تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هي الكهرباء الساكنة؟

الكهرباء الساكنة (Electrostatic) أو الكهروستاتيكية هي أحد فروع العلوم المتخصصة بدراسة الظواهر الناتجة عن الشحنات الكهربائية الثابتة والمتحركة. تنشأ ظواهر الكهرباء الساكنة من القوى التي يصفها قانون كولوم، وهي قوىً تنشأ بين الأجسام المشحونة كهربائياً. ^[1]

المسرّعات الكهروستاتيكية

تعتمد فكرة عمل المسرّعات الكهروستاتيكية (Electrostatic accelerator) على مبادئ الكهرباء الساكنة، وقد تمّ تصميم أول مسرّعٍ يعمل على هذا الأساس عام 1932 بواسطة العالمان والتن وكوكروفت (Cockcroft and Walton)، حيث طبقت طريقة مضاعفة فرق الجهد (Voltage Multiplication) بشحن مكثفاتٍ على التوازي، ومن ثم تحويلها إلى توصيلٍ على التوالي.

حيث بلغ جهد التسريع 700 كيلو فولت، وقد تمّ بهذا النوع من المسرّعات أول دراسةٍ للتفاعلات النووية، حيث تمّ تسريع البروتون ليمتلك طاقةً حركية 400 كيلو إلكترون فولت وصدمه بالليثيوم (Li-7)، فنتج التفاعلين التاليين:

[math]_{\square }^{7}\textrm{Li}+_{\square }^{1}\textrm{P}\rightarrow 2_{\square }^{4}\textrm{He}[/math]

[math]_{\square }^{7}\textrm{Li}+_{\square }^{1}\textrm{P}\rightarrow_{\square }^{7}\textrm{Be}+_{\square }^{1}\textrm{n}[/math]

ما هو مولد فان دوغراف؟

مولد فان دوغراف هو أحد أنواع المسرّعات الكهروستاتيكية صنع فان دوغراف مولده عام 1931 للحصول على جهودٍ كهربائيةٍ عاليةٍ جداً، ويمكن بهذا الجهاز تسريع الإلكترونات، والبروتونات، والأيونات، وغيرها، كما نعلم أن الجسيم المشحون ذو الشحنة q يكتسب عند مروره في مجالٍ كهربائي عبر فرق الجهد V الطاقة الحركية qV.

بالتالي لإكساب الجسيمات طاقاتٍ عالية تقدر بـالميغا إلكترون فولت يجب توليد فروق في الجهد تقدر بـالميغا فولت (1 ميغا فولت يساوي مليون فولت). هناك نوعان من مولدات فان دوغراف حسب آلية توليد الشحنات الكهربائية:

1- نوع يحتاج إلى جهدٍ عالٍ لشحنه.

2- نوع يتمّ فيه توليد الشحنات الكهربائية بواسطة سير (قشاط)، وسنتكلم بالتفصيل عن هذا النوع.

ما هي مكونات مولد فان دوغراف؟

يتكون هذا المولد من:

1- أسطوانتين من الألمنيوم أو من مادة عازلة.

2- محرك كهربائي.

3- حزام متحرك (سير) أو قشاط (Conveyer Belt).

4- كرة معدنية.

5- B ,A مشطان (Spray points) معدنيان متشابهان يتصل العلوي بسطح الكرة المعدنية من الداخل، ويتصل السفلي بالقطب الموجب لمصدرٍ كهربائي ذي جهدٍ عال.

ما هي آلية عمل مولد فان دوغراف؟

ينشأ الكمون العالي على الناقل (على شكل نصف كرةٍ فارغة) المحمول على عمودٍ عازل، نتيجة تراكم الشحنات الكهربائية الآتية من مولد الجهد المستمر، وتنتقل هذه الشحنات الكهربائية بواسطة ناقل له شكل المشط A إلى السير (القشاط) العازل (دون أن يمس الرؤوس المؤنفة للمشط).

يتحرك السير صعوداً وهبوطاً داخل العمود العازل بواسطة محرك كهربائي، ويلتقط الناقل B الذي له شكل المشط الشحنات من السير، دون أن يلامسه، ويوصلها إلى الناقل الكروي المتصل به، فتتراكم الشحنات الكهربائية على السطح الكروي الخارجي، ويزداد نتيجة لذلك كمون هذا الناقل إلى أن يبلغ حده الأعظمي Vm الذي يعطى بالعلاقة التالية: Vm=Em.R  حيث:

R: نصف قطر الناقل. Em: الحقل الحدي.

