etilgan yuqori energiyagacha tezlashtirilgan katta oqimdagi zarralar
dastasi umumiy olganda tezlatkichlar nomli qurulmalar yordamida olinmoqda.
Tezlatkichlar 1930-yillardan boshlab qurila boshlandi. Dastlabki tezlatkichlar
energiyalari MeV bo’lsa, hozirgi vaqtda bir necha GeV energiyagacha yetkazildi.
Zaryadli zarralarni tezlatish odatda elektr maydonida yoki elektr va magnit
maydonlar bilan birgalikda amalga oshiriladi.
Tezlatkichlar tezlashtiruvchi maydon turiga qarab zarralar oqimini fokuslashi,
tezlashtirilayotgan zarralar xili, erishgan energiyalariga ko’ra turlicha nomlar bilan
ataladilar.
To’g’ri ta’sirli tezlatkichlar zarra maydonidan o’tishda bir marotaba
energiyasini oshirsa, ko’p karrali ta’sirli tezlatkichlarda esa shu maydondan zarra bir
necha marotaba energiya orttirmasi oladilar. Yuqori voltli tezlatkichda energiya
orttirmasi potensiallar ayirmasiga to’g’ri kelsa, induksiyali tezlatkichda magnit
oqimi o’zgarishiga mos keluvchi uyurma elektr maydoni, rezonans tezlatkichlarda
esa yuqori chastotali o’zgaruvchi elektr maydoni kattaliklariga mos keladi. Chiziqli
tezlatkichlarda zarralar to’g’ri chiziq bo’ylab harakatlansa, siklik tezlatkichlarda
aylana yoki spiralsimon harakatlanadilar.
Uzluksiz oqimli tezlatkichlar zarralar oqimi o’zgarmas bo’lsa, impulslarida esa
zarra dastasi ma’lum vaqt oralig’ida tezlashtiriladi.
Odatda tezlashtirilgan zarralar qo’zg’almas nishonga yo’naltiriladi. Qarama –
qarshi oqimda tezlashtirilganda o’zaro massalar teng ma’lum impulsga ega bo’lgan
zarralar bir birlariga qarama – qarshi yo’nalishda ta’sirlashadilar.
Barcha tezlatkichlarda zarralarni tezlatish jarayonida fokuslab turishlik lozim.
Ko’ndalang radial va vertikal tekislik bo’yicha fokuslash magnit maydonining
radius bo’yicha kamayib borishi bilan amalga oshiriladi.
Rezonans tezlatkichlarda zarralar oqimi bo’ylama yo’nalish bo’yicha ya’ni,
zarralr aylanish chastotasi bilan tezlashtiruvchi elektr maydoni chastotalarining
rezonansini ta’minlash elektr maydon chastotasini yoki magnit maydonni vaqt
bo’yicha o’zgarishlik bilan amalga oshiriladi.
Tezlatkichlarda zarralar energiyasi va zarralar oqimi intensivligi muhim
xususiyati hisoblanadi. Intensivligini oqim tok kuchi I=qN bilan ifodalanadi.
Siklik tezlatkichlarda tezlashtiriladigan zarralar tezlashtiruvchi maydonga
takror – takror kiritilib, energiyasi oshirilib boriladi.
Tezlatkichlar turlari va ular uchun zarralarni tanlash
Tezlatkichlar shartli ravishda quyidagi turlarga bo’linadi:
1.
Bevosita ta’sir ostida ishlaydigan tezlatkichlar
2.
Chiziqli tezlatkichlar
3.
Siklik tezlatkichlar
4.
Kallayderlar
Bevosita ta’sir ostida ishlaydigan tezlatkichlar – elektr maydon ta’sirida
zarralani bevosita tezlatadigan tezlatkichlar hisoblanadi.
Chiziqli tezlatkichlar – tezlatilgan zarralarni traektoriyasi to’g’ri chiziqdan
iborat bo’lgan tezlatkichlar
Siklik tezlatkichlar - tezlatilgan zarralarni traektoriyasi aylana shaklidan iborat
bo’lgan tezlatkichlar hisoblanadi.
Tezlatkichlarda qanday zarralarni tanlash mumkin?
Tezlatkichlar zarralarini tanlashda zarraning yashash vaqti hisobga olinadi.
Bunday zarralar sirasiga elektronlar, pratonlar, antipratonlar va og’ir zarralar (og’ir
yadrolar) kirishi mumkin. Bulardan kichik energiyalarda ma’lum maqsadlarda
foydalaniladi.
|