ناسا به تازگي يكي ديگر از شاهكار هاي هابل را منتشر كرد : تصويري فوق العاده از سحابي كارينا  

اكنون 17 سال است كه تلسكوپ فضايي هابل با حال بررسي نقاط مختلف آسمان هر روز شاهكار جديدي را خلق مي كند و با تصاوير بي نظير خود پرده از رازهاي شگفت آور هستي بر مي دارد .

به تازگي ناسا و اسا يكي ديگر از تصاوير حيرت آور هابل رابا رزولوشن بسيار بالا منتشر كرده اند : تصويري باور نكردني از سحابي كارينا .

سحابي كارينا در فاصله ي 7500 سال نوري از زمين و در صورت فلكي جنوبي كارينا (كشتي) قرار دارد.

در درون اين سحابي ستارگان بسياري وجود دارد كه هريك مرحله ي متفاوتي از حيات خود  را مي گزراند- از تولد تا مرگ –  و جرم بعضي از آنها  50 تا 100 برابر بيشتر از جرم خورشيد است .

يكي از درخشان ترين ستاره هاي اين سحابي اتا-كارينا است (سمت چپ تصوير) كه مي بايست هزاران سال ژيش به صورت يك ابرنواختر منفجر شده باشد.

اين تصوير كلي از پيوستن چند تصوير مجزا به هم تشكيل شده است و در كل عرض اين تصوير ناحيه به وسعت 50 سال نوري در فضا را نشان مي دهد .

مي توانيد تصوير كامل را با ابعاد 29,566 x 14,321 pixels  از لينك زير با حجم 200 مگا بايت و با فرمت JPEG دانلود كنيد :

دانلود تصوير 200MB

اگر امكان دانلود تصوير را نداريد مي توانيد آن را با كيفيتي مناسب از اينجا مشاهده كنيد: مشاهده تصوير بزرگ

۲.

بیست سال‌نوری دورتر از زمین، در صورت فلکی میزان، منظومه کوچکی قرار دارد که شبیه‌ترین سیاره به زمین را در خود جای داده است. 

۳.

شتاب‌دهنده‌های خطی برای حصول امر شتابش فقط از میدانهای ‏الکتریکی که در طول زمان ثابت و یا متغیر باشد، استفاده می‌شود. در ‏واقع میدان الکتریکی تنها راه موثر افزایش انرژی ذره باردار در شتاب‌دهنده ‏های خطی می باشد. به هرحال با عنصر تازه و مهمی ، یعنی میدان ‏مغناطیسی سروکار خواهیم داشت که سازوکار نوینی را برای شتابش ‏ذرات پیشنهاد می کند. ‏

در سال 1930 پورفسور لارنس از ایالات متحده و همکاران ایشان علاقمند ‏به ساختن یک شتاب‌دهنده خطی بودند. لارنس دریافت که لوله جریان ‏متوالی که در شتاب‌دهنده‌های خطی بکار گرفته می‌شوند می‌توانند ‏جایشان را فقط با یک جفت الکترود عوض کنند. در صورتی که بتوان ذرات ‏را توسط میدان مغناطیسی مجبور کرد که یک گاف شتابشی را طی کنند ‏‏«لارنس وادلفسون در سال 1930 و سپس لارنس بالیوینگ استون در سال ‏‏1930 و 1932 این فکر را عملی کردند). روی هم رفته حاصل این تفکر یک ‏ماشین متفاوتی شد.‏

یک ذره باردار ‏q‏ با سرعت ‏V‏ در صفحه قائم بر راستای میدان مغناطیسی ‏‎ ‎Bحرکت می‌کند، نیروی ‏F=qvB‏ بر آن تاثیر می‌کند. در حالتی که سرعت ‏یک مولفه میدان موازی داشته‌باشد باز همان فرمول را به کار می‌بریم و ‏V ‎‏ همچنین بیان کننده مولفه قائم سرعت بر میدان مغناطیسی نیز است. ‏زیرا این نیرو متاثر از مولفه موازی میدان نمی‌باشد. ‏

