مسرع الجسيمات هو جهاز يقوم بإنشاء شعاع من الجسيمات الذرية أو دون الذرية المشحونة كهربائيًا والتي تتحرك بسرعة تقترب من سرعة الضوء. يعتمد عملها على زيادة طاقتها بواسطة مجال كهربائي وتغيير في المسار - بواسطة مجال مغناطيسي.
ما هي مسرعات الجسيمات؟
تستخدم هذه الأجهزة على نطاق واسع في مختلف مجالات العلوم والصناعة. اليوم ، هناك أكثر من 30 ألف منهم في جميع أنحاء العالم. بالنسبة للفيزيائي ، تعمل مسرعات الجسيمات كأداة للبحث الأساسي في بنية الذرات ، وطبيعة القوى النووية ، وخصائص النوى التي لا تحدث في الطبيعة. وتشمل الأخيرة ما وراء اليورانيوم وعناصر أخرى غير مستقرة.
بمساعدة أنبوب التفريغ ، أصبح من الممكن تحديد الشحنة المحددة. تُستخدم مسرعات الجسيمات أيضًا في إنتاج النظائر المشعة ، وفي التصوير الشعاعي الصناعي ، وفي العلاج الإشعاعي ، وفي تعقيم المواد البيولوجية ، وفي الكربون المشع.التحليلات. تستخدم أكبر التركيبات في دراسة التفاعلات الأساسية.
عمر الجسيمات المشحونة في حالة السكون بالنسبة إلى المسرع أقل من عمر الجسيمات المتسارعة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هذا يؤكد النسبية للفترات الزمنية SRT. على سبيل المثال ، في CERN ، تم تحقيق زيادة 29 ضعفًا في عمر الميونات بسرعة 0.9994c.
تناقش هذه المقالة كيفية عمل مسرّع الجسيمات وتطوره وأنواعه المختلفة وخصائصه المميزة.
مبادئ التسريع
بغض النظر عن مسرعات الجسيمات التي تعرفها ، تحتوي جميعها على عناصر مشتركة. أولاً ، يجب أن يكون لديهم جميعًا مصدر للإلكترونات في حالة المنظار التليفزيوني ، أو الإلكترونات ، والبروتونات ، والجسيمات المضادة في حالة التركيبات الأكبر. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون لديهم جميعًا مجالات كهربائية لتسريع الجسيمات والمجالات المغناطيسية للتحكم في مسارها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الفراغ في مسرع الجسيمات (10-11 مم زئبق) ، أي الحد الأدنى لكمية الهواء المتبقي ، ضروري لضمان عمر طويل للحزم. وأخيرًا ، يجب أن يكون لدى جميع التركيبات الوسائل اللازمة لتسجيل الجسيمات المتسارعة وعدها وقياسها.
جيل
توجد الإلكترونات والبروتونات ، الأكثر شيوعًا في المسرعات ، في جميع المواد ، لكن يجب أولاً عزلها عنها. عادة ما يتم إنشاء الإلكتروناتتمامًا كما هو الحال في منظار الحركة - في جهاز يسمى "البندقية". وهو عبارة عن قطب كاثود (قطب سالب) في الفراغ ، يتم تسخينه إلى النقطة التي تبدأ فيها الإلكترونات بالانفصال عن الذرات. تنجذب الجسيمات سالبة الشحنة إلى القطب الموجب (القطب الموجب) وتمر عبر المخرج. المسدس نفسه هو أيضًا أبسط مسرع ، حيث تتحرك الإلكترونات تحت تأثير مجال كهربائي. عادة ما يكون الجهد بين الكاثود والأنود بين 50-150 كيلو فولت.
بالإضافة إلى الإلكترونات ، تحتوي جميع المواد على بروتونات ، لكن نوى ذرات الهيدروجين فقط تتكون من بروتونات مفردة. لذلك ، فإن مصدر جزيئات مسرعات البروتون هو الهيدروجين الغازي. في هذه الحالة ، يتأين الغاز وتهرب البروتونات عبر الفتحة. في المسرعات الكبيرة ، غالبًا ما يتم إنتاج البروتونات على هيئة أيونات هيدروجين سالبة. وهي ذرات تحتوي على إلكترون إضافي ، وهي نتاج تأين غاز ثنائي الذرة. من الأسهل العمل مع أيونات الهيدروجين سالبة الشحنة في المراحل الأولية. ثم يتم تمريرها من خلال رقاقة رقيقة تحرمها من الإلكترونات قبل المرحلة النهائية من التسارع.
