گروه دست سازه ها:
https://news.1rj.ru/str/+CfjQd01t5kw5MTRk

به نام خدا



شتاب‌دهنده‌های ذرات در قلب پژوهش‌های علمی پیشرفته در فیزیک ذرات بنیادی و کیهان‌شناسی قرار دارند. این ابزارهای بزرگ و پیچیده، اساس مطالعه ساختارهای زیراتمی و نیروهای بنیادی طبیعت را فراهم می‌کنند. در آزمایشگاه‌های مدرن، شتاب‌دهنده‌های ذرات به دانشمندان این امکان را می‌دهند که با شبیه‌سازی شرایطی که در جهان اولیه وجود داشته یا در مرکز ستارگان و برخوردهای کیهانی رخ می‌دهد، به مطالعه دقیق و دقیق‌تر ساختار ماده بپردازند. بدون وجود شتاب‌دهنده‌ها، درک بسیاری از ذرات بنیادی مانند کوارک‌ها، لپتون‌ها، و بوزون‌ها، که نقش اساسی در ساختار جهان دارند، امکان‌پذیر نمی‌بود.

این فناوری‌ها همچنین فراتر از فیزیک ذرات به حوزه‌های مختلف از جمله پزشکی، صنعت، علم مواد و حتی تحقیقات فضایی رسوخ کرده‌اند. با این حال، مفهوم شتاب‌دهنده‌ها فقط به شتاب دادن ذرات درون دستگاه ختم نمی‌شود؛ بلکه فرآیندهای دقیق علمی و فناوری‌های پیشرفته در پشت این سیستم‌ها قرار دارند که ارزش بررسی دارند. در ادامه به معرفی عملکرد و کاربردهای مختلف این ابزارهای حیاتی خواهیم پرداخت.

شتاب‌دهنده و نحوه عملکرد آن
شتاب‌دهنده‌های ذرات برای افزایش سرعت و انرژی ذرات باردار از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی بهره می‌گیرند. این میدان‌ها انرژی جنبشی ذرات را به شدت افزایش می‌دهند تا آنها به سرعت‌های نزدیک به سرعت نور برسند. بسته به نوع ذره، مسیر شتاب‌دهی ممکن است خطی یا حلقوی باشد، و هر کدام از این مدل‌ها کاربردها و ویژگی‌های خاص خود را دارند.

شتاب‌دهنده‌های خطی: این شتاب‌دهنده‌ها ساده‌ترین نوع هستند و ذرات را در مسیری مستقیم شتاب می‌دهند. ذرات در هر مرحله از سفرشان انرژی جدیدی دریافت می‌کنند که از طریق میدان‌های الکتریکی اعمال می‌شود. به طور کلی، شتاب‌دهنده‌های خطی در کاربردهایی که نیاز به شتاب بالا و دستگاه‌های نسبتاً کوچک دارند، استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، شتاب‌دهنده‌های خطی الکترونی برای تولید پرتوهای X در سیستم‌های پزشکی استفاده می‌شوند که امکان اسکن دقیق‌تر و کم‌خطرتر برای تشخیص بیماری‌ها را فراهم می‌کنند.

شتاب‌دهنده‌های حلقوی: شتاب‌دهنده‌های حلقوی مانند سیکلوترون‌ها و سینکروترون‌ها پیچیده‌تر هستند. در این شتاب‌دهنده‌ها، ذرات در مسیری دایره‌ای یا بیضوی حرکت می‌کنند و میدان‌های مغناطیسی آن‌ها را در این مسیر نگه می‌دارند. در هر دور، انرژی بیشتری به ذرات اضافه می‌شود. در برخی از بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده‌های جهان مانند برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) در سرن، ذرات در مسیرهای طولانی دایره‌ای با قطر چندین کیلومتر حرکت می‌کنند و به سرعت‌هایی نزدیک به سرعت نور می‌رسند. میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی که از ابررساناها به دست می‌آیند، نقش کلیدی در حفظ مسیر ذرات و شتاب‌گیری صحیح آن‌ها دارند.

