Wednesday, August 31, 2011

Laserid





Laseris tekitatakse umbes sünkroonse lainefaasiga valgust. Elektroni ergastusest kulub valguse tekkeni ~10-8 sekundit. Stimuleerides korraga palju osakesi saab korraga palju footoneid ja kui neid kahe peegli vahel edasi tagasi peegeldada, siis interferentsiga saavad lained liituda.


Otsene vähese kõrvalekaldega kiir saavutatakse kahe paralleelse peegliga, mis peegeldavad omavahel valgust. Tagumine peegel tehakse täielikult peegeldavaks kuid laserkiirt läbilaskev peegel on ~80-99% peegeldav ja ~1-20% läbipaistev. Peegeldumisega võimendatakse kindlasuunalisi sama lainefaasiga footoneid ning kõrvalekalduvad kiired neelduvad seintes.


Footoneid eraldavatel ainete elektronidel võib olla mitu energiataset mis tekitavad erineva lainepikkusega valgust. Nende vahel saab valida diffraktsioonivõre või prisma abil mis suunavad eri lainepikkusega footoneid eri suundades. Muutes nende nurka saab soovitud lainepikkusega footoneid suunata põhilisele väljuvale kiirele ning saata teised neeldumisele.

Eksimeer (ergastatud dimeer) laseris kasutatakse kahe aatomilise molekuli ergastamist sinise ja UV valguse tekitamiseks. Tavaliseks dimeeriks on XeF või teised väärisgaasi ja halogeeni kombinatsioonid. Sellised molekulid tekivad ainult ergastatud olekus lagunedes footoni kiirgamise järel. Need vajavad ka energiakulukat stimuleerimist mida saavutatakse tavaliselt energilise elektronkiire saatmisega. Kiire lagunemise tõttu ei neeldu vabanenud footonid molekulides.

Teistsuguse ergastusviisiga on vaba elektroni laser (free electron laser). Selles pandakse elektronkiir magnetvälja mõjul vaheldumisi ühes ja teises suunas pöörama, mis tekitab footonite eritumist. Tekitatud lainepikkust saab reguleerida 100 nanomeetri ja 1 cm vahel.

Süsihappegaasi laserid
sobivad püsivate üle 10 kilovatise võimsusega laserkiirte tekitamiseks. Selle kiired jäävad infrapuna vahemikku omamata nähtavas valguse sagedust kuid need sobivad samas keevitamiseks ja metalli lõikamiseks.

Neodüüm laserid sobivad püsiva mitme kilovatise kiire tekitamiseks. Termotuumareaktsioonide uuringutes tekitatakse sellega lühiajalisi kuni miljardi kilovatiseid kiiri. Kiire enda kestvus võib samas olla 10-12 sekundit.

Laserspektroskoopias
tuvastatakse ainete koostist valgustades neid erinevate lainepikkustega mõõtes seejuures neelduvaid või kiirgavaid lainepikkuseid. See meetod tekkis pärast värvlaserite (dye laser) leiutamist, kus värvi tekitamiseks kasutatakse orgaanilisi aineid, mida lastakse laseri sees oleva orgaanilise lahusti sisse.

Fiiberoptilistes kaablites kasutatakse valgussignaalide tekitamiseks LED valgusteid või lasereid. Laserid on paremad kitsama sagedusvahemiku tõttu mis säilitab signaallainet ühtlasemana võimaldades ~10 korda tihedamalt signaale saata enne kui need hakkavad omavahel segamini minema. Telefonikõnesid edastavad laserdioodid on umbes liivatera suurused ja võimsusega alla poole millivati saates selle abil 50 miljonit signaali sekundis.

Üks võimsaimaid lasereid on Nova, mis kasutab kümmet kiirt. Termotuumareaktsioonide katsetes sihiti selle kümme kiirt 1 mm diameetriga sihtmärgi peale ja nanosekundiga saadavad need 100 000 dzauli energiat, millest pole piisanud tuumade liitmiseks. Kuna vatt võrdub energiakuluga dzaul sekundi kohta, siis energikulu ja selleks kulunud aeg sekundites annab selle võimsuseks 1014 vatti.
Kasutades valguse rõhu valemit kiirguse võimsus jagatud valguse kiirus=kiirguse rõhk paskalites saab Nova laseri surveks vähemalt~30 000 paskalit ehk 0,3 atmosfääri.

Ühe variandina saab laseri valguse tekitamiseks kasutada laserdioodi, mis on p-n transistor. Nendes olev p materjal neelab elektrone ja kiirgab selle käigus kindla lainepikkusega footoneid.