تسريع
كيف تعمل مسرعات الجسيمات؟ السمة الرئيسية لأي منهم هي المجال الكهربائي. أبسط مثال على ذلك هو مجال ثابت موحد بين الجهد الكهربائي الموجب والسالب ، على غرار ذلك الموجود بين طرفي بطارية كهربائية. في مثلفي المجال ، يخضع الإلكترون الذي يحمل شحنة سالبة لقوة توجهه نحو جهد موجب. إنها تسرعه ، وإذا لم يكن هناك ما يمنع ذلك ، تزداد سرعته وطاقته. تتصادم الإلكترونات التي تتحرك نحو جهد إيجابي في سلك أو حتى في الهواء مع الذرات وتفقد الطاقة ، ولكن إذا كانت في فراغ ، فإنها تتسارع مع اقترابها من القطب الموجب.
يحدد الجهد بين الموضعين الأولي والنهائي للإلكترون الطاقة التي يكتسبها. عند التحرك من خلال فرق جهد قدره 1 فولت ، فإنه يساوي 1 إلكترون فولت (eV). هذا يعادل 1.6 × 10 -19جول. طاقة البعوض الطائر أكبر تريليون مرة. في نطاق الحركة ، تتسارع الإلكترونات بجهد يزيد عن 10 كيلو فولت. تحقق العديد من المسرعات طاقات أعلى بكثير ، تقاس بالفولتات الضخمة ، والجيجا ، والتيرا إلكترون فولت.
أصناف
بعض أقدم أنواع مسرعات الجسيمات ، مثل مُضاعِف الجهد ومولد فان دي غراف ، استخدمت مجالات كهربائية ثابتة متولدة من جهود تصل إلى مليون فولت. ليس من السهل العمل مع مثل هذه الفولتية العالية. البديل الأكثر عملية هو العمل المتكرر للمجالات الكهربائية الضعيفة الناتجة عن الإمكانات المنخفضة. يستخدم هذا المبدأ في نوعين من المسرعات الحديثة - الخطية والدائرية (بشكل رئيسي في السيكلوترونات والسنكروترونات). باختصار ، تقوم مسرعات الجسيمات الخطية بتمريرها مرة واحدة عبر تسلسلتسارع الحقول ، بينما في المجال الدوري تتحرك بشكل متكرر على طول مسار دائري عبر مجالات كهربائية صغيرة نسبيًا. في كلتا الحالتين ، تعتمد الطاقة النهائية للجسيمات على التأثير المشترك للحقول ، بحيث تتراكم العديد من "الصدمات" الصغيرة لإعطاء التأثير المشترك لواحد كبير.
يتضمن الهيكل المتكرر للمسرع الخطي لإنشاء مجالات كهربائية بشكل طبيعي استخدام التيار المتردد بدلاً من الجهد المستمر. تتسارع الجسيمات المشحونة إيجابياً نحو الإمكانات السالبة وتحصل على قوة دفع جديدة إذا مرت بالجسيمات الموجبة. في الممارسة العملية ، يجب أن يتغير الجهد بسرعة كبيرة. على سبيل المثال ، عند طاقة 1 ميغا إلكترون فولت ، ينتقل البروتون بسرعات عالية جدًا تبلغ 0.46 سرعة الضوء ، ويسافر 1.4 مترًا في 0.01 مللي ثانية. هذا يعني أنه في نمط متكرر يبلغ طوله عدة أمتار ، يجب أن تغير المجالات الكهربائية اتجاهها بتردد لا يقل عن 100 ميجاهرتز. المسرعات الخطية والدائرية للجسيمات المشحونة ، كقاعدة عامة ، تعمل على تسريعها باستخدام مجالات كهربائية متناوبة بتردد من 100 إلى 3000 ميجاهرتز ، أي تتراوح من موجات الراديو إلى الموجات الدقيقة.