یکی از نکات جالب در شتاب‌دهنده‌ها این است که وقتی ذرات به انرژی‌های بسیار بالا می‌رسند، برخورد آن‌ها با یکدیگر می‌تواند باعث تولید ذرات جدید شود. این ذرات معمولاً در شرایط طبیعی به ندرت دیده می‌شوند و تنها در برخوردهای کیهانی یا در لحظات اولیه پس از بیگ بنگ به وجود می‌آیند. شتاب‌دهنده‌های ذرات شرایطی را ایجاد می‌کنند که به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا این ذرات نادر و گذرا را مطالعه کرده و به فهم عمیق‌تری از طبیعت دست یابند.

شتاب‌دهنده‌های پلوتونیومی و کاربرد آن‌ها در تحقیقات هسته‌ای: یکی دیگر از انواع شتاب‌دهنده‌ها که کمتر به آن توجه می‌شود، شتاب‌دهنده‌هایی هستند که برای شتاب دادن به ذرات سنگین‌تر مانند پروتون‌ها یا یون‌ها استفاده می‌شوند. این دستگاه‌ها در تحقیقات هسته‌ای، از جمله بررسی ویژگی‌های ایزوتوپ‌های نادر یا تولید عناصر جدید، نقش مهمی ایفا می‌کنند. این نوع شتاب‌دهنده‌ها همچنین برای شبیه‌سازی فرآیندهای هسته‌ای در ستارگان و واکنش‌های گرما‌هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کاربردهای شتاب‌دهنده
شتاب‌دهنده‌های ذرات کاربردهای وسیعی دارند که از فیزیک ذرات بنیادی و کیهان‌شناسی گرفته تا پزشکی، صنعت، و حتی کشاورزی را شامل می‌شود. در ادامه، به برخی از کاربردهای مهم این دستگاه‌ها در حوزه‌های مختلف می‌پردازیم.

فیزیک ذرات و کشف‌های بنیادی: مهم‌ترین کاربرد شتاب‌دهنده‌ها در مطالعه و کشف ذرات بنیادی است. برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) که در مرز بین فرانسه و سوئیس قرار دارد، یکی از بزرگ‌ترین شتاب‌دهنده‌های حلقوی جهان است. این دستگاه در سال 2012 موفق به کشف بوزون هیگز شد، ذره‌ای که نقشی اساسی در مدل استاندارد فیزیک ذرات دارد و وجود میدان هیگز را تأیید کرد.

کشف بوزون هیگز گامی مهم در درک ما از منشا جرم ذرات بود و توانست یک شکاف بزرگ در مدل استاندارد را پر کند. LHC همچنین به دنبال کشف ذرات جدید و بررسی ویژگی‌های نیروهای بنیادی است که ممکن است به تئوری‌های فراتر از مدل استاندارد کمک کند، مانند نظریه ابرتقارن و گراویتون به عنوان حامل نیروی گرانش.

پزشکی و درمان بیماری‌ها: یکی از کاربردهای مهم شتاب‌دهنده‌ها در پزشکی است. پرتودرمانی که برای درمان سرطان استفاده می‌شود، یکی از روش‌های درمانی است که از اشعه‌های تولید شده توسط شتاب‌دهنده‌ها بهره می‌برد. اما نوآوری بزرگتر، استفاده از پروتون‌تراپی است. در این روش، شتاب‌دهنده‌ها پروتون‌ها را با انرژی بالا به تومورهای سرطانی هدایت می‌کنند. به دلیل ویژگی‌های خاص پروتون‌ها، انرژی اصلی آن‌ها دقیقاً در نقطه‌ای که نیاز است آزاد می‌شود، و به این ترتیب آسیب به بافت‌های سالم اطراف کاهش می‌یابد. این روش به خصوص در درمان تومورهای حساس و نزدیک به اعضای حیاتی بدن بسیار مفید است.