Klippe laseritest. 1) 35 millivatine laser võib mustast kilest läbi lõigata. 100 mW saab tikuotsa ~5 sekundiga põlema. 2) 1 vatine laser süütab puitu ja läbib mõne sekundiga CD karbi. 3) 150 vatine laser võib kiiresti 1,2 millimeetrisest terasest läbi lõigata. 4) 5000 vatise laseriga saab lõigata 2,5 cm terast kiirusega paar millimeetrit sekundis.

Tuesday, August 30, 2011

Lameekraanid


Plasmaekraan

Plasmaekraanis tekitatakse valgust ja värve pisikeste fosforiga ümbritsetud fluorestentslampidega. Igas pikslis on tavaliselt kolm sellist valgustit. Üheks nõrkuseks on nende lambikeste lõhkemisrisk.
Sarnaselt teiste fosfori helendust kasutavate ekraanidega võib pikaajaline aktiivsus ühes kohas jätta sellest jäädava jälje sarnaselt ülapildiga.

LCDLCD (liquid crystal display) ekraani ehitus. Vedelkristallide kiht on tähistatud kolmega. Kahega on tähistatud läbipaistvad ITO (indium tinaoksiid) elektroodid mis tekitavad voolu saamisel elektroodiga samakujulise nähtava laigu. Kuues kiht on peegelduseks või valgustuseks.
Polariseeritud valguse filtrid blokeerivad ka osades suundades mineva valguse, mis teeb LCD ekraanil olevad sümbolid mõne nurga alt mittenähtavaks.
Tavaolekus moodustavad vedelkristallid paljudes ekraanides spiraalseid struktuure, mis juhivad läbipeegelduvat valgust läbi kuid elektri mõjul koonduvad need sirgelt ja ei aita valgusel kahest polaroidist järjest läbi minna tekitades selles kohas elektroodiga samakujulise tumeda laigu.

LCD ekraanidel võib olla sama palju värve kui teistel ekraanidel kuid sellised ekraanid ei kasuta ainult vedelkristalle. Vedelkristallidega reguleeritakse nendes heledust ja tumedust kuid valgus ja värvid luuakse tavaliselt LED valgustitega või sarnaselt plasmaekraaniga fluorestsentsi abil.

LED ekraanid
LED valgustid (light emitting diode) sisaldavad dioodi (n-p transistorit) kus elektronide liikumine uuele aatomile tekitab valgust. Nende puhul pole vaja luua kindla rõhu või gaasiga keskkonda ja kate on lisaks kaitsele osaliselt valguse soovitud suunas suunamiseks. Nende maksimaalne eredus on piiratud ja tavaliselt suureneb voolu tõstmisega soojuseks saava energia proportsioon. Vähese soojuse tõttu kalduvad LED valgustid külma ilmaga lume ja jää varju jääma kuigi valgustid ise võivad kõikuva temperatuuri suhtes vastupidavad olla (kasutusaladeks on näiteks valgusfoorid ja tänavavalgustid) ning kui valgusti hakkab töövõimet kaotama, siis käib see enamasti aeglaselt pika ettehoiatava valguse nõrgenemisega.

Voolu läbijuhtimisel hakkavad negatiivsed elektronid liikuma positiivse laenguga elektronaukude poole ning augud ise liiguvad elektronide suunas. Auk tähistab sellises olukorras positiivse laenguga iooni või molekuli mis suudab elektroni endaga siduda. Kui elektron liigub auku, siis kaasneb sellega valguse eraldumine nagu on elektronide seondumisel tavaliseks.
Eeliseks on väike elektrikulu ja kiire ümberlülitumine voolu tekitamisel ja lõpetamisel. Sõltuvalt n ja p materjalide valikule saab luua LED valgusteid infrapuna kuni UV valguse tekitamiseks kuid sama materjali paari korral on kiirguse lainepikkus järjepidevalt sama.

LED valgustid töötavad ka valguse detektorina üldiselt ilma, et neid peaks muutma (erandiks oleks sobivat lainepikkust blokeeriv kate). Kui diood saab sama või lühema lainepikkusega valgust, mida see muidu kiirgaks, siis tekitab see muutusi elektrivoolus.

LED ekraanid kasutavad neid valgusteid LCD kihi taga. LED dioodidega valitakse valgus ja värv ning LCD kihiga pimedad ja valged alad. Kui LCD kiht puuduks, siis jäävad kontrastid nõrgemaks.

