معجل الجسيمات

A 1960s single stage 2 MeV linear Van de Graaff accelerator, here opened for maintenance

معجل الجسيمات Particle accelerator أداة كهربائية تسرع حركة الجسيمات الذرية كالإلكترونات أو البروتونات وتعطيها كمية كبيرة من الطاقة.

Beamlines leading from the Van de Graaf accelerator to various experiments, in the basement of the Jussieu Campus in باريس

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

نبذة تاريخية

في عام 1932م كان للفيزيائي جون كوكروفت منبريطانيا وأرنست والتن من أيرلندا قصب السبق في تفتيت نواة الذرة بالجسيمات المعجلة. وقد سرّع معجلهما البروتونات إلى طاقة 500 ألف إلكترون فولت. وبمرور السنين قام علماء من أوروبا وأمريكا بتطوير معجلات قادرة على توليد طاقات كبيرة. وفى عام 1967م، بنى فيزيائيون من الاتحاد السوفييتي (سابقًا) معجِّل بروتونات تزامنيًا طاقته 76 بليون إلكترون فولت في سيربخوف. وفي عام 1972م، عجَّل فيزيائيون أمريكيون البروتونات إلى طاقة قدرها 400 بليون إلكترون فولت، باستخدام معجل تزامني ضخم. وكان ذلك في معمل فيرمي الوطني للتعجيل في باتافيا في ولاية إلينوي بالولايات المتحدة الأمريكية. وفي عام1986م، استُخدم معجل تزامني جديد لتعجيل البروتونات إلى طاقة تصل إلى 900 بليون إلكترون فولت.

وفي عام 1987م، سرّع المعجل التزامني الفائق للبروتونات، في المعمل الأوروبي لفيزياء الجسيمات (سيرن) بالقرب من جنيف، بسويسرا، نويات الأكسجين إلى مايزيد عن ثلاثة تريليون إلكترون فولت. وقد وصلت سرعة الجسيمات إلى 99,9999% من [[سرعة الضوء]].

وفي عام 1988م، أعلنت حكومة الولايات المتحدة الأمريكية عن خطة لبناء أضخم معجِّل في العالم بالقرب من واكساهاكي بولايةتكساس. وسيبلغ مدى هذا المعجِّل الدائري نحو 85كم ويستخدم المغنطيسات فائقة التوصيل لدفع البروتونات إلى طاقة تقدر بحوالي 40 تريليون إلكترون فولت، غير أن مجلس النواب الأمريكي أصدر قرارًا بإلغاء هذا المشروع، بعد البدء في تنفيذه، في أكتوبر 1993م، بسبب ارتفاع تكلفته التي قُدِّرت بنحو 11 بليون دولار أمريكي.

In early particle accelerators a Cockcroft-Walton voltage multiplier was responsible for voltage multiplying. This piece of the accelerator helped in the development of the atomic bomb. Built in 1937 by Philips of Eindhoven it currently resides in the National Science Museum in لندن, إنگلترة.

تصميم مسرعات الجسيمات

ثمة تصاميم عديدة للمسرعات، إلا أن لها جميعاً صفات مشتركة. فجميعها تسرِّع جسيمات مشحونة (غالباً ما تكون بروتونات أو إلكترونات أو جسيماتها المضادة، وقد يسرِّع بعضها الدوترونات deuterons أو جسيمات ألفا أو أيونات ثقيلة)، وجميع المسرعات تستخدم حقولاً كهربائية (ثابتة أو متناوبة أو متحرِّضة) لتسريع الجسيمات، كما يستخدم معظمها حقولاً مغنطيسية لاحتواء حزمة الجسيمات وتركيزها. إن مسار الجسيمات في المسرعات الخطية linear accelerators خط مستقيم، أما في المسرعات الأخرى كالسيكلوترون cyclotron فإن المسار يأخذ شكلاً دائرياً أو حلزونياً.

الاستخدامات

The now disused Koffler particle accelerator at the Weitzmann Institute, Rehovot, Israel

يستخدم العلماء المعجِّلات في أبحاثهم عن النواة والذرة، حيث تمُكن الفيزيائيين من تغيير ذرة عنصر ما إلى ذرة لعنصر آخر. وينتج هذا التغيير الذي يُسمى التحول النووي من التفاعلات التي تحدث عندما تصطدم الجسيمات المعجَّلة مع نواة أية ذرة. وتساعد المعجلات ذات الطاقة العالية الفيزيائيين على اكتشاف جسيمات جديدة، ودراسة علاقة هذه الجسيمات بالقوة التي تربط مكونات النواة ببعضها. وتتولد هذه الجسيمات الجديدة عند تحطيم النواة بالإلكترونات أو البروتونات التي عُجلِّت لسرعات كبيرة. ولهذا السبب تسمى المعجلات أحيانًا بمحطمات الذرة.