صنعت و تولید مواد پیشرفته: در صنعت، شتاب‌دهنده‌ها برای تولید و تغییر خواص مواد استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، در فرآیندهایی مانند ایجاد پوشش‌های نانوذرات یا تغییر خواص سطحی مواد، از شتاب‌دهنده‌ها استفاده می‌شود. همچنین، در صنعت نیمه‌رساناها که در تولید تراشه‌های الکترونیکی کاربرد دارد، از شتاب‌دهنده‌ها برای تولید لیتوگرافی اشعه ایکس استفاده می‌شود که به کاهش ابعاد و افزایش دقت تراشه‌ها کمک می‌کند.

تحقیقات فضایی: شتاب‌دهنده‌ها به شبیه‌سازی شرایط فضایی نیز کمک می‌کنند. در آزمایشگاه‌های فضایی، از شتاب‌دهنده‌ها برای تولید پرتوهای کیهانی مصنوعی استفاده می‌شود تا تأثیرات آن‌ها بر تجهیزات فضایی و فضانوردان بررسی شود. این پژوهش‌ها به بهبود ایمنی مأموریت‌های فضایی و طراحی مواد مقاوم‌تر کمک می‌کند.


شتاب‌دهنده‌های ذرات به عنوان یکی از پیچیده‌ترین و مهم‌ترین ابزارهای علمی مدرن، نه تنها در فیزیک ذرات بنیادی بلکه در پزشکی، صنعت و حتی تحقیقات فضایی نقش کلیدی دارند. آن‌ها به دانشمندان این امکان را می‌دهند تا به عمق ساختارهای ماده و نیروهای بنیادی پی ببرند و همچنین در کشف داروهای جدید، تولید مواد پیشرفته و بهبود زندگی انسان‌ها مؤثر باشند. با پیشرفت فناوری‌های شتاب‌دهنده، می‌توان انتظار داشت که در آینده به کشفیات جدیدتری در زمینه‌های علمی مختلف دست یابیم و این دستگاه‌ها همچنان به عنوان ستون فقرات علم مدرن باقی بمانند.

نحوه ساخت نمونه ساده ای از شتاب دهنده

سنسورهای مجاورتی (Proximity Sensors) به حسگرهایی گفته می‌شود که به تشخیص وجود یا عدم وجود یک شی در نزدیک خود می‌پردازند، بدون اینکه نیاز به تماس فیزیکی با آن شی داشته باشند. این سنسورها معمولاً در خودکارهای صنعتی، دستگاه‌های الکترونیکی، و همچنین در تکنولوژی‌های خودرو به کار می‌روند.

### انواع سنسورهای مجاورتی:
1. سنسورهای القایی: این سنسورها معمولاً برای تشخیص فلزات استفاده می‌شوند و بر اساس تغییر میدان الکتریکی یا مغناطیسی کار می‌کنند.
2. سنسورهای نوری: با استفاده از نور (پرتو لیزر یا نور مادون قرمز) وجود اشیاء را تشخیص می‌دهند.
3. سنسورهای اولتراسونیک: این نوع سنسورها با استفاده از امواج صوتی با فرکانس بالا برای تشخیص فاصله تا اشیاء کار می‌کنند.
4. سنسورهای خازنی: بر پایه تغییرات خازنی کار می‌کنند و معمولاً برای تشخیص غیرمادی ها مانند مایعات و مواد غیر فلزی به کار می‌روند.

### کاربردها:
- در خودروها: برای تشخیص فاصله با اشیاء هنگام پارک کردن.
- در صنایع: برای اتوماسیون فرآیندها
و تشخیص مکان تجهیزات.
- در گوشی‌های هوشمند: برای جلوگیری از تماس تصادفی صفحه نمایش هنگام مکالمه.
### قوانین فیزیک به کار رفته:
1. قانون الکترومغناطیس: بسیاری از سنسورهای مجاورتی بخصوص از نوع بدون تماس (مثل سنسورهای القایی) به اصول الکترومغناطیسی وابسته‌اند. این سنسورها با ایجاد میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی و بررسی تغییرات این میدان‌ها در حضور یک شیء کار می‌کنند.

2. قانون بازتاب: سنسورهای نوری مجاورتی (مثل سنسورهای IR) با ارسال نور و بررسی نور بازتاب‌شده از اشیاء کار می‌کنند. این سنسورها به تغییرات شدت نور بازتابی حساس هستند.