این نیرو معروف به نیروی لورنتس به هر دو کمیت سرعت و میدان عمود ‏است. تاثیر آن خم کردن مسیر ذره است. در حالی‌که انرژی ذره بدون ‏تغییر باقی می‌ماند. ذره‌ای که در یک مسیر خمیده حرکت می‌کند یک ‏نیروی اینرسی ( لختی) مرکز گرا را تجربه می‌کند. که به احیای خط ‏راست تمایل دارد. و مقدار آن برابر با نیروی لورنتس می‌باشد. ‏F=qvB=mv²/r‏ که در آن ‏m‏ جرم ذره , ‏r‏ شعاع خمیدگی ‏مسیر است.‏
‎ ‎
اگر میدان مغناطیسی ‏B‏ و انرژی ثابت باشد، ثابت بودن ‏r,v,m‏ را به دنبال ‏خواهد داشت و ذره یک حرکت دایره‌ای یکنواخت را ارائه خواهد کرد. ‏سرعت زاویه آن از رابطه m/qB=r/v=ω ‏‎ ‎‏ بدست می‌آید.‏

می‌توان رابطه‌ بین انرژی جنبشی ، میدان مغناطیسی اعمالی و شعاع ‏خمیدگی مسیر را بدست آورد. ‏T=mv²/2=(qBr)²/2m‏ ‎به وسیله همین روابط اولین شتاب‌دهنده دایره‌ای ساخته شده را ‏سیکلوترون نامیده اند.‏

دو سیکلوترون با انرژی یکسان ‏MeV‏20 را یکی برای پروتونها و دیگری برای ‏دوترون‌ها در نظر بگیریم. ابتدا آن را با کار روی شعاع آهنربا آغاز می‌کنیم. ‏در واقع معمولا گرانبهاترین قسمت این شتابدهنده‌ها قسمت لوازم ‏مغناطیسی است. به طوری‌که قیمت آن با توان سوم ابعاد خطی آن ‏متناسب است. ‏

با انتخاب میدانهای قوی نظیر 1500 گوس یا ‏‎1.5T‏ اندازه شتاب‌دهنده ‏کاسته می‌شود. ‏R³--------> Cost ‎‏ یا ‏V‏ ‏ که شعاع ‏R‏ از رابطه ‏T=(qBr)²/2m‏ بدست می‌آید یعنی ‏اینکه از این رابطه می‌توان ‏R‏ را استخراج کرد. و همچنین ‏V‏ مبین انرژی بر ‏حسب الکترون ولت است. ‏‎ ‎
‎ ‎
محاسبه شعاع برای ذرات پروتون و دوترون طبق فرمول برای پروتون ‏‎10MeV‏ شعاع ‏R=0.43 m‎‏ برای دوترون ‏‎20MeV‏ شعاع ‏R= 0.61 m‎ این شعاعها در انرژی کامل حساب شده‌اند که معمولا شعاع قطبهای ‏آهنربا 10 درصد بزرگتر از این مقادیر نظر گرفته می‌شود. ما در این ‏محاسبات کاهش نسبی 3 درصدی را برای میدان مغناطیسی در نظر ‏گرفتیم. با این شرط میدان در مرکز باید برابر 15450 گاوس شود. ‏

در فرآیندهای شتابش ، ذرات متحمل افزایش جرم می‌شوند. یعنی برای ‏پروتونها 2.14 درصد و برای دوترونها همانگونه که قبلا حسب کردیم 1.08 ‏درصد خواهد بود. جرمهای اولیه پروتون و دوترون به ترتیب برای پروتون ‎3.34x10^-27Kg‏ در حال سکون برای دوترون ‏‎1.6x10^-27Kg‏ که با این افزایش جرم آنها به ترتیب برابر ‏خواهد شد. در انرژی ‏MeV‏20 جرم ذرات مذکور به ترتیب برابر ‏‎1.706x10^-27Kg‏ و ‏‎3.376x10^-‎‎27Kgاست که نشانگر افزایش جرم ذرات می باشد. ‏

• فرکانس های گردش را می‌توان از رابطه ‏‎ f=qB/2m ‎‏ حساب کرد. در این ‏فرایند فرکانس الکتریکی برابر با بسامد گردش ذره با کمینه فاز منفی ‏است که عموما به شعاعی که ذره در آن‎ 1/3 ‎انرژی کامل خود را کسب ‏می‌کند، مربوط است. ‏

• در محاسبه ولتاژ بین دی‌ها مقدار کمینه آنرا می‌توان از روی نمودارهای ‏خاصی (نمودار ولتاژ-انرژی) تخمین زد. در مورد اخیر که 3 درصد کاهش در ‏میدان مغناطیسی وجود دارد، برای پروتون‌ها ‏MeV‏20تا ‏KV‏300 است. ‏دوترونها نصف این مقدار را نیاز دارند.

در عمل ولتاژهای بالاتر حدود ‏KV‏400 برای پروتونها و ‏KV‏200 برای دوترونها ‏نیاز است. ولتاژهای مورد لزوم مسایل فوق‌العاده مشکلی برای عایق ‏سازی در فضای محدود قابل دسترسی درون اتاقک شتابش مطرح ‏می‌کنند. در اغلب ماشین‌ها یکی از دی‌ها منفی در حالی که آن دیگری ‏مثبت اختیار می‌شود. بنابراین اختلاف پتانسیل بین هر دی و اتاقک فقط ‏نصف بین دو دی است. در نتیجه عایق سازی لازم نیز نصف می‌شود.‏

حتی با این ترتیب بندی برای ساختن سیکلوترونی برای شتابش پروتونها ‏تا ‏MeV‏20 تلاشی صورت گرفته است. هر چند که چند عدد سیکلوترون ‏برای دوترون‌ها دارای مزیت تغییرناپذیری آن است. بدین معنی که ماشین ‏مورد مطالعه ما قادر است. ذره ‏آلفا را نیز تا انرژی ‏MeV‏40 و پروتون تا ‏MeV‏10 شتاب دهد. در واقع ذره آلفا دارای بار دو برابر و جرم دو برابر دوترون ‏است. در نتیجه همان بار ویژه را دارا می‌باشد. ‏

در مورد پروتونها که همان بار دوترون و نصف جرم دوترونها را دارند جهت ‏بالابردن فرکانس چرخشی کافی است میدان مغناطیسی با فاکتور 2 ‏کاهش یابد تا همان بسامد گردش ولی نصف انرژی نهایی ایجاد شود. به ‏جای شتاب‌دار کردن پروتونهای منفرد روند دیگر بکارگیری مولکولها یونیزه ‏به‌کار می‌رود. در واقع این دستگاه (مولکولهای یونیره) شامل دو پروتون و ‏یک تک الکترون در واقع یک دوترون را شبیه سازی می‌کند و انرژی نهایی ‏تا ‏MeV‏20 دو پروتون سهیم خواهند شد. ‏

با تنظیمات مناسب میدان مغناطیسی به ترتیبی که در بالا شرح آن رفت ‏این ماشینها برای شتابدهی هسته‌ای هلیم تا 3/2 انرژی دوترون و ‏یونهای سنگین و غیره بکار گرفته شدند. بدین دلیل سیکلوترون مثال فوق ‏عموما به عنوان تولید کثیر ، ‏MeV‏10 بر هستک نامیده شد. با این ترتیب ‏قابل درک است که چرا اغلب سیکلوترونهای موجود عملا ماشین‌های ‏دوترونی‌اند.؟

۴.

میکروترون (سیکلوترون الکترونی)

سیکلوترون الکترونی که در طول جنگ جهانی دوم (1944) توسط Valkseler اختراع شد، نظیر بتاترون برای شتاب‌دهنده الکترونی عمل می‌کند. این دستگاه دارای مزیت باریکه پیوسته است، در حالی که بتاترون با چرخه کار ^-410 ثانیه کار می‌کند. از طرف دیگر انرژیهای قابل حصول توسط میکروترون 10 تا 20 مگا الکترون ولت است که خیلی کمتر از انرژیهای حاصل از بتاترونها می‌باشد.

یک شتاب‌دهنده خطی کوتاه که شامل یک کاواک تشدید است دارای بهره انرژی 51.0 می باشد. این مقدار انرژی درست برابر انرژی در حال سکون الکترون است. الکترونها وقتی کاواک را ترک می‌کنند جرمشان دو برابر جرم اول آنها می‌شود. این کاواک در بین قطب‌های مغناطیسی مولد میدان یکنواخت قرار دارد. الکترونها در این میدان یک مدار دایره ای را طی می کنند. هنگامی که الکترونها اولین دور خود را کامل کردند دوباره وارد کاواک می‌شود تا دوباره شتابدار شوند.

دومین شتابش در صورتی موفقیت‌آمیز است که دوره تناوب میدان الکتریکی دقیقا با زمان گردش الکترون در مدارش برابر شود تا اینکه پایداری فاز در فرایند شتابش صورت گیرد و ذره همگام با میدان مغناطیسی حرکت نماید.

