طراحی ، شبیه سازی و بررسی امکان سنجی ساخت یک نوسان ساز برای شتابگر سینکروترونی

در سال 1940، اولین شتاب دهنده ی الکترونی با انرژی بالا به بهره برداری رسید. طولی نکشید که ایوانکو و پومرانچوک، نشان دادند که محدودیت در رسیدن به حداکثر انرژی ذرات به علت اتلاف انرژی در تابش الکترومغناطیسی است. در سال 1947 ، برای اولین بار پرتو قابل رویت، در سینکروترون mev70 در آزمایشگاه جنرال الکتریک مشاهده شد. از آن به بعد این تابش، تابش سینکروترون نامیده شد. مشاهده شده که اتلاف انرژی ذرات در پدیده تابش سینکروترون باعث بروز محدودیت هایی در ساخت شتاب دهنده های حلقوی الکترونی یا پوزیترونی می شود. با استفاده از کاواک هایی در محدوده ی بسامد های رادیویی با توان زیاد، افزایش انرژی ذره قابل حصول است که در نتیجه نه تنها ذرات به سرعت زیادی می رسند، بلکه بر تلفات انرژی تابش سینکروترون غلبه می شود. از آنجا که سرعت ذرات نسبیتی هستند، پرتو ساطع شده سینکروترون رو به جلو خواهد بود، و مماس بر مدار ذره و تحت زاویه ای برابر با (معمولا 1/0 تا 1 میلی-رادیان که بستگی به انرژی پرتو ی الکترون دارد) خواهد بود. ضریب تصحیح لورنتس برای حرکت ذرات نسبیتی است و که در آن ، سرعت الکترون و سرعت تابش در خلاء است. طیف تابش سینکروترون، از مادون قرمزدور تا پرتو های ایکس قرار دارد و پرتو های ساطع شده دارای درجه ی قطبی شدگی زیاد است و شدت اش ازمنابع دیگر بسیار بیشتر است. با توجه به خصوصیات ذکر شده، تابش سینکروترون ابزار قدرتمندی، در بسیاری از پژوهش های کاربردی است. در سال 1960 استفاده از تابش سینکروترون وبهره برداری از آن در زمینه ی کریستالوگرافی شروع شد. در سال1980 منابع تابش سینکروترون نسل دوم ظاهر شدند که به طور خاص برای تولید فوتون، طراحی و توسعه یافتند، بدین گونه بر آینده ی علوم مربوط به پرتو ایکس تاثیر چشمگیری گذاشته شد. مدت کوتاهی بعد، با نصب سازه های آهن ربایی درمسیر طیف الکترون نسبیتی که آنها را وسیله های الحاقی (insertion devices) نامیدند ، شدت تابش سینکروترونی با چند برابر بزرگتر به دست آمد. نسل سوم سینکروترون ها در اصل بر پایه ی استفاده از وسیله های الحاقی مثل لرزاننده ها (wigglers) ونوسان سازها (undulators) است. مشخصه ی منابع تابشی سینکروترون نسل سوم ، درخشندگی بسیار زیاد پرتوی فوتون است. آخرین منابع تابش سینکروترون توصیف شده با توجه به بزرگترین حلقه ی ذخیره سازی و پرتو ی انرژی الکترون، esrf (اروپا ، فرانسه)، aps (ایالات متحده آمریکا) و spring-8 (ژاپن) هستند. نسل چهارم سینکروترون ها بر پایه ی استفاده از لیزرهای الکترون آزاد می باشد. اساس کار این لیزر ها، تولید پرتو ی الکترونی نوسانی همدوس است که فوتونی درناحیه ی طول موج پرتو ی ایکس تولید می کند. این پرتو از درخشندگی بسیار زیاد (9 برابر بزرگتر از حلقه های ذخیره-سازی نسل سوم) و پالس فوق العاده کوتاه (فمتو ثانیه) برخوردار است . کاربردهای تابش سینکروترون تابش سینکروترون دارای کاربردهای متنوعی در حوزه های مختلف تحقیقاتی و صنعتی اعم از تحقیقات پایه و کاربردی است که آزمایشگاه های بسیاری از قبیل فیزیک اتمی و