ساخت سنسورهای مجاورتی بسته به نوع سنسور می‌تواند متفاوت باشد. در زیر مراحل کلی برای ساخت چند نوع رایج سنسور مجاورتی را بررسی می‌کنیم:

### 1. سنسور مجاورتی القایی
#### مواد لازم:
- کویل (سیم‌پیچ)
- مدارات الکترونیکی (مقاومت‌ها، خازن‌ها)
- میکروکنترلر یا مدار IC

#### مراحل ساخت:
1. طراحی مدار: ابتدا مدار ساده‌ای برای ارسال و دریافت سیگنال‌ها طراحی کنید. معمولاً از یک میکروکنترلر برای پردازش سیگنال‌ها استفاده می‌شود.
2. ساخت سیم‌پیچ: یک سیم‌پیچ دور هسته‌ای عایق دار بسازید. تعداد دورها و قطر سیم بزرگ‌ترین تأثیر را بر عملکرد سنسور دارد.
3. اتصال مدارات: قطعات الکترونیکی و سیم‌پیچ را به مدار وصل کنید.
4. کالیبراسیون: سنسور را با اشیاء مختلف کالیبره کنید تا حساسیت و دقت آن را آزمون کنید.

### 2. سنسور مجاورتی نوری
#### مواد لازم:
- LED مادون قرمز (IR)
- فوتو مقاومت یا سنسور نوری
- مدارات الکترونیکی

#### مراحل ساخت:
1. نصب LED و سنسور: LED مادون قرمز و سنسور نوری را در یک فاصله مناسب ثابت کنید.
2. طراحی مدار: مداری بسازید که LED به صورت پیوسته روشن شود و سنسور نوری تغییرات نور را بخواند.
3. برنامه‌نویسی میکروکنترلر: اگر از میکروکنترلر استفاده می‌کنید، برنامه‌نویسی کنید تا سیگنال‌های دریافتی توسط سنسور بررسی و پردازش شوند.
4. آزمون و کالیبراسیون: سنسور را در محیط‌های مختلف آزمایش کنید و بر اساس نیاز، آن را کالیبره کنید.

### 3. سنسور مجاورتی اولتراسونیک
#### مواد لازم:
- ماژول سنسور اولتراسونیک (مانند HC-SR04)
- میکروکنترلر (مثل آردوینو)
- اتصالات و برد مدار چاپی

#### مراحل ساخت:
1. اتصال سنسور به میکروکنترلر: سنسور اولتراسونیک را به میکروکنترلر وصل کنید.
2. برنامه‌نویسی: نرم‌افزاری بنویسید که فاصله تا اشیاء را با استفاده از زمان بازگشت امواج صوتی محاسبه کند.
3. آزمایش: سنسور را آزمایش کنید و در صورت نیاز کالیبره کنید.

•یوک اسکاچی

یک نوع دستگاه تصفیه هوا است که بر اساس اصول فیزیکی کار می‌کند. این دستگاه با استفاده از فن و فیلترهای خاص، هوای آلوده را جذب کرده و ذرات معلق، باکتری‌ها، و ویروس‌ها را از آن حذف می‌کند.


یوک اسکاچی یک سازوکار حرکت رفت و برگشتی است که حرکت خطی یک کشویی را به حرکت دورانی تبدیل می‌کند یا بالعکس. پیستون یا دیگر قسمت رفت و برگشتی مستقیماً به یوک کشویی با شکافی متصل می‌شود که یک پین را روی قسمت چرخان درگیر می‌کند. موقعیت پیستون در طول زمان حرکت ساده هارمونیکی است، یعنی موج سینوسی دارای دامنه ثابت و فرکانس ثابت تولید می‌کند.