الموجة الكهرومغناطيسية عبارة عن مزيج من المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتناوبة التي تتأرجح بشكل عمودي مع بعضها البعض. النقطة الأساسية في المسرع هي ضبط الموجة بحيث عندما يصل الجسيم ، يتم توجيه المجال الكهربائي وفقًا لمتجه التسارع. يمكن القيام بذلك بموجة واقفة - مجموعة من الموجات تتحرك في اتجاهين متعاكسين في حلقة مغلقة.الفضاء ، مثل الموجات الصوتية في أنبوب الأرغن. بديل للإلكترونات سريعة الحركة التي تقترب من سرعة الضوء هي موجة متنقلة.
الطاووس التلقائي
تأثير مهم عند التسارع في مجال كهربائي متناوب هو "الطور التلقائي". في دورة واحدة من التذبذب ، ينتقل الحقل المتناوب من الصفر إلى القيمة القصوى مرة أخرى إلى الصفر ، وينخفض إلى أدنى مستوى ثم يرتفع إلى الصفر. لذا فهو يمر بالقيمة المطلوبة للإسراع مرتين. إذا وصل الجسيم المتسارع مبكرًا جدًا ، فلن يتأثر بمجال قوة كافية ، وستكون قوة الدفع ضعيفة. عندما تصل إلى القسم التالي ، ستتأخر وستشعر بتأثير أقوى. نتيجة لذلك ، سيحدث الطور التلقائي ، وستكون الجسيمات في الطور مع الحقل في كل منطقة متسارعة. هناك تأثير آخر يتمثل في تجميعها بمرور الوقت في مجموعات بدلاً من دفق مستمر.
اتجاه الشعاع
تلعب المجالات المغناطيسية أيضًا دورًا مهمًا في كيفية عمل مسرّع الجسيمات المشحونة ، حيث يمكنها تغيير اتجاه حركتها. وهذا يعني أنه يمكن استخدامها في "ثني" الحزم على طول مسار دائري بحيث تمر عبر نفس قسم التسريع عدة مرات. في أبسط الحالات ، يخضع جسيم مشحون يتحرك بزاوية قائمة في اتجاه مجال مغناطيسي منتظم لقوةعمودي على كل من متجه إزاحته والميدان. يؤدي هذا إلى تحرك الحزمة على طول مسار دائري عمودي على الحقل حتى تترك منطقة عملها أو تبدأ قوة أخرى في التأثير عليها. يستخدم هذا التأثير في المسرعات الدورية مثل السيكلوترون والسنكروترون. في السيكلوترون ، يتم إنشاء حقل ثابت بواسطة مغناطيس كبير. الجسيمات ، مع نمو طاقتها ، تتدحرج إلى الخارج ، وتتسارع مع كل دورة. في السنكروترون ، تتحرك العناقيد حول حلقة بنصف قطر ثابت ، ويزداد المجال الناتج عن المغناطيسات الكهربائية حول الحلقة مع تسارع الجسيمات. المغناطيس "المنحني" عبارة عن ثنائيات أقطاب مع ثني القطبين الشمالي والجنوبي في شكل حدوة حصان بحيث يمكن أن تمر العارضة بينهما.
الوظيفة المهمة الثانية للمغناطيسات الكهربائية هي تركيز الحزم بحيث تكون ضيقة وشديدة قدر الإمكان. أبسط شكل من مغناطيس التركيز هو بأربعة أقطاب (اثنان شمالي واثنان جنوبيان) متقابلان لبعضهما البعض. إنها تدفع الجسيمات باتجاه المركز في اتجاه واحد ، لكنها تسمح لها بالانتشار في الاتجاه العمودي. تقوم مغناطيسات رباعية الأقطاب بتركيز الحزمة أفقيًا ، مما يسمح لها بالخروج عن التركيز عموديًا. للقيام بذلك ، يجب استخدامها في أزواج. تستخدم أيضًا مغناطيسات أكثر تعقيدًا مع عدد أكبر من الأقطاب (6 و 8) من أجل تركيز أكثر دقة.
