آزمایش، شکلهای سنتی مسطح لیشتنبرگ را به یک فرم کاملاً استوانهای تبدیل کرد و «رعد در بطری» را بهدست آورد.
عبارت «رعد در بطری» معمولاً بهعنوان استعارهای برای چیزی نادر یا غیرقابل بازتولید بهکار میرود. در یک آزمایش اخیر یوتیوب، خالق معروف به Electron Impressions این اصطلاح را بهصورت لفظی تفسیر کرد و با استفاده از شتابدهنده ذرات، سازههای دائمی شبیه رعد را داخل یک سیلندر شفاف آکریلیک تولید کرد.
نتیجه یک شکل لیشتنبرگ سهبعدی است؛ الگوهای شاخهدار الکتریکی که درون یک لوله منجمد شدهاند و شبیه رعدی درون بطری میدرخشند.
خالق در تولید شکلهای لیشتنبرگ تخصص دارد؛ او الکترونهای پرانرژی را بهسوی موادی عایق همچون آکریلیک پرتاب میکند. این الکترونها به داخل ماده نفوذ کرده و بار الکتریکی را بهعمق داخل آن میریزند. وقتی این بار بعدها آزاد میشود، ماده بهصورت داخلی شکست میخورد و الگوهای شبیه درخت که مسیر شکست دیالکتریک را نشان میدهند، بهجا میگذارد.
تا به امروز، این طرحها معمولاً به بلوکها، ورقها یا دیسکهای مسطح محدود میشدند. آزمایش جدید این فرایند را به شکل کاملاً استوانهای ارتقا داد.
چرا شتابدهنده ذرات ضروری بود
چالش اصلی در ایجاد شکل لیشتنبرگ استوانهای، رفتار الکترونها داخل مواد جامد است. هنگامی که از شتابدهنده خطی پرتاب میشوند، الکترونها بار خود را در عمقی پیشبینیشده که توسط انرژی آنها تعیین میشود، میگذارند.
در قطعات آکریلیک تخت، متمرکز کردن بار نزدیک به مرکز نسبتاً آسان است. اما در یک استوانه، تابش از یک جهت تنها منجر به الگوی نامساوی میشود که به یک طرف محدود میماند.
از آنجا که خود شتابدهنده نمیتواند چرخانده شود، سیلندر آکریلیک بهجای آن تحت پرتو میچرخید. این اطمینان داد که الکترونها از تمام زوایا حول محور مرکزی وارد میشوند و توزیع شعاعی یکنواختی از بار ایجاد میشود.
این فرآیند نیاز به کنترل دقیق داشت. اگر سیلندر بهسرعت کم بچرخد، بار بهطرز نامساوی انباشت میشود؛ اگر بیش از حد سریع بچرخد، تابش کافی نخواهد بود.
سیلندر با تقریباً ۱۵۰ دور در دقیقه چرخیده شد؛ بهطوری که در طول یک تابش کوتاه ۱ تا ۲ ثانیهای، چندین بار زیر پرتو الکترونی عبور کرد. این سرعت بهمنظور اطمینان از دریافت دوز یکنواخت الکترونها توسط تمام سطح محاسبه شد.
مهندسی برای تابش شدید
طراحی مکانیسم چرخشی برای استفاده داخل شتابدهنده ذرات، چالش عمده دیگری را بهوجود آورد. محیط تابشی بهقدری شدید است که تقریباً بلافاصله اکثر الکترونیکهای مدرن را مخدوش میکند. برای رفع این مشکل، مونتاج چرخشی بهصورت عمدی ساده ساخته شد و از قطعات مقاوم در برابر تابش استفاده گردید.
یک موتور DC با براشت که توسط یک باتری اسید‑سربی ۱۲ ولتی تامین میشد، سیستم را به حرکت درآورد. باتریهای اسید‑سربی به دلیل مقاومت بیشتر در برابر تابش نسبت به گزینههای لیتیومی با انرژی بالا انتخاب شدند.
یک ورق نازک سربی نیز برای محافظت باتری استفاده شد؛ اگرچه سازنده اشاره کرد که ممکن است این یک احتیاط اضافی باشد. بیشتر قطعات ساختاری از پلاستیک مشکی PETG بهصورت چاپ سهبعدی ساخته شدند، مادهای که پیشتر در مواجهه با تابش بالا عملکرد قابل اعتمادی نشان داده بود.
سیستم رولر خود شبیه رولهای دستگاه هاتداگ فروشگاههای خودسرویسی بود. چرخهای چاپشده بهصورت نامنظم لوله آکریلیک را ایمن نگه میداشتند و در عین حال امکان چرخش سریع و روان آن را هنگام تابش فراهم میکردند.
از شارژ تا تخلیه
سیلندر آکریلیک، با قطر دو اینچ از مادهٔ شفاف ساخته شده و با استفاده از نرمافزار CAD طراحی شد. دو سیلندر یکسان تولید شدند، تا در صورتی که یکی نتواند فرآیند شارژ مورد نظر را تحمل کند، دیگری باقی بماند. پس از نصب در محفظه شتابدهنده، یک دوربین GoPro محافظتشده در برابر تابش، تابش را ضبط کرد و درخشش آبی چرنوکوفی را هنگام برخورد الکترونها به آکریلیک بهدست آورد.
یک سیلندر با موفقیت بار را جمعآوری کرد و بعداً بهصورت عمدی با ضربه زدن به طرفش تخلیه شد، که باعث آزادسازی ناگهانی انرژی شد و الگوهای شاخهدار رعدی بهطور یکنواخت در سراسر لوله شکل گرفت. سیلندر دوم بیش از حد بار گرفت و خودبهخودی تحت پرتو تخلیه شد و ساختارهای داخلیاش را بهصورت آشوبناک و غیرقابل پیشبینی ایجاد کرد.
از طریق سطح منحنی سیلندر، الگوهای داخلی بهدلیل انکسار نور بزرگتر و نمایشیتر بهنظر میرسند، حتی اگر تخلیه یک ساختار توخالی شبیه لوله درون آن ایجاد کند. قطعات نهایی نشان میدهند که چگونه هندسه و فیزیک مواد میتوانند ترکیب شوند تا یک پدیده الکتریکی آشنا را به یک شکل سهبعدی خیرهکننده تبدیل کنند و «رعد در بطری» را فراتر از یک اصطلاح صرفاً بیانگر کنند.