تحقیق در مورد پرتو گاما

پرتوها
پرتو گاما
اشعه گاما نوعی از امواج الکترومغناطیسی است. طول موج آن بسیار کوتاه است و از ۱ تا ۰٫۰۱ آنگستروم تغییر می کند. جرم آن در مقیاس اتمی صفر، سرعت آن برابر سرعت نور، بار الکتریکی آن صفر است. انرژی اشعه گاما از ۱۰ کیلو الکترون ولت تا ۱۰ مگا الکترون ولت تغییر می کند.
برد اشعه گاما بسیار زیاد است. مثلا در هوا چندین متر است. خاصیت ایجاد یونیزاسیون و برانگیختگی در اشعه گاما نیز وجود دارد. ولی به مراتب کمتر از ذرات آلفا و بتا است. مثلا اگر قدرت یونیزاسیون متوسط اشعه گاما را یک فرض کنیم، قدرت یونیزاسیون متوسط ذره بتا ۱۰۰ و ذره آلفا ۱۰۴ خواهد بود. قدرت نفوذ این اشعه به مراتب بیشتر از ذرات بتا و آلفا است. طیف انرژی اشعه گاما، همانند ذرات آلفا تک انرژی است. یعنی تمام فوتون های گامای حاصل از یک عنصر رادیواکتیو دارای انرژی یکسانی هستند.
توزیع گاما
‫توزیع گاما یکی از توزیع های احتمالاتی پیوسته است.
تابع چگالی احتمال:

گاما
تابع احتمال

یک آنتن رادار دوربرد معروف به آلتیر (ALTAIR) برای ردیابی اشیاء فضایی، این رادار در آبسنگ کواجالین مستقر است.
رادار یک دستگاه رادیویی است که برای مشاهده اجسام و اندازه گیری برخی ویژگی های آنها به وسیله امواج الکترومغناطیسی به کار می رود. کاربرد اصلی رادار و محل پیدایش و رشد آن در صنایع نظامی و هوانوردی است و نقش اصلی یک سیستم راداری نظارت بر یک محدوده بزرگ و تشخیص اجسام متحرک، ردیابی اهداف و استخراج مشخصاتی مانند سرعت و ارتفاع و … می باشد.
*
ساختار و عملکرد
رادار با ارسال و دریافت امواج رادیویی کار می کند. اهدافی که رادار استخراج می کند، معمولا اهداف فلزی هستند. ویژگی های رادار نسبت به دید چشمی:
* برد زیاد
* عدم وابستگی به وجود نور
* عبور امواج از موانع
* امکان اندازه گیری دقیق مشخصه هایی مانند فاصله، ارتفاع، سرعت
انواع رادار از نظر ساختمانی
* رادار پالسی
* رادار موج پیوسته
کاربرد ها
* نظارت و رهگیری هواپیماها و موشکها
* نظارت و رهگیری اهداف دریایی یا زمینی
* نظارت و رهگیری اجرام فضایی
* هواشناسی
* اندازه گیری سرعت وسایل نقلیه
* رادارهایی که امروزه در هوانورذی غیرنظامی استفاده میشود در دو گروه کلی مورد بحث قرار میگیرد:
Primary Suveillance Radar و Secondary Suveillance Radar

از آنجایی که این دو رادار از هر جهت کامل نیستند اکثرا با هم در یک سایت نصب میشوند.
در اینجا سعی میکنم این دو سیستم رو به همراه معایب و محاسن معرفی کنم.

Primary Suveillance Radar )PSR) :
این اولین نوع رادار بود که در هواپیمایی بکار گرفته شد . اساس کار بر مبنای فرستادن یک سیگنال و محاسبه زمان برگشت آن از هدف بود . این آنتن در ساده ترین حالت از چهار بخش مهم تشکیل شده :
1-فرستنده
2-گیرنه
3-آنتن
4-صفحه نمایش(Plan Position Indicator)

در ابتدای کار آنتن در حالت فرستندگی است و در زمانی بسیار کوتاه ( حدود 2 میکرو ثانیه) امواج الکترومغناطیسی رو پخش میکند . به این زمان Tx Time میگویند.
انرژی به یک آنتن Directional تغذیه شده و در فضا پخش میشود . دقت کنیم که آنتن رادار در اصل یک آنتن سمتی است ( پخش کننده در یک سمت ) ولی وقتی که به گردش در میاید کار یک آنتن همه جهته (Omindirectional) را میکند.

بعد از پخش اموج نوبت به دریافت برگشتی حاصل از برخورد به اهداف است . از اینرو فرستنده خاموش و گیرنده روشن میشود . در مدت زمانی حدود چندین هزار میکرو ثانیه گیرنده روشن میماند . به این زمان Rx Time گویند.