OLED (organic light emitting diode) on LED valgusti mida kasutatakse vahel paindlikes ekraanides. Nende puhul paistab rohkem potentsiaali peenema ja paindliku ekraani loomiseks. OLED ekraani enda paksus võib olla 0,2 millimeetrit. Ekraan võib olla läbipaistev kasutades läbipaistva elektroodina indium tinaoksiidi (ITO) kuigi selle nõrkuseks on paindumisel haprus. Ekraanimaterjalid ise kannatavad paindumisel paratamatult vähemalt pisikahjustuste tõttu.
Valguse allikaks on benseenirõngaid sisaldavad orgaanilised ained, mis tekitavad elektri mõjul valgust.

Signaali saatmine õigele pikslile

TFT (thin film transistor) on õhuke transistoreid sisaldav kiht, mis võimaldab täpsemalt õigeid piksleid aktiveerida. Illustratsioonil on näidatud nende kiht OLED ekraani näitel.

Passive-matrix variandi korral pandakse ühe piksli jaoks ristisuunas olevad elektroodid, millest üks on kindlal real ja teine kindlas tulbas. Elektroodi materjaliks on tavaliselt ITO. Piksli aktiveerimiseks saadetakse laeng näiteks tulba elektroodile ja samaaegselt aktiveeritakse maandav laengut vastu võtva rea elektrood.
Active-matrix puhul on ekraanil palju väikeseid kondensaatoreid ja transistoreid. Vool saadetakse korraga tervele reale kuid teised read lülitatakse selleks ajaks välja. Diood laseb piisava pingega voolul minna õigele pikslile. Kondensaator suudab laengut hoida kuni järgmise ettenähtud kaadrini. Erinevate voltide kasutamisel saab luua erinevaid värvitoone. Pinge valikuga saab tavaliselt luua 256 tooni ja kui värviekraanis on igas pikslis 3 eri värviga alapikslit, siis nendega saab luua 256 x 256 x 256 =16,77 miljonit värvitooni.

Transistorid võivad lülitina käituda n ja p pooljuhtide elektrilisel mõjutamisel. Näiteks vool võib dioodis tõmmata elektrone ja auke üksteisest eemale (n ja p ühendatakse vastavalt + ja - elektroodiga) takistades sellega voolu läbimist jättes alles laenguta osakesed kuid kui tekitatakse vooluringe, mis surub neid üksteise poole (ühendades n ja p vastavalt samalaenguliste - ja + elektroodiga), siis paraneb nendevaheline elektrijuhtivus.

Monday, August 29, 2011

Liikuva pildi edastusest

Filmide edastamisel saavutatakse ajas muutuva signaali abil kahemõõtmeline pilt osaliselt sellel sagedusel olevate AM lainete tugevuse kõikumisega ning read ja kaadrid eraldatakse üksteisest kindla vahesignaaliga, mis annab ekraanile juhise kuhu edasi signaale saata.


Photobucket


Signaale edastatakse kahe tavalise variandiga. AM (amplitude modulation) korral on sagedus püsiv kuid lainetugevust muudetakse vastavalt signaalile. FM (frequency modulation) korral on laine amplituut püsiv kuid kitsastes piirides muudetakse sagedust. FM kanalid on praktikas AM omadest umbes 100 korda suurema sagedusega ning kanalite vahel on eraldatud mõnekümnetuhande hertsise sagedusvahemikuga.

Illustratsioonil on 6 x 6 piksline ekraani näide ning selle all on nende asukohad järjestikkuses signaalijadas, millega pilti vahendatakse. Y tähistab vastava piksli valgustugevust. U ja V sisaldavad 2 x 2 piksliste alade värve ning vastava 2 x 2 ruudu pikslite värvi määrab illustratsioonil samavärvilise UV paari signaal.
U ja V väärtuste järgi võetakse värvikaardilt vastav värv või värvikombinatsioon. U esindab sinise intentsiivust ja V punase intentsiivsust. Kollase rollis on osaliselt Y.

