فيزيائي يصنع البرق في زجاجة باستخدام مسرع الجسيمات فيديو

عادةً ما يُستخدم تعبير “البرق في الزجاجة” لوصف شيء نادر ويصعب تكراره. مدون فيزيائي الانطباعات الإلكترونية حول الاستعارة إلى واقع باستخدام مسرع الجسيمات لإنشاء أنماط كهربائية داخل أسطوانة أكريليك شفافة. والنتيجة هي شخصية ثلاثية الأبعاد من Lichtenberg – هياكل “البرق” المتفرعة، مثل البرق المتجمد داخل الزجاجة.

كيف يحدث ذلك

تتشكل أرقام ليشتنبرغ عندما تخترق الإلكترونات عالية الطاقة مادة عازلة مثل الأكريليك وتقوم ببناء شحنة بداخلها. أثناء التفريغ اللاحق، يتم تدمير المادة من الداخل، مما يترك أنماطًا متفرعة تتبع مسار الانهيار الكهربائي. حتى وقت قريب، تم إنشاء هذه الهياكل فقط على ألواح مسطحة أو أقراص. أتاحت تجربة جديدة نقل التأثير إلى شكل أسطواني.

لماذا كانت هناك حاجة إلى مسرع الجسيمات؟

كانت الصعوبة الرئيسية هي التوزيع الموحد للشحنة الإلكترونية في جميع أنحاء الاسطوانة. في المسرع الخطي، تخترق الإلكترونات عمقًا معينًا اعتمادًا على طاقتها. بالنسبة للألواح المسطحة، يكون الأمر بسيطًا – حيث تتركز الشحنة في المركز. في الأسطوانة، فإن التشعيع من اتجاه واحد من شأنه أن يعطي توزيعًا غير متساوٍ.

لحل هذه المشكلة، تم تدوير الأسطوانة نفسها تحت شعاع التسريع بسرعة حوالي 150 دورة في الدقيقة، مما يوفر تأثيرًا موحدًا على جميع الجوانب. كان زمن التشعيع 1-2 ثانية فقط، لكن هذا كان كافياً لتوزيع الشحنة على السطح بأكمله.

تصميم للظروف القاسية

تخلق غرفة المسرع مجالًا إشعاعيًا مكثفًا يؤدي إلى إتلاف الإلكترونيات بسرعة. ولذلك، كانت آلية الدوران بسيطة قدر الإمكان ومصنوعة من مواد مقاومة للإشعاع. تم تشغيل محرك التيار المستمر المصقول بواسطة بطارية حمض الرصاص بقوة 12 فولت محمية بطبقة رقيقة من الرصاص، وتمت طباعة بكرات التثبيت ثلاثية الأبعاد من مادة PETG السوداء.

كان نظام الأسطوانة يذكرنا بآلة بيع النقانق: تم تثبيت الأسطوانة بشكل آمن وتدويرها بسلاسة، مما يسمح للإلكترونات باختراق جميع نقاط الأكريليك.

من تراكم الشحنة إلى التفريغ

تم تصنيع أسطوانة يبلغ قطرها حوالي 5 سم من طراز CAD. تم أخذ عينتين متطابقتين في حالة وقوع حادث. تراكمت شحنة واحدة ثم تم تفريغها عمدًا عن طريق النقر، مما أدى إلى إنشاء أنماط برق متناظرة. تم تحميل الثانية بشكل زائد وتفريغها بشكل فوضوي، تاركة هياكل داخلية لا يمكن التنبؤ بها.

كان الضوء ينكسر من خلال السطح المنحني للأسطوانة، مما أدى إلى زيادة حجم الأنماط بصريًا. أدى التفريغ إلى تكوين هيكل أنبوبي مجوف داخل الأكريليك، مما أدى إلى تحويل ظاهرة شائعة – الانهيار الكهربائي – إلى منحوتة مثيرة للإعجاب ثلاثية الأبعاد.

نتيجة مبهرة

يلاحظ الفيزيائي: “لقد التقطنا حرفيًا البرق في زجاجة“.

وأظهرت التجربة كيف يمكن للفيزياء والهندسة أن تجتمعا معًا لتحويل ظاهرة علمية إلى شيء مذهل بصريًا.