مع زيادة طاقة الجسيمات ، تزداد قوة المجال المغناطيسي الذي يوجهها. هذا يبقي الشعاع على نفس المسار. يتم إدخال الجلطة في الحلقة وتسريعها إلىالطاقة المطلوبة قبل سحبها واستخدامها في التجارب. يتحقق التراجع عن طريق المغناطيسات الكهربائية التي تعمل لدفع الجسيمات خارج الحلقة السنكروترونية.
الاصطدام
تنتج مسرعات الجسيمات المستخدمة في الطب والصناعة شعاعًا لغرض معين ، مثل العلاج الإشعاعي أو زرع الأيونات. هذا يعني أنه يتم استخدام الجسيمات مرة واحدة. لسنوات عديدة ، كان الشيء نفسه ينطبق على المسرعات المستخدمة في البحث الأساسي. ولكن في السبعينيات ، تم تطوير حلقات يدور فيها الشعاعتان في اتجاهين متعاكسين ويصطدمان على طول الدائرة بأكملها. الميزة الرئيسية لمثل هذه التركيبات هي أنه في حالة الاصطدام المباشر ، تنتقل طاقة الجسيمات مباشرة إلى طاقة التفاعل بينها. يتناقض هذا مع ما يحدث عندما تصطدم الحزمة بالمواد في حالة السكون: في هذه الحالة ، يتم إنفاق معظم الطاقة على ضبط المادة المستهدفة في الحركة ، وفقًا لمبدأ الحفاظ على الزخم.
بعض آلات الشعاع المتصادم مبنية بحلقتين متقاطعتين في مكانين أو أكثر ، حيث تدور جسيمات من نفس النوع في اتجاهين متعاكسين. تعتبر المصادمات مع الجسيمات والجسيمات المضادة أكثر شيوعًا. الجسيم المضاد له الشحنة المعاكسة للجسيم المرتبط به. على سبيل المثال ، يكون البوزيترون موجب الشحنة ، بينما الإلكترون سالب الشحنة. هذا يعني أن المجال الذي يسرع الإلكترون يبطئ البوزيترون ،تتحرك في نفس الاتجاه. ولكن إذا تحرك الأخير في الاتجاه المعاكس ، فسوف يتسارع. وبالمثل ، فإن الإلكترون الذي يتحرك خلال مجال مغناطيسي ينحني إلى اليسار ، والبوزيترون ينحني إلى اليمين. ولكن إذا تحرك البوزيترون تجاهه ، فسيظل مساره ينحرف إلى اليمين ، ولكن على نفس منحنى الإلكترون. يعني هذا معًا أن هذه الجسيمات يمكن أن تتحرك على طول الحلقة السنكروترونية بسبب نفس المغناطيسات ويمكن تسريعها بواسطة نفس المجالات الكهربائية في اتجاهين متعاكسين. تم إنشاء العديد من أقوى المصادمات على الحزم المتصادمة وفقًا لهذا المبدأ ، حيث لا يلزم سوى حلقة تسريع واحدة.
الشعاع في السنكروترون لا يتحرك بشكل مستمر ، ولكن يتم دمجه في "كتل". يمكن أن يصل طولها إلى عدة سنتيمترات وقطرها عُشر ملليمتر ، وتحتوي على حوالي 1012جسيمات. هذه كثافة صغيرة ، لأن مادة بهذا الحجم تحتوي على حوالي 1023ذرات. لذلك ، عندما تتقاطع الحزم مع الحزم القادمة ، هناك فرصة ضئيلة فقط لتفاعل الجسيمات مع بعضها البعض. في الممارسة العملية ، تستمر المجموعات في التحرك على طول الحلقة وتلتقي مرة أخرى. يعد الفراغ العميق في مسرع الجسيمات (10-11 مم زئبق) ضروريًا حتى تتمكن الجسيمات من الدوران لعدة ساعات دون الاصطدام بجزيئات الهواء. لذلك ، تسمى الحلقات أيضًا بالتراكم ، حيث يتم تخزين الحزم بالفعل فيها لعدة ساعات.