Elektronkiirt kasutavates ekraanides pandakse kiir reahaaval ülalt alla liikuma. Katkendliku joonega on tähistatud kiire ümbersuunamised mille ajal elektronkiir nõrgeneb.
Teleka jaoks loetakse signaale reahaaval ja arvutid võivad sisendsignaale lugeda piksli haaval. Elektronkiir liigub kiiresti ühtlase kiirusega ja telekanali vahendamisel sõltub selle tekitatud eredus või värv kergetest samaaegsetest muutustest vastuvõetud raadiosagedusega sisendsignaalis.
Elektronkiire kiireks ümbersuunamiseks kasutatakse elektromagnetitega loodud magnetvälja. Olematu magnetvälja korral läheks elektronkiir ekraani keskele kuid magnetvälja muudetakse kindlalt ajastatud hoo ja suunaga, et eletronkiirt õigesse kohta saata. Kaadri lõppu jõudes saadetakse elektronkiir mittenähtavalt ülemistele vaatajale mittenähtavatele ridadele kus see ei saa mõnda aega nähtavat kaadrit muuta.
Pildi vilkumise vähendamiseks võidakse sama kaadrit paar korda järjest korrata.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/19/Interlaced_video_frame_%28car_wheel%29.jpg
Teise meetodina võidakse pilti ühtlustada käies kõigepealt läbi näiteks paarituarvuliste järjekorranumbriga read ja pärast paarisarvulise järjekorranumbriga read (interlacing) kuid võib esineda ülemise pildiga sarnaseid häireid pildi kvaliteedis kus eri aegadele vastavad kaadrid on vaheldumisi ridadega samas pildis.

Valgust võidakse edasi anda AM lainetega ja helisid FM lainetega. Vastuvõtjas saadakse kanali valimisega rütmiliselt kõikuva signaaliga induktori-kondensaatori paar sünkroonseks kanalile omase sagedusega ja edasi eristatakse sellest kõrvale kalduvad signaalid.
Ühe telekanali alla jääb sõltuvalt formaadist 6-8 MHz vahemik ning selles on erinevad sagedused valguse, heli ja värvide jaoks.
Helid saadetakse pildi sagedusest ~4-6 MHz erineva sagedusega.
Valgustugevuse signaal võidakse saata elektronkiire tekitajale ja värvisignaal ekraani lähedal olevatele elektroodidele.
Ridade eristuseks on rea lõpu tähistuseks signaal millega mittearvestamine ajab read nihkesse ning ka kaadri lõppu lisatakse kindel signaal, et suvalisel hetkel valitud kanali signaale saaks ekraanil kohe õigele reale saata. Viimase puudumisel võib pilt üles või alla liikuma tekkides näiteks ekraani alla vajumise järgselt uuesti pildi ülaosast.


Sunday, August 28, 2011

Kleepuvus

Liimina võivad mõjuda peaaegu suvalised pikad molekulid. Lahustatuna on selliste molekulide tavaliseks tunnuseks lahuse limalaadne viskoossus.

Orgaanilisi lahusteid (tihti bensiini või atsetooni) sisaldavad liimid koosnevad lisaks lahustile pikkadest polümeeridest, mis hakkavad lahusti auramisel omavahel ligi tõmbuma.

Üheks tavaliseks polümeeriks on sellistes liimides polüvinüülatsetaat (PVA). Teisteks tavalisteks koostisosadeks on teised kuivanult kummilaadsed ained nagu lateks.
Teibis, plaastrites ja kleepepaberites võidakse kasutada ka orgaanilise lahustita polümeere, mis kinnituvad muuhulgas Van der Waalsi jõuga teise materjali külge. Kleepepindade tegemisel lisatakse lahustatud liim soovitud pinnale ja kuivatatakse see ära. Täiendavalt võidakse kuivatatud polümeere kuumutada, et nende vahel keemilisi sidemeid tekiks.

Mõned
liimid hoiavad materjale koos läbi materjali imendudes ja tahkestudes kuid tavaliselt hoiavad liimi koostisosad asju koos positiivsete ja negatiivsete laengute omavahelisi tõmbumisega, mida esineb kergelt ka mittepolaarsetes molekulide vahel Van der Waalsi jõuna.

Polümeerse struktuuriga kollageen moodustab umbes veerand inimeses olevast valgulisest materjalist olles tavalisem nahas, liigestes, organite seintes, karvades, küüntes ja luudes.
Loomsed liimid sisaldavad loomadest välja keedetud kollageeni millest tehtud liimi on tuhandeid aastaid kasutatud. Ka sellega saab klaasi liimida kuid probleemide hulka jääb risk, et bakterid lagundavad selle ära.

Superliimides sisaldub toimeainena tsüanoakrülaate. Pildil on etüültsüanoakrülaat. Ühiseks struktuuriks on sellistel ainetel pildil kõige parempoolsest hapnikust vasakule poole jääv.
Vee mõjul moodustavad need molekulid kiiresti polümeere ning selliseid aineid saab kasutada vee all. Samas lahustuvad need orgaaniliste lahustite mõjul nagu näiteks atsetooniga.