برگشتی های رادار در صفحه نمایش PPI نمایش داده میشود .
برای سوییچ بین فرستنده و گیرنده نیز از یک Duplexer استفاده میشود .

برد رادار ها نیز تابع قرت خروجی فرستنده و زاویه نصب آنتن نصبت به افق است . (Tilt Angle)
در مبحث رادار دو تعریف اصولی داریم که بیان علمی و فنی پارامترهای Rx Time و Tx Time است:

* Pulse Repitation Frequency : تعداد پالسهای فرستنده در واحد زمان است . این مقدار با برد رادار نسبت عکس دارد یعنی هرچه برد بیشتر شود چون Rx Time زیاد میشود PRF کم میشود .

* Pulse Repitation Intervals : به فاصله دو پالس متوالی میگن و در حقیقت همان Rx Time است . هر چه برد بیشتر شود PRI نیز زیاد میشود.

سیستم رادار اولیه به دلیل نبودن سیستم کمکی خارجی ( نظیر آنچه که در Secondary Suveillance Radar استفاده میشود ) دارای معایب گوناگونی است . تلاشها مخصوصا در کاربرهای نظامی بر این بوده که این محدودیتها به حداقل برسد . بطور کلی محدودیتهای PSR به شرح زیر است:

1- اهمیت قدرت فرستنده برای پوشش برد حداکثر .
2- مشکل تفکیک اهداف ثابت و متغیر
3- مشکل در تشخیص اهداف از همدیگر
4- نداشتن ارتفاع اهداف

رادارهای اولیه یا همون PSR اشکالاتی داشت که سعی شد با تکنیکهای مختلف اونها رو رفع کنند . یکی از این تکنیکها خاصیت داپلر بود.

طبق خاصیت داپلر اگر فرستنده و یا گیرنده از منبع تولید انرژی دور و یا به آن نزدیک شوند مقدار فرکانس دریافتی توسط گیرنده بسته به جهت و اندازه سرعت کم و یا زیاد میشود.

تصور کنید که از یک رادار معمولی در یک منطقه کوهستانی میخوایم استفاده کنیم. طبق تعریف سیستم گیرنده رادار برگشتی از هر مانع خوا ثابت و خواه متحرک رو بر روی PPI نشان میدهد و نتیجتا صفحه نمایش بسیار شلوغ شده و تفسیر اطلاعات رادار سخت و یا نا ممکن میشود. ولی اگر سیستم رو با یک مقایسه کننده فاز( Phase Comparator ) مجهز کنیم تا اصل داپلر را برای ما پیاده کند دیگر با چنین مشکلی مواجه نخواهیم بود . به این ترتیب فاز سیگنالهای برگشتی رادار در PRFهای متوالی با هم مقایسه شده و در صورت یکسان بودن فازها هدف ثابت فرض شده و از صفحه نمایش حذف میشود. لذا در حال حاضر سیستمها به همراه واحدی به نام
Moving Target Indicator یا MTI همراه است و کنترلر میتواند با فعال کردن آن Phase Comparator را وارد مدار گیرنده کرده و هدفهای ثابت را از سیستم حذف کند.

سیستم MTI اگرچه برای رفع برخی از معایب مفید بود ولی اشکالاتی نیز به همراه داشت که در حیطه نظامی بسیار حساس و خطرناک بود . این اشکالات به این ترتیب است:

*** سرعت کور Blind Speed : برای هر سیستم رادار(از نوع داپلر) میتوان یک سرعت پیدا کرد که اگر هواپیما ضمن حرکت در امتداد مرکز آنتن رادار آن سرعت را حفظ کند در رادار نشان داده نخواهد شد . این سرعت به فرکانس کاری رادار بستگی دارد و از یک رادار به رادار دیگر بدلیل اختلاف فرکانسها متفاوت است. در سیستمهای نظامی فرکانس رادارها محرمانه است و از تکنیکهای جنگ الکترونیک هوایی کشف فرکانس رادار دشمن برای پیدا کردن سرعت کور است ولی در سیستم غیر نظامی این سرعت را محاسبه کرده و هواپیماها را طوری هدایت میکنند که در این سرعت قرار نگیرند.
این پدیده هنگامی اتفاق میافتد که تغییر مکان محور جابجایی یک هواپیما در امتداد مرکز رادار برابر ضریب صحیحی از نصف طول موج اواج رادار باشد سیگنالهای برگشتی از هدف همفاز سیگنالهای فرستاده شده بوده و هدف ثابت فرض میشود. اگر L طول موج رادار باشد سرعت کور از رابطه زیر بدست میاید:

Blind Speed ( m/s ) = (L/2) * PRF Blind Speed ( Knots ) = (L*PRF) / 102.5

برای رفع خطر Blind Speed یا میتوان MTI را خاموش کرد و یا از دستگاهی به نام Stagger استفاده کرد. این دستگاه در لحظات مختلف بصورت رندم از PRF ( فرکانس) مختلف استفاده میکند.