يمثل الحقل الحدي شدة الحقل الكهربائي في الجوار المباشر لسطح الناقل اللازمة لإحداث انفراغٍ كهربائي انفجاري عبر العازل الملاصق للناقل. يكون تدفق الحقل الكهربائي شديداً عند الرؤوس المؤنفة، مما يسبّب تأيُّن الوسط المجاور لها، فإذا كانت الشحنة q موجبة انجذبت إليها الإلكترونات، في حين انطلقت الأيونات الموجبة من الرؤوس المؤنفة على شكل دفعة هي عبارة عن عملية التفريغ.

يتمُّ توليد الأيونات الموجبة داخل نصف الكرة المعدنية العالية الجهد، بتشعيع الغاز الموجود داخل المولد، بإلكترونات طاقاتها منخفضة، ليتمّ دفع هذه الأيونات الموجبة إلى داخل أنبوبة المسرّع المغلقة والمخلاة من الهواء لمنع تصادم الأيونات المسرعة، ولمنع الإنفراغ الكهربائي داخل الأنبوب.

يثبت في نهاية الأنبوب الهدف (Target)، ويثبت داخل الأنبوب مجموعةً من المساري الأنبوبية التي تعمل على تبئير الجسيمات المسرعة، بالإضافة إلى توزيع فرق الكمون العالي توزيعاً منتظماً يكفل عدم حدوث انفراغاتٍ انفجارية تصدع أنبوب التسريع.

تحصل الجسيمات الصادرة من المنبع على أول دفعةٍ من الطاقة عند اجتيازها الفجوة التي تفصل المنبع عن المسرى الأنبوبي الأول ثم تدخل هذا المسرى مستمرةً في حركتها بشكلٍ مستقيم، ويحدث التسارع الثاني في الفجوة الثانية بين المسريين الأول والثاني، وتزداد طاقتها الحركية، وهكذا حتى تصل الجسيمات الهدف.

أهمّ نقطةٍ في المسرّعات الكهروستاتيكية هي تصاميم الشعاع الأيوني، حيث يعمل هذا الشعاع عن طريق توجيه حزم الأيونات نحو المادة الهدف، يمكن أن يؤدي التفاعل بين الأيونات والمادة الهدف إلى حدوث عملياتٍ مختلفة. إحدى هذه العمليات هي رشُّ الشعاع الأيوني، حيث يتمّ تركيز شعاع الإلكترون الأيوني على هدفٍ لرشّ المادة على الركيزة، وتستخدم تلك التقنية في تحضير الأفلام الرقيقة. ^[2]

ما هي مزايا مولد فان دوغراف؟

يتصف مولد فان دوغراف بالعديد من المزايا، ومنها:

1- قدرته على توليد حزمةٍ مستقرة من الجسيمات طاقاتها متساوية.

2- يمكن بواسطته تسريع أيونات ثقيلة، والحصول على تيارٍ كهربائي شدته عدة عشرات من الميكرو أمبير (الميكرو أمبير يساوي 10-6 أمبير).

3- يمتاز بثبات قيمة فرق الجهد، وهذه خاصية مهمة لتعيين المقاطع العرضية النووية.

ما هي عيوب مولد فان دوغراف؟

هناك العديد من العيوب لمولد فان دوغراف منها:

1- الطاقة الناتجة عن هذا المولد صغيرة، وهي ضمن المجال الطاقي (8-10) ميغا إلكترون فولت.

2- لا يعمل بشكلٍ جيدٍ في الأجواء الرطبة.

3- يفقد جزءاً كبيراً من الشحنة الكهربائية المتولدة عنه في الهواء الخارجي.

ما هي تطبيقات مولد فان دوغراف؟

من المولدات المتطورة التي تعتمد في آلية عملها على مولد فان دوغراف هو مولد تاندم فان دوغراف (Tandem Van de Graaff)، حيث يستخدم هذا المولد في تسريع ودراسة الأيونات الثقيلة، يتمُّ حرف الجسيمات المسرعة بواسطة مغناطيس يعمل على جعل الجسيمات ترسم مسارات دائرية وبأنصاف أقطار مختلفة وفقاً لكتلها.

يمكن بواسطة مولد تاندم فان دوغراف الحصول على جهودٍ عالية تتراوح قيمتها بين (20-30) مليون فولت، لذلك يستخدم مولد تاندم فان دوغراف بشكلٍ واسعٍ في أبحاث الفيزياء النووية، كما يستخدم مولد فان فان دوغراف في مجالاتٍ عديدة منها:

1- تحليل المواد وتعديلها.

2- مطيافية التشتت الخلفي لرذرفورد.

3- إصدار الأشعة السينية المستحث بالجسيمات.

4- إصدار أشعة جاما المستحث بالجسيمات.

5- تحليل التفاعل النووي.

6- كشف الارتداد المرن.

7- تحليل تشتت الرنين.

8- تطبيقات الأشعة الميكروية الأيونية.

9- إنتاج الجسيمات والإشعاع.

10- التصوير بالأشعة السينية. ^{[3] [4]}