Polümeeride vahelisi ühendusi saab lisaks kuumusele tekitada ka ioniseeriva kiirgusega nagu UV, gamma kiirgus või elektronkiirega. Tavaliseks ühendavaks aineks on väävel, mis hoiab näiteks valkudes alaosasid koos kaitstes neid kuumuse kuju moonutava mõju eest. Pildil on illustreeritud kummi vulkaniseerimist kus väävliga kuumutades võib haprast materjalist saada tugevama kummi, mida kasutatakse muuhulgas sõidukite ratastes.

Saturday, August 27, 2011

Massi ja energia seos


E = mc^2 \,\!

Paigalpüsivas massi omavas (seisumassiga) objektis on energia sisaldus dzaulides leitav selle massi kilodes korrutamisega valguse kiiruse ruuduga ehk ~9.0 × 1016 dzauli iga kg kohta. Kui selline energiahulk vabaneks sekundiga, siis see oleks võrreldav 9x 1012 tonnisele objektile (näiteks ~9000 kuupkilomeetrile veele) sekundis mõjuva gravitatsiooniga.
Mass on iga gravitatsiooni tugevuse korral leitav seosega selle energia jagatud valguse kiiruse ruut.
Samas liikuva massi korral lisandub sellele liikumise kineetiline energia ning valguse kiirusele lähenedes kasvab see täiendavalt relatiivsuse tõttu mis praeguse arusaama järgi võib kasvatada osakese energiat lõputult.
Kuna relatiivsuse järgi on energia lisamine või kaotus vastavalt massi lisav või eemaldav, siis näiteks soojendades vett 1 dzauli soojusenergia võrra suureneb selle mass 1.11×10−17 kg võrra.
21 kilotonnise tuumarelva lagunemisel laguneks 1 grammi jagu osakesi energiaks. Tuuma pooldumisel kaob ~0,1% massist energiaks muutudes ning tuumade liitumisel saab ~0,3% massist energiaks.
Keemias võidakse selle seosega pidada molekuli veidi vähem massiivsemaks kui selle aatomeid üksikuna kokku ning erinevus energias on see energia hulk mida peaks molekulis kulutama aatomite lahti saamiseks. Algselt läks see mass kaduma soojusena kui molekul moodustus.
Footonitel puudub seisumass kuid nende relativistlik mass on samuti energia jagatud valguse kiiruse ruut. Seisumassi võib illustreerida äärmusliku punanihkega. Kiirguse energia sõltub selle sagedusest ning mida kiiremini liikuda valgusallikast eemale seda väiksema sagedusega see paistab ning seda väiksema energiaga see oleks. Kui valgusallikas eemalduks valguse kiirusel, siis oleks selle kiirguse sagedus null hertsi ja selle energiahulk jõuaks samuti nullini mistõttu sellise matemaatika järgi ei saa footonil seisumassi arvestada.
Varasem energia-massi seose valem leiti vaakumit täitvat "eetrit" kirjeldava Umovi poolt 1873. aastal seosega Е = kmc2 , kus k väärtus oli 0,5-1 vahel.
Esialgu ei olnud nendel valemitel otstarvet kuid neid hakati tõsisemalt võtma kui tekkis vajadus selgitada radioaktiivsusega vabanenud suurte energikoguste teket.

Einsteini 1905. aasta esialgne ~1 leheküljeline artikkel (ingliskeelne tõlge) väitis kitsamalt, et muutus massis võrdub L/c2 kus elektromagnetkiirgusena eraldunud energiat tähistati L'ga.

Energiast massiivse osakese tootmisel peab kiirguse energia olev võrdne vähemalt 2 kordse seisumassi energiaga ning ei teki stabiilsed osakesed vaid osakeste paar (pair production) kus üks osake on tavamateeria ja teine antimateeriast. Kuna elektroni massis on 0,511 MeV jagu energiat, siis elektroni ja positroni paari loomiseks peab kulutama vähemalt 1,022 MeV energiat.


Kineetilise energia p valem arvestades relatiivsuse mõju. Seisumass on mo, lorentz'i tegur on gamma sümboliga, v on liikumise kiirus ja c valguse kiirus.
Mateeria laguneb footoniteks ning footonitel pole definitsiooni järgi seisumassi.
Footonitel on kineetiline energia kuid m0 võrdub nulliga. Teiste valemitega saab footoni kineetilist energiat leida selle energia jagamisel valguse kiirusega või Plancki konstandi (4.135667516(91)×10−15 ev/s) jagamisel footoni lainepikkusega meetrites.
Valguse kiirusele väga lähedase liikumise korral (nagu näiteks footonil) saab energiat leida seosega E=pc.