*** Arcfading : دومین عیب بزرگ سیستم MTI این است که اگر هواپیما روی قوسی از دایره به مرکزیت آنتن رادار حرکت کند به علت هم فاز بودن دریافتی رادار در دو PRF متوالی سیستم این هواپیما را جسم ثابت تلقی کرده و آن را حذف میکند.

در ادامه توضیح مبحث رادار اولیه و معایب اون نوبت مشکلی به اسم Resolution یا قدرت تفکیک CRT صفحه نمایش رادار است .
Resolution در سه دسته بررسی میشود:
1-Rang Resolution
2-Bearing Resolution
3-CRT Resolution

هر کدام از این موارد باعث میشود تا هدف بر روی صفحه PPI ظاهر نشود.

قبل از شرح این سه مورد باید یادآوری کنم که امواج الکترومغناطیسی که از رادار در حالت فرستندگی پخش میشود دارای یک طول است. طول این امواج رادار در فضا را Package میگویند. با استفاده از فرمول X=V.T میتوانیم طول امواج پخش شده در فضا را بدست آوریم. برای مثال اگر عرض پالس فرستنده یک میکرو ثانیه طول این Package برابر 300 متر خواهد بود و همینطور اگر عرض پالس 4 میکرو ثانیه باشد طول Package برابر 1200 متر خواهد بود.

مشکل Rang Resolution هم از همینجا شروع میشود به طوری که اگر دو هواپیما با زاویه یکسان و فاصله های متفاوت طوری باشند که فاصله آنها کمتر از نصف طول Package ارسالی از رادار باشد این دو هواپیما بر روی PPI یک Blip (یا همون نقطه) ظاهر میشوند.
اشعه ایکس را چه کسی کشف کرد؟
آیا می دانید داستان اشعه ایکس (X) بیشتر از یکصد سال پیش آغاز شد؟ درنیمه سده ی نزدهم مردی به نام هاینریش گایسلر کشف کرد که اگر لوله ای که فاقد هواست تحت ولتاژ بالا تخلیه ی الکتریکی شود نورهای زیبایی درون لوله تولید خواهد شد. مدتی پس از آن ویلیلم کروس اثبات کرد که علت درخشندگی ذرات الکتریکی است. پس از آن هاینریش هرتز نشان داد که این اشعه می تواند از لایه های نازک طلا و یا پلاتین عبور کند. شاگرد وی به نام لنارد پنجره هایی از مواد ساخت بطوری که اشعه توانست از راه پنجره باز لوله خارج شود. اکنون به کشف اشعه ایکس می پردازیم :
در سال 1895 ویلهم رونتگن با یکی از این لوله ها که بدون پنجره بود آزمایشی انجام می داد وی متوجه شد که بلورهای نزدیک لوله درخشیدند. جون او می دانست اشعه ای که قبلا کشف شد (اشعه کاتدی ) از شیشه عبور نمی کند تا چنین اثری داشته باشد. گمان برد باید نوع دیگری از اشعه وجود داشته باشد. چون این اشعه نامرئی که از نور و اشعه دیگر بسیار متفاوت بود قابل تشریح نبود. آن را اشعه ایکس ( به معنی اشعه مجهول ) نامید. بعد ها دانشمندان آن را اشعه رونتگن نام نهادند و اکنون نیز این نام را بسیاری از دانشمندان به کار می برند.
اشعه ایکس در لوله ی اشعه ایکس و بدین روش تولید می شود :
1- هوای درون لوله باید به مقداری زیادی تخلیه شود.
2- دو قطب الکتریکی در دو سر لوله تعبیه می کنند
3- یکی از قطب ها به شدت جریان مثبت و آن دیگری به جریان منفی وصل می شود
4- الکترون ها میان دو قطب حرکت می کنند
5- بیشترین مقدار انرژی الکترو نها به گرما تبدیل می شود ولی بخشی هم به اشعه ایکس تبدیل می شود
اشعه ایکس می تواند از جامدات عبور کند چون طول موج آن بسیار کوتاه است هر چه طول موج اشعه کوتاهتر باشد قدرت نفوذ آن در اشیا بیشتر است

منبع
لشکری، صالح، رادار تصویری، گروه آموزشی همکلاسی. (برداشت آزاد با ذکر منبع)
:www.physicsir.com

10