تسجيل
يمكن لمسرعات الجسيمات في أغلب الأحيان تسجيل ما يحدث ومتىعندما تصطدم الجسيمات بهدف أو شعاع آخر يتحرك في الاتجاه المعاكس. في شريط سينمائي تلفزيوني ، تضرب الإلكترونات المنبعثة من مسدس الفوسفور على السطح الداخلي للشاشة وتصدر ضوءًا ، مما يؤدي بالتالي إلى إعادة تكوين الصورة المرسلة. في المسرعات ، تستجيب هذه الكواشف المتخصصة للجسيمات المتناثرة ، لكنها عادة ما تكون مصممة لتوليد إشارات كهربائية يمكن تحويلها إلى بيانات كمبيوتر وتحليلها باستخدام برامج الكمبيوتر. تنتج العناصر المشحونة فقط إشارات كهربائية بالمرور عبر مادة ما ، على سبيل المثال عن طريق الذرات المثيرة أو المؤينة ، ويمكن اكتشافها مباشرة. يمكن الكشف عن الجسيمات المحايدة مثل النيوترونات أو الفوتونات بشكل غير مباشر من خلال سلوك الجسيمات المشحونة التي تحركها.
هناك العديد من أجهزة الكشف المتخصصة. بعضها ، مثل عداد جيجر ، يقوم ببساطة بحساب الجسيمات ، بينما يستخدم البعض الآخر ، على سبيل المثال ، لتسجيل المسارات أو قياس السرعة أو قياس كمية الطاقة. تتنوع أجهزة الكشف الحديثة في الحجم والتكنولوجيا من الأجهزة الصغيرة المقترنة بالشحن إلى الغرف الكبيرة المملوءة بالغاز المملوءة بالأسلاك والتي تكشف عن المسارات المتأينة الناتجة عن الجسيمات المشحونة.
التاريخ
تم تطوير مسرعات الجسيمات بشكل أساسي لدراسة خصائص النوى الذرية والجسيمات الأولية. من اكتشاف التفاعل بين نواة النيتروجين وجسيم ألفا بواسطة الفيزيائي البريطاني إرنست رذرفورد في عام 1919 ، كل الأبحاث في الفيزياء النووية حتىتم إنفاق عام 1932 مع نوى الهيليوم المنبعثة من اضمحلال العناصر المشعة الطبيعية. تمتلك جسيمات ألفا الطبيعية طاقة حركية تبلغ 8 ميجا إلكترون فولت ، لكن رذرفورد يعتقد أنه من أجل مراقبة اضمحلال النوى الثقيلة ، يجب تسريعها بشكل مصطنع إلى قيم أكبر. في ذلك الوقت بدا الأمر صعبا. ومع ذلك ، فقد أظهر الحساب الذي أجراه عام 1928 جورجي جامو (في جامعة غوتنغن ، ألمانيا) أنه يمكن استخدام أيونات ذات طاقات أقل بكثير ، وقد حفز هذا محاولات لبناء منشأة توفر شعاعًا كافيًا للبحوث النووية.
أظهرت الأحداث الأخرى في هذه الفترة المبادئ التي تم من خلالها بناء مسرعات الجسيمات حتى يومنا هذا. تم إجراء أولى التجارب الناجحة على الأيونات المتسارعة صناعياً بواسطة Cockcroft و W alton في عام 1932 في جامعة كامبريدج. باستخدام مضاعف الجهد ، قاموا بتسريع البروتونات إلى 710 كيلو فولت وأظهروا أن الأخير يتفاعل مع نواة الليثيوم لتشكيل جسيمين ألفا. بحلول عام 1931 ، في جامعة برينستون في نيوجيرسي ، بنى روبرت فان دي غراف أول مولد كهربائي ذو حزام عالي الإمكانات. لا تزال تستخدم مضاعفات الجهد Cockcroft-W alton ومولدات Van de Graaff كمصادر طاقة للمسرعات.
تم توضيح مبدأ مسرع الرنين الخطي بواسطة Rolf Wideröe في عام 1928. في جامعة راين ويستفاليان للتكنولوجيا في آخن بألمانيا ، استخدم جهدًا متناوبًا عاليًا لتسريع أيونات الصوديوم والبوتاسيوم لتوليد الطاقة مرتينتتجاوز تلك التي أبلغت عنها. في عام 1931 في الولايات المتحدة ، استخدم إرنست لورانس ومساعده ديفيد سلون من جامعة كاليفورنيا في بيركلي الحقول عالية التردد لتسريع أيونات الزئبق إلى طاقات تزيد عن 1.2 ميجا فولت. استكمل هذا العمل مسرع الجسيمات الثقيل Wideröe ، لكن الحزم الأيونية لم تكن مفيدة في الأبحاث النووية.
تم تصميم مسرع الرنين المغناطيسي ، أو السيكلوترون ، من قبل لورانس كتعديل لتركيب Wideröe. أظهر طالب لورنس ليفينجستون مبدأ السيكلوترون في عام 1931 من خلال إنتاج 80 كيلو فولت أيون. في عام 1932 أعلن لورانس وليفينجستون تسريع البروتونات إلى أكثر من 1 ميجا إلكترون فولت. في وقت لاحق من الثلاثينيات ، وصلت طاقة السيكلوترونات إلى حوالي 25 ميجا فولت ، ووصلت طاقة مولدات فان دي جراف إلى حوالي 4 ميجا فولت. في عام 1940 ، قام دونالد كيرست ، بتطبيق نتائج الحسابات المدارية الدقيقة على تصميم المغناطيس ، ببناء أول بيتاترون ، وهو مسرّع إلكتروني للحث المغناطيسي ، في جامعة إلينوي.
الفيزياء الحديثة: مسرعات الجسيمات
بعد الحرب العالمية الثانية ، حقق علم تسريع الجسيمات إلى طاقات عالية تقدمًا سريعًا. بدأها إدوين ماكميلان في بيركلي وفلاديمير فيكسلر في موسكو. في عام 1945 ، وصف كلاهما بشكل مستقل مبدأ استقرار المرحلة. يوفر هذا المفهوم وسيلة للحفاظ على مدارات جسيمات مستقرة في معجل دوري ، مما أزال القيود المفروضة على طاقة البروتونات وجعل من الممكن إنشاء مسرعات الرنين المغناطيسي (السنكروترونات) للإلكترونات. تم التأكيد على الطور التلقائي ، تنفيذ مبدأ استقرار المرحلة ، بعد البناءسنكروسكلوترون صغير في جامعة كاليفورنيا و سنكروترون في إنجلترا. بعد ذلك بوقت قصير ، تم إنشاء أول مسرع طنين خطي للبروتون. تم استخدام هذا المبدأ في جميع السنكروترونات البروتونية الكبيرة التي تم بناؤها منذ ذلك الحين.
في عام 1947 ، بنى ويليام هانسن ، في جامعة ستانفورد في كاليفورنيا ، أول مسرع إلكتروني ذو موجة خطية متنقلة باستخدام تقنية الميكروويف التي تم تطويرها للرادار خلال الحرب العالمية الثانية.
أصبح التقدم في البحث ممكنًا من خلال زيادة طاقة البروتونات ، مما أدى إلى بناء مسرعات أكبر من أي وقت مضى. وقد توقف هذا الاتجاه بسبب التكلفة العالية لصنع مغناطيس دائري ضخم. أكبر تزن حوالي 40،000 طن. تم توضيح طرق لزيادة الطاقة دون زيادة حجم الآلات في عام 1952 من قبل ليفينجستون وكورانت وسنايدر في تقنية التركيز بالتناوب (تسمى أحيانًا التركيز القوي). تستخدم السنكروترونات القائمة على هذا المبدأ مغناطيسًا أصغر بمئة مرة من ذي قبل. يستخدم هذا التركيز في جميع السنكروترونات الحديثة.
في عام 1956 ، أدرك كيرست أنه إذا تم الاحتفاظ بمجموعتين من الجسيمات في مدارات متقاطعة ، فيمكن ملاحظة تصادمهما. يتطلب تطبيق هذه الفكرة تراكم حزم متسارعة في دورات تسمى التخزين. جعلت هذه التكنولوجيا من الممكن تحقيق أقصى طاقة تفاعل للجسيمات.