وللمعجلات استخدامات أخرى مهمة. ففي الصناعة تستخدم معجلات الإلكترونات كآلات أشعة سينية فائقة القدرة تكشف الصدوع الخفية للفلزات المصبوبة (الجزء المشكل)، وفي إنتاج أشباه الموصلات. وفي الطب، تستخدم المعجلات كآلات أشعة سينية لتشخيص وعلاج مرض السرطان .

تُسرِّع المعجلات الجسيمات بوساطة مجال كهربائي، وهو منطقة من الفضاء تؤثر فيها القوة الكهربائية على الجسيمات المشحونة. ويتولد هذا المجال عمومًا خلال فجوة بين قطبيْن بينهما جهد كهربائي. وعندما تمر الجسيمات خلال هذه الفجوة المعجِّلة يسرِّع الحقل الكهربائي الجسيمات بالتأثير على شحناتها.

ويقيس الفيزيائيون طاقة الجسيمات المعجلة بوحدات تُسمى الإلكترون فولت. وتستطيع المعجِّلات توليد جسيمات ذات طاقة في مدى آلاف من الإلكترون فولت (كيلو إلكترون فولت) وملايين الإلكترون فولت وبلايين الإلكترون فولت أو تريليونات الإلكترون فولت.

A magnet in the synchrocyclotron at the Orsay proton therapy center

أنواع المعجلات

Aerial photo of the Tevatron at Fermilab. The main accelerator is the ring above; the one below (about one-third the diameter, despite appearances) is for preliminary acceleration, beam cooling and storage, etc.

تصنف المعجلات حسب نوع المسار الذي تتبعه الجسيمات المعجَّلة. وهناك نوعان رئيسيان من المعجلات هما: المعجلات الدائرية والخطية.

Segment of an electron synchrotron at DESY

المعجلات الدائرية

اجزاء السيكلوترون والمسار الحلزوني الذي ترسمه الجسيمات فيه

تستخدم عدداً من المغانط الكهربائية الكبيرة، لإنتاج مجال مغنطيسي قوي يجعل الجسيمات تسير في مدارات دائرية. وتمر الجسيمات في هذه المدارات خلال نفس الفجوة المعجِّلة في كل دورة.

ويتردد المجال الكهربائي عبر الفجوة عند درجة تردد عالية، بحيث يتغير الطور عند مرور الجسيمات. وبعبارة أخرى فإن المجال يُعجِّل الجسيمات في اتجاه سريانها حالما تعبر الفجوة. وتُسمى هذه العملية التسارع الرنيني.

وتشمل المعجِّلات الدائرية أنواعًا كثيرة من الآلات ذات خصائص مختلفة. ففي السيكلوترون، على سبيل المثال، تثبت قيمة المجال المغنطيسي، وتأخذ الجسيمات مسارًا لولبيًا تجنح فيه إلى الخارج مع ازدياد طاقتها. وفي المعجل التزامني نجد المجال المغنطيسي يزداد قوة في كل مرة تتلقى فيها الجسيمات دفعة طاقة، مما يجعل الجسيمات تتحرك في مدار دائري ذي نصف قطر ثابت. والبيتاترون، مثل المعجل التزامني، له مجال مغنطيسي متزايد القوة. ولكن هذا المجال المغنطيسي له تأثير أكثر من ربط الجسيمات في مسارها الدائري. وبينما تتزايد قوة المجال المغنطيسي، ويُنتج أيضًا مجال كهربائي يعمل على تعجيل الجسيمات. تقدم إرنست لورنس E.Lawrence عام 1932 باقتراح لتحل المسرعات الدورانية محل المسرعات الخطية التي تتطلب مسافات طويلة إذا كان المطلوب منها أن تولد جسيمات ذات طاقات عالية. ويتضمن اقتراحه جعل الجسيمات المسرَّعة ترسم مسارات دائرية أو قريبة من ذلك. ففي السيكلوترون cyclotron، الذي يعود إليه الفضل في ابتكاره، يُستخدم مغنطيس أسطواني لجعل الجسيمات التي شحنة الواحد منها q ترسم مساراً دائرياً يعتمد نصف قطره R على كتلة الجسيم المسرع m وعلى سرعته v وعلى شدة الحقل المغنطيسي B ويعطى بالعلاقة: R = mv/ qB

وهنا تُسرع الجسيمات ضمن صندوق معدني مجوف مؤلف من قطعتين تأخذ كل منهما شكل الحرف D، يطبق عليهما جهد كهربائي متناوب ذو تواتر عال بحيث يكتسب الجسيم في كل مرة يجتاز فيها الفجوة بين D الأولى وD الثانية دفعة إضافية تزيد من سرعته، وبحيث تنعكس قطبية الجهد الكهربائي المطبق على نصفي العلبة في اللحظة المناسبة لضمان تسريع الجسيم. تكمن سهولة تصميم السيكلوترون في أن الزمن اللازم للجسيم كي يرسم دورة كاملة في الحقل المغنطيسي يبقى نفسه على الرغم من ازدياد نصف قطر المسار الذي يرسمه بسبب ازدياد السرعة. وهذا ما يجعل تغير الحقل الكهربائي المتناوب منسجماً مع حركة الجسيمات المسرِّعة التي ترسم مساراً حلزونياً يبدأ من مركز السيكلوترون حتى محيطه (الشكل-5).

