Cụm từ “tia sét trong chai” thường được dùng như một phép ẩn dụ cho những điều hiếm hoi, khó tái tạo. Tuy nhiên, trong một thí nghiệm gần đây đăng trên YouTube, một nhà sáng tạo có tên Electron Impressions đã diễn giải cụm từ này theo nghĩa đen, sử dụng máy gia tốc hạt để tạo ra các cấu trúc giống tia sét vĩnh viễn bên trong một ống acrylic trong suốt.
Kết quả là một hình Lichtenberg ba chiều – những nhánh điện phân hình cây bị “đóng băng” bên trong một ống trụ, trông như sét bị bắt giữ và phát sáng trong một cái chai.
Lichtenberg (hay Hiệu ứng Lichtenberg) là một hiện tượng vật lý tạo ra các hoa văn giống như cành cây, dương xỉ, hay tia sét trên bề mặt cách điện khi có điện áp cao tác động, và được đặt tên theo nhà vật lý Georg Lichtenberg.
Nhà sáng tạo này chuyên tạo ra các hình Lichtenberg bằng cách bắn các electron năng lượng cao vào những vật liệu cách điện như acrylic. Các electron xuyên sâu vào vật liệu và tích tụ điện tích bên trong. Khi điện tích này được giải phóng, nó gây ra các vết nứt vi mô từ bên trong, để lại những hoa văn dạng cây mô phỏng đường đi của hiện tượng đánh thủng điện môi.
Cho đến nay, những thiết kế như vậy chủ yếu chỉ giới hạn trong các khối, tấm hoặc đĩa phẳng. Thí nghiệm mới đã đẩy quá trình này sang một hình dạng hoàn toàn khác: dạng hình trụ.
Máy gia tốc hạt là yếu tố then chốt
Thách thức lớn nhất khi tạo ra một hình Lichtenberg hình trụ nằm ở cách electron hành xử bên trong vật liệu rắn. Khi được bắn từ một máy gia tốc tuyến tính, electron sẽ lắng đọng điện tích ở một độ sâu có thể dự đoán, tùy thuộc vào mức năng lượng của chúng.
Với các tấm acrylic phẳng, điều này giúp việc tập trung điện tích gần tâm vật liệu trở nên tương đối dễ dàng. Nhưng với một ống trụ, nếu chỉ chiếu từ một hướng, hoa văn điện sẽ bị lệch và chỉ tập trung về một phía.
Do bản thân máy gia tốc không thể xoay, giải pháp là xoay chính ống acrylic dưới chùm electron. Cách làm này giúp electron đi vào vật liệu từ mọi góc xung quanh trục trung tâm, tạo ra sự phân bố điện tích đồng đều theo hướng xuyên tâm.
Quá trình này đòi hỏi độ chính xác cao. Nếu ống quay quá chậm, điện tích sẽ tích tụ không đều. Ngược lại, nếu quay quá nhanh, thời gian chiếu xạ sẽ không đủ.
Cuối cùng, ống trụ được quay với tốc độ khoảng 150 vòng/phút, cho phép nó đi qua chùm electron nhiều lần trong khoảng chiếu xạ ngắn từ 1 đến 2 giây. Tốc độ này được tính toán để đảm bảo toàn bộ bề mặt nhận được liều electron đồng đều.
Kỹ thuật trong môi trường bức xạ cực đoan
Việc thiết kế một cơ cấu quay có thể hoạt động bên trong máy gia tốc hạt đặt ra một thách thức khác không kém phần nghiêm trọng. Môi trường bức xạ ở đây đủ mạnh để phá hủy hầu hết các linh kiện điện tử hiện đại gần như ngay lập tức. Để khắc phục, cụm cơ cấu quay được thiết kế cực kỳ đơn giản và sử dụng các linh kiện chịu bức xạ tốt.
Hệ thống được dẫn động bằng động cơ DC chổi than, chạy bằng ắc quy chì–axit 12 volt. Loại pin này được chọn vì có khả năng chịu bức xạ tốt hơn so với các pin lithium năng lượng cao. Một tấm chì mỏng cũng được dùng để che chắn cho pin, dù nhà sáng tạo thừa nhận đây có thể chỉ là biện pháp phòng ngừa thêm.
Phần lớn các bộ phận kết cấu được in 3D từ nhựa PETG màu đen, một vật liệu từng chứng minh độ bền trong môi trường bức xạ mạnh. Hệ thống con lăn giữ ống trụ có thiết kế tương tự các con lăn của máy nướng xúc xích trong cửa hàng tiện lợi: các bánh xe in 3D đặt so le giúp giữ chặt ống acrylic, đồng thời cho phép nó quay nhanh và mượt trong quá trình chiếu xạ.
Từ tích điện đến phóng điện
Ống acrylic trong suốt, đường kính khoảng 2 inch, được thiết kế bằng phần mềm CAD và gia công chính xác. Hai ống giống hệt nhau đã được chế tạo, đề phòng trường hợp một ống không chịu nổi quá trình tích điện dự kiến. Khi được lắp vào buồng máy gia tốc, một camera GoPro được che chắn bức xạ đã ghi lại quá trình chiếu xạ, bắt được ánh sáng xanh Cherenkov khi electron va chạm vào acrylic.
Một ống tích điện thành công và sau đó được chủ động phóng điện bằng cách gõ nhẹ vào thành ống, kích hoạt sự giải phóng năng lượng đột ngột và tạo ra các nhánh “tia sét” phân bố đều khắp bên trong. Ống còn lại bị quá tải và tự phóng điện ngay trong lúc chiếu xạ, tạo nên các cấu trúc hỗn loạn và khó dự đoán hơn.
Khi quan sát qua bề mặt cong của ống trụ, các hoa văn bên trong trông lớn và ấn tượng hơn nhờ hiện tượng khúc xạ ánh sáng, dù trên thực tế sự phóng điện tạo thành một cấu trúc rỗng dạng ống ở bên trong.
Những tác phẩm cuối cùng cho thấy cách hình học và vật lý vật liệu có thể kết hợp để biến một hiện tượng điện quen thuộc thành một hình thức ba chiều ngoạn mục, khiến “tia sét trong chai” không còn chỉ là một cách nói ẩn dụ.
Theo IE