Mateeria loomisel ei piisa ainult energilisest footonist vaid see peab ka mõne teise osakesega kokku põrkuma nagu aatomid või potentsiaalselt ka teised footonid. Kui elektronpaari loomiseks kulub 1,022 MeV, siis prootoni-antiprootoni loomiseks kulub vähemalt 1,9 GeV energiat, mida leidub energilisemates gamma kiirguse footonites.
Ka temperatuur peaks lisaks footonite tihedusele olema kõrge eeldades kiirendites elektronide loomisel 1010 K kraadist temperatuuri ning prootonite ja neutronite loomiseks 1013 K temperatuuri.
Mõneti kahtlane on selliste osakeste loomise juures tingimus, et peavad olema ka osakesed millele see energia anda. Kui 2 osakest saavad annihilatsiooniks piisava energia, siis oleks keeruline teha vahet kas see energia kadus neist kokkupõrgetega ja osakeste kiirgamise tõttu nagu see toimuks ka väiksema energia korral või tekkisgi eriline antimateeria-mateeria paar mille peaaegu kohene lagunemine põhjustas näiliselt annihilatsiooni.


Friday, August 26, 2011

Plutooniumi tootmine


Plutooniumi ja teiste uraanist veidi massiivsemate osakeste loomine ei vaja kiirendeid ja suure energiaga kokkupõrkeid. Piisab uraani jätmisest radioaktiivsesse keskkonda kus esineb energiliste neutronite vabanemist. Seetõttu tekib plutooniumit suures koguses tuumareaktorites ning kiire tekke tõttu on seda pärast väljapuhastamist kasutatud tuumareaktorites ja tuumarelvades (sealhulgas Nagasaki pommis).
Looduses on plutoonium haruldane moodustades paar triljondikku kontsentreeritud uraanist kuid seda leidub rohkem tuumareaktorites.

\mathrm\hbox{n}+{{}^2{}^{38}_{92}U}\rightarrow\mathrm{{}^2{}^{39}_{92}U}\rightarrow\mathrm{{}^2{}^{39}_{93}Np}+    e^- + \bar{\nu}_e

\mathrm{{}^2{}^{39}_{93}Np}\rightarrow\mathrm{{}^2{}^{39}_{94}Pu}+    e^- + \bar{\nu}_e


Plutoonium-239 on tavalisemate radioaktiivsete kütuste hulgas kõige väiksema kriitilise massiga ehk kõige väiksema miinimummassiga milles saab tekkida ennast alal hoidev ahelreaktsioon. Kerakujulisel plutooniumi tükil on see umbes 11 kg.
Plutooniumi tekib aja jooksul uraani sisaldavates reaktorites ja tuumarelvades ning kiiremini radioaktiivsemates keskkondades. Reaktorites tekkinud plutooniumit kasutatakse tavaliselt ära samas kütusevardas, kus see tekkis, tekitades oma lagunemisega umbes kolmandiku tuumaelektrijaamade energiast.

X-10 reaktor (1943) oli esimene suurem plutooniumi allikas, millest saadi uurimiseks piisavalt plutooniumit. See oli teine loodud tuumareaktor omades erinevalt esimesest jahutust.
Keskel oli neutroneid pidurdav 7 meetri laiune grafiidist siseala ning uraanivarrastega ristisuunas oleva seina kaudu sai lisada reaktsiooni aeglustavaid vardaid. Õhkjahutus ulatus kõigi varraste ümber. Ümber oli kaitsev üle meetri paksune betoonsein. Uraanitükid olid väikesed ja silindrikujulised ning neid lisati jätkuvalt. Iga kindla aja tagant vahetati neid sellega, et lükati uusi juurde ja vanemad lükkusid teisel pool asuva seina kaudu välja kus need kukkusid vee all olevasse kogumisnõusse millest neid koguti pärast mitmenädalast esialgset lagunemist.
Pärast sõja lõppu hakati seda kasutama teiste elementide radioaktiivsete isotoopide loomiseks, mida kasutati meditsiinis või bioloogilistes uuringutes.

