خلق «صاعقه در بطری» به صورت سه‌بعدی و دائمی با استفاده از شتاب‌دهنده ذرات

ضرورت استفاده از شتاب‌دهنده و چرخش دقیق

چالش اصلی در ساخت یک شکل لیختنبرگ استوانه‌ای، به نحوهٔ رفتار الکترون‌ها درون مواد جامد بازمی‌گردد. وقتی الکترون‌ها از یک شتاب‌دهندهٔ خطی شلیک می‌شوند، بار خود را در عمقی قابل پیش‌بینی در ماده ته‌نشین می‌کنند.

توزیع یکنواخت بار با چرخش

برای قطعات اکریلیک تخت، تمرکز بار در نزدیکی مرکز نسبتاً ساده است، اما در یک استوانه، تابش از تنها یک جهت باعث می‌شد الگو به‌طور ناهمگون و فقط در یک سمت شکل بگیرد.

از آنجا که خود شتاب‌دهنده قابل چرخاندن نبود، استوانهٔ اکریلیک باید زیر پرتو می‌چرخید. این کار تضمین می‌کرد که الکترون‌ها از تمام زوایا پیرامون محور مرکزی وارد شوند و توزیع شعاعیِ یکنواختی از بار ایجاد گردد.

سرعت چرخش حیاتی

این فرایند به کنترل بسیار دقیقی نیاز داشت؛ اگر استوانه خیلی آهسته می‌چرخید، بار به‌طور نامتوازن جمع می‌شد و اگر خیلی سریع می‌چرخید، میزان تابش کافی نبود. استوانه با سرعتی حدود ۱۵۰ دور در دقیقه چرخانده شد تا در مدت کوتاه ۱ تا ۲ ثانیه چندین بار از زیر پرتو عبور کند و تمام سطح، دوز یکنواختی از الکترون‌ها را دریافت نماید.

مهندسی سازوکار مقاوم در برابر تابش شدید

محیط تابشی درون شتاب‌دهندهٔ ذرات آن‌قدر شدید است که بیشتر تجهیزات الکترونیکی مدرن تقریباً بلافاصله از کار می‌افتند. برای حل این مشکل، مجموعهٔ چرخان عمداً ساده و از قطعات مقاوم در برابر تابش ساخته شد.

• موتور: از یک موتور DC جاروبک‌دار برای به حرکت درآوردن سامانه استفاده شد.
• منبع تغذیه: یک باتری سرب-اسیدی ۱۲ ولت که مقاومت بیشتری نسبت به گزینه‌های لیتیومی در برابر تابش دارد، وظیفهٔ تأمین انرژی را بر عهده گرفت.
• محافظت: از یک ورق نازک سرب برای محافظت بیشتر از باتری استفاده شد.
• اجزای سازه: بیشتر اجزای سازه با چاپ سه‌بعدی و از پلاستیک PETG مشکی ساخته شدند که قابلیت اطمینان خود را در برابر تابش‌های بالا نشان داده است.

سامانهٔ غلتک‌ها که لولهٔ اکریلیک را محکم نگه می‌داشتند، شبیه غلتک‌های دستگاه هات‌داگ طراحی شده بودند تا اجازه دهند استوانه هنگام تابش، با سرعت و نرمی بچرخد.

نتایج آزمایش: از شارژ تا تخلیه

دو استوانهٔ اکریلیک با قطر دو اینچ برای این آزمایش ماشین‌کاری شدند. پس از نصب در محفظهٔ شتاب‌دهنده، دوربین با محافظ تابشی، درخشش آبی چرنکوف را هنگام برخورد الکترون‌ها با اکریلیک ثبت کرد.

یکی از استوانه‌ها با موفقیت بار را انباشته کرد و با ضربه‌ای عمدی تخلیه شد. این تخلیهٔ ناگهانی انرژی، الگو‌های صاعقه‌ایِ شاخه‌شاخه و یکنواختی را در سراسر لوله پدید آورد.

استوانهٔ دوم بیش‌ازحد بار گرفت و زیر پرتو خودبه‌خود تخلیه شد که به ایجاد ساختار‌های درونی آشفته‌تر و غیرقابل پیش‌بینی انجامید. این الگوها، به‌دلیل شکست نور از پشت سطح منحنی، بزرگ‌تر و دراماتیک‌تر به نظر می‌رسند و نشان می‌دهند که چگونه هندسه و فیزیک مواد می‌توانند با هم ترکیب شوند تا «صاعقه در بطری» را از یک استعاره فراتر ببرند.