❗️کاربرد در صنعت:

این سازوکار معمولاً در محرک‌های شیر کنترل در خطوط فشار قوی روغن و گاز استفاده می‌شود. اگرچه امروزه آن‌چنان رایج نیست، همچنین از این سازوکار در موتورهای درون‌سوز مختلفی مانند موتور بورک و بسیاری از موتورهای بخار استفاده شده‌است، وقتی شکاف در یوک کوتاهتر از قطر دایره ایجاد شده توسط پایه میل‌لنگ باشد، از اصطلاح یقه اسکاچ استفاده می‌شود. به عنوان مثال، میله‌های کناری یک لوکوموتیو ممکن است دارای یوکهای اسکاچ باشند تا حرکت عمودی محورهای میانی را امکان‌پذیر کنند. همچنین این سازوکار در دستگاه پیش‌بینی جزر و مد برای تولید حرکت سینوسی (توابع سینوسی) استفاده می‌شود.
همچنین یوک اسکاچی در صنعت به منظور تصفیه هوای محیط‌های صنعتی، بخصوص در کارخانجات و سایر محل‌های با آلودگی هوای بالا، استفاده می‌شود.

❗️کاربرد فیزیکی:

این دستگاه از قوانین فیزیکی نظیر قانون دوم ترمودینامیک (قانون حفظ جرم) و قانون نيوتن برای جابجایي هوا (قانون حفظ جرم) پيروى مى كند. به علاوه، در طول عملكرد خود، چگالي هوا را تغيير نمى دهد بلكه ذرات آلودگى را جذب كرده و سپس خروجى تصفيــــــــــــە شده را به محيط باز مى گذارد.

•قانون دوم ترمودینامیک :

بیان می‌کند که در یک پروسهٔ طبیعی ترمودینامیکی جمع انتروپی تک‌افتادهٔ (ایزوله) سیستم‌های شرکت‌کننده در آن پروسه، همواره با گذشت زمان افزایش می‌یابد، (تنها اگر در شرایط ایده‌آل حالت دایمی، یا تحت فرایند برگشت‌پذیری قرار داشته‌باشد، ثابت می‌ماند). به بیان دیگر هیچ پروسهٔ ترمودینامیکی وجود ندارد که با گذشت زمان با افزایش انتروپی همراه نباشد. این افزایش آنتروپی برابر است با افزایش اتلاف انرژی، (و سازگار با فرایند برگشت‌ناپذیر و اصل نابرابری گذشته و آینده).

این ویدئو بیانگر چگونگی عملکرد یوک های اسکاچی و مکانیزم انهاست

آسانسور هیدرولیک چیست؟
به آسانسورهایی که با سیستم هیدرولیک (جک و پاوریونیت) عمل می کنند، آسانسور هیدرولیک گفته می شود. آسانسورهای هیدرولیکی انواع گوناگونی دارند و می توانند به یک یا دو جک بصورت مستقیم یا غیرمستقیم مجهز باشند.
مبنای عملکرد این نوع آسانسورها فشار و جریان روغن هیدرولیک است و شیر کنترل جریان نقش تنظیم و تعدیل جریان روغن برای حرکت مطلوب آسانسور را برعهده دارد. آسانسورهای باری سنگین، صنعتی، سیستم های خاص و ... اغلب با مکانیزم هیدرولیک عمل می کنند. ویژگی های اصلی سیستم هیدرولیک کاربرد آنها را تعریف می کنند. این نوع آسانسورهای برای ارتفاع جابجایی و سرعت کم تا متوسط، و ظرفیت بار تقریبا نامحدود مناسب هستند. اغلب بالابرهای خانگی، در ساختمان ها و ویلاهای دو یا سه طبقه با سیستم هیدرولیک اجرا می شوند. همچنین بیشتر آسانسورهای خودروبر، و آسانسورهای فوق سنگین با استفاده از مکانیزم هیدرولیک عمل می کنند.

نحوه کار آسانسور هیدرولیک:

مطالعه نحوه کار سیستم هیدرولیک بصورت دقیق مستلزم شناخت سیستم و مبانی علم هیدرولیک است. اما برای شناخت کلی مکانیزم عملکرد دستگاه های بالابرنده هیدرولیکی، باید نحوه حرکت جک هیدرولیک را در نظر گرفت. با حرکت جک، کابین جابجا می شود. حرکت پیستون جک ناشی از جریان روغنی است که بوسیله پمپ ایجاد می شود. یک پمپ هیدرولیک که بوسیله الکتروموتور به گردش در می آید روغن را از مجاری شیر کنترل و از مسیر شلنگ به داخل سیلندر جاری می کند. اساس عملکرد سیستم بر پایه دو فاکتور اصلی فشار و جریان توضح داده می شود. فشار هیدرولیک عبارت است از نسبت نیری وارد شده به سطح مقطع مایع محبوس. نرخ جریان به حجم عبوری روغن در واحد زمان اشاره دارد. پیستون جک هیدرولیک بر اساس وزن بار و ارتفاع تعیین می شود و سرعت حرکت بر مبنای قطر پیستون و ظرفیت پمپ هیدرولیک محاسبه خواهد شد.

محاسبات آسانسور هیدرولیک:

•محاسبات فشار:
محاسبات آسانسورهایی با عملکرد هیدرولیک مستلزم دانش فنی و مهندسی آسانسور از یک سو و همچنین مبانی سیستم های هیدرولیک می باشد. سیستم های هیدرولیک عموما برای انتقال نیرو مورد استفاده قرار میگیرند. در طراحی این سیستم ها دو فاکتور بسیار مهم یعنی فشار و جریان مورد توجه قرار می گیرد. فشار هیدرولیک عبارت است از مقدار نیروی عامل بر واحد سطح مقطع که با یکای اندازه گیری بار سنجیده می شود. نرخ جریان، به مقدار حجم سیال که در واحد زمان عبور می کند اطلاق می گردد. بر این اساس نرخ جریان را با یکای اندازه گیری لیتر بر دقیقه محاسبه میکنند.

در طراحی آسانسور، دو عامل بر فشار هیدرولیک موثر است. عامل اول سطح مقطع پیستون جک است که با فاکتور فشار رابطه معکوس دارد. عامل دوم جرم کل باری است که بصورت عمودی بر جک وارد می شود. مقدار بار وارد شده بر جک با فشار رابطه مستقیم دارد. به عبارتی دیگر زمانیکه نیروی وارد بر جک بیشتر می شود فشار افزایش و زمانی که سطح مقطع پیستون جک افزایش می یابد فشار کاهش پیدا میکند.

•محاسبات کمانش:
بخش دیگری از محاسبات آسانسور در سیستم های هیدرولیک که بسیار اهمیت دارد به مساله کمانش مربوط می شود. ضروری است نیروی کمانش موثر جک در شرایط واقعی محاسبه شود. این مقدار باید با نیروی کمانش بحرانی که بر اساس نوع متریال و اندازه پیستون جک محاسبه شده مقایسه و با فاکتور ایمنی استاندارد لحاظ گردد. چنانچه این محاسبه بدرستی انجام نشده و در آزمون قبول نشود، امکان کرنش جک تحت تاثیر نیروهای وارده و خم شدن آن وجود دارد.

 تفنگ پیچه‌ای یا کویل‌گان (Coilgun) یا تفنگ گاوس نوعی شتاب‌دهنده پرتابه است که شامل یک یا چند سیم پیچ است که به عنوان الکترومغناطیسی در پیکربندی یک موتور خطی استفاده می‌شود که یک پرتابه   فرو مغناطیسی یا هادی را با سرعت بالا شتاب می‌دهد. در تقریباً تمام ساختارهای تفنگ پیچه‌ای، پیچه‌ها (کویل‌ها) و لوله اسلحه در یک محور مشترک قرار گرفته‌اند. نام «گاوس» به خاطر کارل فردریش گاوس است که توصیف ریاضی از اثر مغناطیسی استفاده شده توسط توپهای شتاب‌دهنده مغناطیسی را توصیف کرد یک دیاگرام ساده از نحوه عملکرد کویلگان
تفنگ‌های پیچه‌ای معمولاً از یک یا چند کویل در امتداد یک لوله تشکیل شده‌است، بنابراین مسیر پرتابه شتاب‌دهنده در امتداد محور مرکزی کویل قرار دارد. کویل‌ها دقیقاً به ترتیب روشن و خاموش می‌شوند و باعث می‌شود که پرتابه از طریق نیروی مغناطیسی به سرعت در امتداد لوله شتاب بگیرد