Samal aastal ehitati B reaktor, mis paistab samalaadsena kuid erinevalt x-10'st ei leia selle kohta eriti illustratsioone. Pildil oli ehitus pooleli. Kokku ehitati sellesse piirkonda kolm reaktorit (B, D ja F) üksteisest 10 km kaugusele, mis kõik tegelesid tuumarelvade jaoks kütuse loomisega. Jahutuseks kasutati selles vett ja see oli esimene reaktor, kus toodeti piisavalt plutooniumi esimesteks tuumarelvadeks. Reaktori võimsuseks oli ette nähtud 250 megavatti. Ümber pandi radioaktiivse kiirguse pidurdamiseks ja soojuse hajutamiseks 20-25 cm teraskaitse. Jahutusvett kulus 280 000 liitrit minutis. Neutroneid pidurdavaid vardaid sai selles ülalt vertikaalselt uraanivarraste vahele liigutada ja tagavara pidurina sai varraste vahele booroksiidi sisaldavat vett lasta. Mõned aastad hiljem lisati kaitsemehhanismina võimalus vertikaalsete kaitsevarraste asemel kukutada nendesse väikeseid niklit ja boori sisaldavaid teraskuule.
Sellest saadud plutooniumist ehitati kõige esimene tuumarelv (pildil 0,016 sekundit pärast plahvatust) ja hiljem ka Nagasakile kukutatud pomm.


Plutooniumi tekkel neeldub mitteradioaktiivse uraan-238 sisse neutron, mis tekitab keskmiselt 23 minutit säiliva radioaktiivse uraan-239. Seejärel beeta lagunemisel laguneb üleliigne neutron prootoniks ja väljub suure energiaga elektron. Tekib radioaktiivne neptuunium milles paari päevaga kordub neutroni lagunemine prootoniks ja tekib stabiilsem plutoonium.
Kiired paljundusreaktorid (fast breeder) on sellised reaktorid, mis suudavad kokkuvõttes luua rohkem radioaktiivset materjali kui ära kulus nagu näiteks plutooniumi tootmisel.
Tänapäevased paljundusreaktorid võivad parema efektiivsuse korral luua alles 10 aastaga piisavalt kütust, et kulutada teist sama palju kütust. Näiteks kui sellise ajaga reaktor toodab 10 aastat soojust, siis 10 aasta pärast koguneb piisavalt kütust, et sellega omakorda 10 aastat sama palju soojusenergiat toota.
Kiired paljundusreaktorid kasutavad jahutamiseks vee asemel vedelmetalle olles vastavalt nimetatud LMFBR (liquid metal fast breeder reactor). Tavaliselt kasutatakse naatriumit või liitiumit.
Vedelmetalli eelisteks on veega võrreldes kõrgem keemistemperatuur ja parem soojuse eemaldus. Vee puhul kasutatakse tavaliselt kõrget rõhku, et keemist ära hoida ning kuigi vedelmetallid on keemiliselt väga aktiivsed ei ole nendega vee auruga sarnast ohtu kõrgest rõhust. Naatrium sulab 98 C kraadi juures ja keeb 892 C juures.
LMFBR puhul on radioaktiivne U-235 ümbritsetud mitteradioaktiivse U-238'ga mis omastab neutronid. Neutroni pidurdajaid ei kasutata, sest kiiremad neutronid on paremad muutjad ning vesi on naatriumist tugevam neutroni pidurdaja.

Thursday, August 25, 2011

Alternatiivne võimalus aatomite sisestruktuuri illustreerimiseks

Kahtlustan, et parimaks alternatiiviks oleks aatomstruktuuri nägemiseks vaadata teleskoobi pilte mõnest taevakehast, mis sisaldavad tihedat keskosa nagu näiteks neutrontähti mis ise on umbkaudu aatomi tuuma tihedusega ning teise pisikesi suure massi kuid energilise väljavooluga nähtuseid.
Paljud nähtused kehtivad iga mõõtkava juures. Näiteks kui massiivsed objektid sattuvad üksteise lähedale, siis tekib nende vahel tõmme, kui tõmme ja tõukumine on tasakaalus, siis tekib midagi orbiidi laadset ja kui midagi liiga palju kokku suruda, siis võib osa selle massis jälle eemalduda.
Üksikosade mõjud võivad sobivates tingimustes liituda ning suuremas skaalas nähtavaks saada. Pisikesed samasuunalised keerised võivad ühineda suuremaks keeriseks ning üksikute elektronide poolt tekitatud magnetväljad võivad suundade ühinemisega suuri metallitükke tugevalt magneetiliseks teha.
Seni on teleskoobipiltidel paistnud elektronorbitaalide kujuga kõige sarnasemad struktuurid, mida ma looduses üldse näinud olen ning ma ei pidanud neid isegi eriti otsima. Kui ei olnud tegu kaootilisema kujuga, siis oli neil tavaliselt kindel tuttav kuju.
Aastatega paistab neis ka kerget liikumist.
Oleks meeldivalt lihtne, kui need esindaks omamoodi pilti väikeses skaalas toimuvast.


Tavalisest tekib musta augu või neutrontähe ümber akrekatsiooniketas, kus materjal tiirleb umbes ühel tasapinnal ümber materjali. Kui materjal läheneb keskosale, siis see kuumeneb ja osa sellest lendab kiiresti välja ristisuunas ketta tasapinnaga. Juga (jet) nimetatakse relativistlikuks joaks kui selle kiirus on valguse kiirusele lähedal ning selle sees paistavad eredamad ja tihedamad alad (shock), mis levib kuni aeglustub suurema tolmupilvena. Jugade otstes olevad kogunemiskohad on heledad suured gaasipilved nimega Herbig-Haro objekt või lihtsalt HH. Jugade pikkus võib ulatuda mõnest valgusaastast miljonite valgusaastateni.

Photobucket
Näide HH levimiskiirusest viie aasta jooksul.
Joa teket võrreldakse analoogselt de Laval'i otsikuga. Illustratsioonil on T temperatuur, p rõhk ja v kiirus. Kui kuum ja suure rõhu all gaas saab väljuda mingist kohast, siis lendab see kiiresti hajudes ja jahtudes selle kaudu välja. Tavaliselt kirjeldatakse sellise illustratsiooniga reaktiivmootoreid kui kosmoses paistvad joad ja relativistlikud joad paistavad sama nähtuse poolt tekitatuna.

Võrdluseks lisasin elektronorbitaalide tabeli. Kerakujulisi s tulba laadseid leidsin ainult supernoovade piltide hulgas ja neid ei lisanud. Väga tavaliseks on p tulpades olevad kahe vastasotstes paikneva keraga pilved, mis nägid enamasti välja liivakella kujuliselt ja ka d osas m=0 tulbas olev, kus kahes suunas väljub materjal ning keskosa ümber on sõõrikukujuline struktuur.

Näited

NGC 6302.

PSR B1509-58 käega sarnase ja 150 valgusaasta suuruse struktuuri tekitas korduvalt suunda muutnud neutrontäht, mis leiti röngtenkiirguse järgi. Nõrga, keskmise ja kõrge energiaga röngtenkiirgus on tähistatud vastavalt punaselt, roheliselt ja siniselt.

Photobucket

SN 1987A sai oma nime 1987 nähtavaks saanud supernoova tõttu. Selles paistab lisaks eredamale väiksemale rõngale kaks suuremat ja hajusamat rõngast. Rõngaste eredus muutub aeglaselt läbi aja. Animatsioonil on Hubble teleskoobi pildid läbi 15 aasta.

Mz 3.

MyCn 18.


M87 nähtavas valguses ja roheliselt raadiosagedusel.

CRL 2688. Eripäraks on palju ringe ja kaare ümber keskel oleva tähe.

Bumerangi nebula. Temperatuuriga 1 K üle absoluutse nulli on see teadaolevalt looduslikult kõige külmem koht universumis kuigi toimub kasv ~160 km/s. Värvilisem pilt oli värvitud vastavalt valguse polarisatsioonile.

IRAS 13208-6020.

OH 231.84 +4.22 .

HD 44179 oma veidi nelinurksema välimusega.

Cygnus A on üks tugevaim raadiolainete allikas, mida saab Maalt raadioteleskoopidega mõõta. Väljuvad joad on risti selle raadiogalaktika kettaga. Võimsusest annab aimu see, et selle kaugus Maast on 600 miljonit valgusaastat ning enamus siin näidatud jugadest pärineb vähem kui 100 000 valgusaasta kauguselt. Jugade pikkus on mitu korda suurem galaktika paksusest.

Hen2-104 kahest eri kaugusest. Kaugus Maast on paartuhat valgusaastat.

3C 321 koosneb kahest üksteise ümber tiirlevast galaktikast ning nendest pärit joast.


Taustaks näide millise kaootilise struktuuriga tolmupilvedes võib jugasid leiduda.
Eta Carinae on üks kahtlustatavalt tulevane supernoova kus praegu toimub suurest tähest tähetolmu väljumine. Kaugus Maast on 7000-8000 valgusaastat kuigi riske ei paista, sest aastal 1006 vaadeldi umbes 7000 valgusaasta kaugusel toimunud supernoovat (SN 1006).