در یک چنین موردی فاز الکترونها در شتابش دوم برابر فاز آنها در شتابش اول خواهد بود. آنها کاواک را با سه برابر جرم در حال سکون (m₂=3m₀) ترک کرده با زمان تناوب t₂=3t₀) t₀ دوره چرخش الکترون در مدارش است) در میدان مغناطیسی ارایه می‌دهند و سپس دوباره وارد کاواک می‌شوند.

شتابش نهایی باریکه ذرات در میکروترون:

ساز و کار مشابهی در چرخش های بعدی اجرا می‌شود. ضرورت یک میدان مغناطیسی یکنواخت در سرتاسر ماشین مانع از رسیدن به کانونش خوب قائم ، نظیر آنچه که اگر میدان کاهنده با شعاع بوجود می‌آورد، می‌شود. این به نوبه خود تعداد دورهایی را که بدون افت زیاد باید انجام شود، محدود می‌کند و در نتیجه انرژی قابل حصول را محدود می‌کند.

۵.

بخاطر اینکه در شتاب دهنده سیکلوترون در اثر اعمال ولتاژ زیاد سرعت ذره بالا می‌رود و در سرعتهای زیاد جرم ذره افزایش پیدا کرده و برای ذره سبکی مپل الکترون این تغییرات جرم (از جرم سکون به جرم نسبیتی) قابل توجه خواهد بود. از طرف دیگر در یک چنین شرایطی ذرات مورد شتابش با میدان مغناطیسی همگامی نخواهد داشت. در نتیجه آن پایداری فازی برای ذره وجود نخواهد داشت. به عبارتی ذره در امر شتابش از میدان عقب می‌ماند و فرآیند شتابش موفقیت آمیز نخواهد بود. بنابراین برای رفع این نقایص از شتاب دهنده بتاترون برای شتابش ذرات سبک در انرژیهای بالا استفاده می‌کنند.

ساز و کار شتابش در ماشین بتاترون

میدان مغناطیسی در ماشینی به‌نام بتاترون برای به شتاب در آوردن الکترون در مدار دایره‌ای بکار می‌رود ویژگی مشخصه آن غیاب هر نوع الکترود برای تولید میدان الکتریکی است. در ماشینهای شتاب‌ دهنده‌های ایستایی میدان الکتریکی تنها عامل مؤثر در شتاب ‌دهی ذره باردار است. در اینجا میدان الکتریکی از تغییرات زمانی میدان مغناطیس حاصل می‌شود.

میدان الکتریکی القایی عامل شتابش

تغییرات شار مغناطیسی در سراسر یک سطح موجب القا در طول یک منحنی بسته که آن سطح را محدود می‌کند، می‌شد که طبق رابطه فوق داده شده است: V = dφ/dt که در آن φ شار مغناطیسی و dφ/dt میزان تغییرات شار در زمان است. اکنون الکترونی را در نظر بگیرید که تحت تأثیر میدان مغناطیسی مدار دایره‌ای شکل را می‌پیماید. در صورتی که میدان با زمان تغییر کند (برای مثال افزایش یابد) شار احاطه شده توسط مدار نیز تغییر کرده و ولتاژی را القا می‌کند و در نتیجه میدان الکتریکی E در طول این مدار توسط رابطه زیر داده می‌شود:

که در آن φ = π² است. در رابطه فوق B میدان مغناطیسی متوسط درون مدار است. r در مشتقگیری اخیر ثابت نگهداشته شده است.

تغییرات مدار شتابش ذرات در اثر میدان

میدان الکتریکی بسته به اینکه شار در زمان افزایش یابد یا کاهش پیدا کند، هر دو علامت را دارا خواهد بود. نیروهای الکتریکی موجب افزایش انرژی الکترون می‌شود و به تناسب مدار پهن می‌شود. انبساط مدار در صورت کاهش میدان مغناطیسی در زمان اجتناب ناپذیر است. اما اینکه افزایش در میدان مغناطیسی می‌تواند این تمایل به افزایش شعاع را جبران کرده و موجب بوجود آمدن بطور کلی یک مدار ایستا‌وار برای کل فرآیند شتابش شود درک کردنی است. دقیقا این یک نکته اساسی در بتاترون است.