ملکولی، مطالعات مواد آهن ربایی، دینامیک شیمیایی، فیزیک سطح، طیف سنجی سطوح، بلور شناسی پروتئین ها و ... در اطراف آن قرار دارند و از خطوط باریکه (beamlines) سینکروترون استفاده می کنند. هم اکنون کاربردهای تحقیقاتی در زمینه های فیزیک، علم مواد، علوم زیستی و بیولوژیکی، پزشکی، شیمی محیط زیست و زمین شناسی وجود دارد و کاربرد های صنعتی آن نیز در موارد لیتوگرافی، داروسازی، فراورده های غذایی، پلاستیک ها، کاغذسازی، شیمی، صنعت ساختمان، متالوژی، معدن ومواد معدنی و میکروماشین کاری انجام شده است. نوسان ساز نوسان سازها از جمله قطعات و اجزای الحاقی هستند که در سینکروترون ها در قسمت های مستقیم حلقه ذخیره در مسیر الکترون قرار می گیرند تا بتوان انرژی وشار ودرخشندگی مورد نیاز تابش را تامین کرد. با استفاده از نوسان ساز ها می توان در محدوده الکترون با انرژی پایین ، به فوتون با انرژی بالایی دست یافت و دیگر نیازی به ساختن حلقه های ذخیره بسیار بزرگ نخواهد بود. نوسان سازها آرایه های منظم از آهن ربا ها با دوره تناوب هستند که میدان مغناطیسی ضعیفی با تغییرات سینوسی ایجاد می کنند و آشفتگی دوره ای خطوط میدان الکتریکی را موجب می شوند. بدین صورت پرتو الکترونی را به طور تناوبی و عرضی از مسیر خود منحرف کرده و شتاب می دهند. در واقع این نوسان دوره-ای مولفه های میدان الکترومغناطیسی است که به صورت تابش مشاهده می شود.در چهارچوب الکترون متحرک، طول موج تابش ساطع شده از الکترون برابر با طول دوره ی نوسان ساز تقسیم بر ضریب تصحیح لورنتز می باشد. در چهار چوب آزمایشگاهی ساکن، این طول موج در نظر ناظر به نسبت کاهش بیشتری می یابد که در اثر پدیده ی دوپلر است. طول دوره ی نوسان ساز از مرتبه ی سانتیمتر است که با تقسیم بر عامل کوچکتر می شود که به محدوده ی پرتو ایکس می رسد. دو نوع نوسان ساز صفحه ای که بیشتر مورد استفاده واقع می شوند عبارتند از: 1- بر پایه ی آهن ربای دائمی خالص (pure permanent magnet) 2- بر پایه ی آهن ربای دائمی چند سازه ای (hybrid permanent magnet). در واقع نوسان سازهای دائمی می توانند با قطب های آهنی یا بدون آنها ساخته شوند . اگرهیچ قطب آهنی استفاده نشود ، آهن ربای دائمی خالص است که آسان-ترین محاسبه ی عددی _ به خاطر خاصیت جمع پذیری میدان تولید شده از هر بلوک _ را دارند. اگر از قطب های آهنی استفاده شود روی شار خطوط میدان متمرکز می شوند، و به یک میدان آهن ربایی بزرگ می توان رسید که نوسان ساز چند سازه ای نامیده می شود [4]. نوسان سازهای چند سازه ای شامل قطب هایی ساخته شده از مواد نرم مثل (armco) یا (vanadium permendur) -که شامل عناصر 49% آهن، 49% کبالت و 2% واندیوم -در بین بلوک های آهن ربای دائمی است . اهداف هدف از این تحقیق، طراحی یک نوسان ساز مناسب جهت قرار گرفتن در سینکروترون ملی ایران (پروژه ای که هم اکنون در دست بررسی و ساخت می باشد) است. محاسبات عددی میدان مغناطیسی و شبیه سازی های مورد نظر با استفاده از نرم افزار ریدیا (radia) صورت می گیرد که تحت برنامه ی mathematica 6 کار می کند. در نهایت امکان سنجی ساخت نوسان ساز طراحی شده را مورد بررسی قرار می دهیم .