إلا أن النظرية النسبية لأينشتاين تقضي بأن زيادة سرعة الجسيم تؤدي إلى زيادة كتلته m بحيث تغدو كما يأتي:

حيث ترمز c إلى سرعة الضوء في الخلاء وν إلى سرعة الجسيم وm0 إلى كتلته السكونية. وعلى هذا ستعاني الجسيمات التي تقترب سرعتها من سرعة الضوء ازدياداً في الكتلة، ولا تكتسب لذلك سرعة متزايدة لأنها تصل إلى الفجوة بين D الأولى والثانية في وقت غير ملائم للتسريع. فالبروتونات مثلاً لا يمكن تسريعها في السيكلوترون الذي ابتكره لورنس حتى تبلغ طاقة تفوق 10ميغا إلكترون فولط.

ثمة طريقتان للتغلب على الحدود التي تضعها النظرية النسبية للطاقة العظمى التي يمكن لجسيم أن يكتسبها في السيكلوترون. ففي السنكروسيكلوترون synchrocyclotron يخفَّض تواتر منبع التيار المتناوب المستخدم للتسريع تدريجياً بازدياد السرعة لكي ينسجم ذلك مع تناقص السرعة الزاوّية للبروتونات. أما في المسرِّع المسمى isochronous cyclotron فيضمن تصميم المغنطيس فيه توفير حقل أشد قرب محيط السيكلوترون وحقل أضعف قرب المركز، وهذا ما يسمح بالتعويض عن زيادة الكتلة بازدياد السرعة ومن ثم بقاء تواتر المنبع المتناوب من دون تغيير. وقد شُيد أول مسرع سنكروسيكلوترون وفق هذا الأسلوب في بيركلي بجامعة كاليفورنيا عام 1946م، وكانت طاقة الجسيمات المسرَّعة فيه كافية لتوليد البيونات pions. وقد تطلبت البحوث في الفيزياء النووية توفير مسرِّعات تُكسب الجسيمات طاقة من رتبة GeV أي 910 إلكترون فولط، وهكذا بدأ عصر السنكروترون synchrotron. يستخدم في هذا النوع من المسرعات حلقة من المغانط تحيط بأنبوب على شكل دولاب مفرغ من الهواء

المعجلات الخطية

مسرع بروتون سنكروتون

تجعل الجسيمات الذرية تتحرك في خط مستقيم. تتحرك الجسيمات في أحد أنواع المعجلات الخطية خلال سلسلة من الأنابيب تُسمى أنابيب الانسياق، تفصل بينها فجوات معجلة. ويعجِّل المجال الكهربائي سريع التردد الجسيمات عند مرورها خلال تلك الفجوات، وتمكّن أنابيب الانسياق الجسيمات من الانسياب من فجوة إلى أخرى بدون فقدان في السرعة.

وهناك نوع آخر من المعجلات الخطية يعجل الجسيمات خلال أنبوب واحد طويل بوساطة موجة كهرومغنطيسية تتحرك مع الجسيمات. تنقل الموجة الجسيمات إلى طاقات أعلى بانتظام خلال انتقالها من بداية الأنبوب حتى نهايته. كانت المسرعات الخطية في بادئ الأمر تستخدم جهوداً كهربائية عالية لإكساب الجسيمات طاقة حركية عالية. وقد استخدم أحدها شحنة كهربائية ساكنة متجمِّعة طبقت حقلاً كهربائياً على طول أنبوب مفرغ من الهواء، فتكتسب الجسيمات طاقة نتيجة تحركها في الحقل الكهربائي. ففي مسرع كوكرفت - والتون Cockcroft - Walton مثلاً، يتولد الجهد العالي عن طريق مضاعفة الجهد الكهربائي مرات ومرات بفضل مجموعة مكثِّفات وديودات diodes، إضافة إلى المحولات الرافعة للجهد الأصلي (الشكل-1).

أما في مسرع ڤان دوغراف van de Graaff فيتم توفير الجهد العالي عن طريق سير belt دوّار يحمل باستمرار شحنات كهربائية من منبع في أسفله ليضعها على كرة مجوفة ضخمة في أعلاه مستفيداً من خاصة الرؤوس المؤنفة التي تؤين الهواء في الجوار المباشر لها فتدفع الشحنات المماثلة لشحنتها بعيداً عنها لينقلها السير الدوار إلى الكرة المجوفة (الشكل-2).

تستخدم مسرعات الكهرباء الساكنة هذه لدراسة البنى النووية عند الطاقات المنخفضة، كما تستخدم لحقن الجسيمات في مسرعات أخرى لإكساب الجسيمات طاقة أعلى، كما هي الحال في المسرعات الخطية التي يكون طولها كبيراً.

تعد المسرعات الخطية، التي لا تحدث فيها خسارة في الطاقة بالإشعاع أفضل المسرعات لتسريع الإلكترونات وأحسنها مردوداً. والجدير بالذكر أن أطولها هو مسرع جامعة ستانفورد الذي أنجز عام 1957 وطوله نحو 3 كم، وهو يسرع الإلكترونات حتى تبلغ طاقةً تساوي G2GeV أيX2 X109 إلكترون ڤولط. تختلف المسرعات الخطية هذه عن المسرعات المعتمدة على الكهرباء الساكنة باستخدامها حقولاً كهربائية متناوبة عند تواترات راديوية عالية لتسريع الجسيمات بدلاً من استخدام جهد عال وحيد. ويتألف أنبوب التسريع من قطاعات تشحن بشحنات موجبة وسالبة على التناوب. وعندما تمر حزمة جسيمات مشحونة كهربائياً عبر الأنبوب فإنها تتلقى دفعاً من القطاع الذي غادرته، وتتلقى جذباً من القطاع القادمة إليه، ومن ثم فإن التسريع الذي تكتسبه هو حصيلة دفعات وجذبات متتالية. يشار إلى أن المسرعات الخطية تستخدم اليوم لتسريع الأيونات الثقيلة مثل أيونات الكربون والنيون والآزوت.

السنكرون

تزداد شدة الحقل المغنطيسي هنا بازدياد سرعة البروتونات، بحيث تبقى تتحرك في دائرة نصف قطرها ثابت تقريباً بدلاً من أن يزداد نصف القطر كما كان يتم في السيكلوترون. وهكذا يحذف الجزء المركزي من الحقل المغنطيسي تماماً، الأمر الذي سمح ببناء حلقات تسريع تقاس أقطارها بالكيلومترات. يجري حقن الجسيمات في مسرع السنكروترون بعد اكتسابها سرعة عالية في مسرع آخر خطي. وقد كان أول مسرع للبروتونات من هذا النوع هو مسرع الكوزموترون في بروكهاڤن Brookhaven فقد شيد عام 1952م وبلغت طاقة البروتونات المسرَّعة فيه 3غيغا إلكترون فولط.

أما السنكروترون الذي شيد في باتاڤيا Batavia بولاية إلينوي في الولايات المتحدة فقد بلغت طاقة البروتونات الصادرة عنه 500 غيغا إلكترون فولط، وقد انتهى العمل فيه مطلع عام 1970م ويبلغ قطر حلقته ستة كيلومترات. وقد جرى تطوير هذا المسرع عام 1983م، بحيث غدا يسرِّع البروتونات والبروتونات المضادة حتى سرعات عالية جداً؛ بحيث تكون الطاقة المكافئة لتصادم هذين النوعين من الجسيمات 2 تريليون إلكترون فولط أي 2 × 1210 إلكترون فولط، ولذا فقد أُطلق على هذا المسرع اسم التيفاترون. وهو ضمن سلالة من المسرعات تُعرف باسم مسرعات الحزم المتصادمة colliding-beams machine، وهي بمنزلة مسرعين اثنين أحدهما يعلو الآخر، يجري تصادم بين حزمتيهما المسرعتين إما وجهاً لوجه أو بزاوية بين الحزمتين. إن استخدام مسرع وحيد وهدف ثابت بالطاقة نفسها يتطلب مسرعاً تفوق طاقة تسريعه ضعف الطاقة التي تحملها إحدى الحزمتين المتصادمتين.

ويمكن استخدام السنكروترون لتسريع الإلكترونات، إلا أن مردود المسرع عندها لا يكون عالياً، وذلك لأن الإلكترونات المسرَّعة تشع طاقة بصورة إشعاع سنكروتروني synchrotron radiation. يسمى مسرِّع الإلكترونات باسم البيتاترون betatron. وفيه تحقن الإلكترونات في حيز أنبوبي مفرغ من الهواء على شكل دولاب موضوع ضمن حقل مغنطيسي، وتزاد شدة الحقل المغنطيسي تدريجياً الأمر الذي يولد حقلاً كهربائياً مماسياً يسرع الإلكترونات بآلية التحريض induction.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .