مصدر النيوترونات والميونات ISIS

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

يُعدّ مصدر النيوترونات والميونات ISIS مصدرًا نبضيًا للنيوترونات والميونات ، ويقع في مختبر رذرفورد أبليتون (RAL) التابع لمجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا (STFC)، في حرم هارويل للعلوم والابتكار في أوكسفوردشاير ، المملكة المتحدة. ويعمل المصدر منذ عام 1984. ويستخدم حزمًا من النيوترونات والميونات لدراسة المواد على المستويين الذري والجزيئي. ويضمّ مجموعة من 35 جهازًا، كلٌّ منها مُحسَّنٌ بشكلٍ فردي لدراسة جوانب مختلفة من خصائص المواد على المستويين الذري والجزيئي. وتلعب الأبحاث التي تُجرى في ISIS دورًا هامًا في مواجهة التحديات العالمية، والإجابة عن أسئلة جوهرية، وتحقيق أثر علمي واجتماعي واقتصادي ملموس.

تُجرى مئات التجارب كل عام في المنشأة من قبل باحثين صناعيين وأكاديميين من جميع أنحاء العالم، في مجالات علمية متنوعة مثل الطاقة النظيفة، والتصنيع المتقدم، والحوسبة الكمومية، والرعاية الصحية، والزراعة، وعلم الآثار.

الفيزياء الأساسية

النيوترونات هي مكونات غير مشحونة للذرات ، وتخترق المادة جيدًا، وتنحرف بشكل أساسي عن نوى الذرات . يمكن استخدام التراكم الإحصائي للنيوترونات المنحرفة في مواقع مختلفة خارج العينة لتحديد التركيب الذري للمادة، كما أن فقدان أو اكتساب الطاقة بواسطة النيوترونات يكشف عن ديناميكيات على المستوى الذري، مثل عمليات الانتشار الأيوني في المواد الصلبة. إنها أداة فعالة لدراسة مواقع الذرات ووظائفها.

في مختبر ISIS، تُنتَج النيوترونات بتسريع حزم من البروتونات في مسرع الجسيمات ، ثم تصادمها مع هدف من التنجستن . تتسبب هذه التصادمات في انفصال النيوترونات عن ذرات التنجستن، وتُوجَّه هذه النيوترونات عبر موجهات، أو خطوط شعاعية ، إلى حوالي 30 جهازًا لقياس النيوترونات. تقع محطات الهدف ومعظم الأجهزة داخل قاعتين كبيرتين تُعرفان بمحطات الهدف. [ 1 ]

بما أن حزمة البروتونات نبضية، يمكن تحديد طاقة النيوترونات المنتجة بواسطة تقنيات زمن الطيران (TOF) - وهذه معلومة أساسية مطلوبة لدراسة الهياكل والديناميكيات على المستوى الذري.

يُعد ISIS واحداً من مصادر النيوترونات العديدة القائمة على مسرعات البروتونات في العالم، إلى جانب J-PARC في اليابان، وSNS في الولايات المتحدة، وCSNS في الصين، ومصدر التشتت الأوروبي قيد الإنشاء حالياً في السويد.

يُنتج مصدر النيوترونات والميونات ISIS الميونات عن طريق تصادم جزء من حزمة البروتونات مع هدف من الجرافيت ، مما ينتج عنه بيونات تتحلل بسرعة إلى ميونات، يتم توصيلها في حزمة مستقطبة مغناطيسيًا إلى أجهزة الميونات - يحتوي ISIS على 7 مناطق تجارب مختلفة للميونات، خمسة منها قيد الاستخدام عادةً. [ 1 ]

تمت الموافقة على مشروع ISIS عام 1977 لموقع RAL في حرم هارويل ، واستُخدمت فيه مكونات مُعاد تدويرها من برامج علمية بريطانية سابقة، بما في ذلك قاعة المُسرِّع التي كان يشغلها سابقًا مُسرِّع نمرود . أُنتج أول شعاع نيوتروني عام 1984، وافتتحت رئيسة الوزراء آنذاك، مارغريت تاتشر، المنشأة رسميًا في أكتوبر 1985. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

اسم ISIS ليس اختصارًا، بل هو اسم إلهة مصرية قديمة ، واسم محلي لنهر التايمز . وقد اختير هذا الاسم بمناسبة الافتتاح الرسمي للمنشأة عام ١٩٨٥؛ قبل ذلك، كانت تُعرف باسم SNS، أو مصدر النيوترونات بالتفتت . واعتُبر الاسم مناسبًا لأن إيزيس كانت إلهة قادرة على إعادة الحياة إلى الموتى، ولأن ISIS تستخدم معدات سبق بناؤها لمسرعي الجسيمات نمرود ونينا .

تم تمويل محطة الهدف الثانية (TS2) في عام 2003 من قبل اللورد سينسبري ، وزير العلوم آنذاك، وأُنجزت في الموعد المحدد وضمن الميزانية المرصودة، حيث تم تزويد سبعة أجهزة بأولى النيوترونات في 2 أغسطس 2008. [ 5 ] وفي مارس 2011، خصص وزير العلوم ، ديفيد ويلتس ، مبلغ 21 مليون جنيه إسترليني [ 6 ] لبناء أربعة أجهزة إضافية. تستخدم TS2 نيوترونات منخفضة الطاقة لدراسة المواد المكثفة اللينة ، والأنظمة البيولوجية، والمواد المركبة المتقدمة ، والمواد النانوية .

في عام 2023، أُعلن عن تمويل بقيمة 90 مليون جنيه إسترليني لبرنامج إنديفور، الذي سيُضيف، على مدى العقد التالي، جهازين جديدين إلى المنشأة، بالإضافة إلى ستة تحديثات جوهرية للأجهزة الحالية. بدأ بناء هذه الأجهزة في عام 2025، وكان من المقرر أن يبدأ تشغيل أولها في عام 2028. [ 7 ]

كان من المتوقع في الأصل أن يكون لمصدر النيوترونات والميونات ISIS عمر تشغيلي لمدة 20 عامًا (1985-2005)، ولكن نجاحه المستمر أدى إلى عملية تجديد واستثمار إضافي، بهدف تطوير المنشأة وتمديد عمر ISIS إلى ما بعد عام 2040. [ 8 ]

علوم

يُدار مصدر النيوترونات والميونات ISIS ويُشغّل من قِبل مجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا (المعروف سابقًا باسم CCLRC ). ويُعدّ مجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا (STFC) جزءًا من هيئة البحث والابتكار في المملكة المتحدة . يُتاح وقت التجارب للباحثين الأكاديميين من جميع أنحاء العالم، ويتم التقديم عبر عدة قنوات، أبرزها دعوة لتقديم المقترحات مرتين سنويًا. تُخصّص أوقات البحث، أو ما يُعرف بـ"وقت الحزمة"، للمتقدمين من خلال عملية مراجعة الأقران. لا يتحمّل الباحثون الأكاديميون ومؤسساتهم تكاليف تشغيل المرفق، والتي تصل إلى 20,000 جنيه إسترليني لكل جهاز يوميًا. يقيم معظم الباحثين في فندق ريدجواي هاوس، الواقع في الحرم الجامعي نفسه، أو في مركز كوزنرز هاوس ، وهو مركز مؤتمرات يُديره مجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا في أبينغدون . يُجرى سنويًا أكثر من 1000 تجربة من قِبل 1600 باحث، مما يُسفر عن نشر ما بين 500 و600 بحث أكاديمي.

كما يمتلك معهد ISIS مجموعة من آليات الوصول المتاحة للشركات، والتي تشمل الوصول الحصري، والشراكات مع الأوساط الأكاديمية، وبرنامج ISIS للبحث والتطوير التعاوني (ICRD)، المصمم خصيصًا لتلبية احتياجات الشركاء الصناعيين. [ 9 ]

يعمل في مركز ISIS أكثر من 500 موظف، يتولون تشغيل المنشأة، ودعم تجارب المستخدمين، وإجراء البحوث. وتعمل غرفة التحكم الرئيسية على مدار الساعة طوال أيام السنة. ويشرف علماء الأجهزة على تشغيل كل جهاز ويتواصلون مع المستخدمين، بينما توفر الأقسام الأخرى بيئة العينات، وتحليل البيانات، والخبرة الحاسوبية، وتتولى صيانة المُسرِّع، وإدارة البرامج التعليمية. ويضم مركز ISIS مختبراتٍ للبيولوجيا، وتوصيف المواد، والديوتيريوم، بالإضافة إلى فريقٍ متخصص في التبريد يُشغِّل مرفقًا لاستعادة الهيليوم.

من بين الأعمال المهمة والرائدة التي أُنجزت في معهد ISIS اكتشاف بنية الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية والطور الصلب لباكمينستر فوليرين . ومؤخرًا، شهدت التجارب المتعلقة بالطاقة النظيفة، مثل البطاريات ، وعلوم الصحة والحياة، مثل أغشية البكتيريا وجزيئات الدهون النانوية ، نموًا ملحوظًا . ويمكن الاطلاع على أبرز الإنجازات العلمية الحديثة الأخرى على موقع ISIS الإلكتروني [ 10 ] .

استضاف السنكروترون نفسه تجربة التبريد الدولي لتأين الميون (MICE) للتشغيل الطفيلي [ 11 ] من عام 2008 إلى عام 2018. وقد حلت MICE محل حزمة اختبار فيزياء الطاقة العالية السابقة. [ 12 ]

القدرات

تتمتع النيوترونات والميونات بقدرات فريدة تجعلها مناسبة بشكل خاص لتوصيف المواد.

  • تعتبر كل من النيوترونات والميونات أدوات غير مدمرة مناسبة لتوصيف العينات الحساسة والثمينة.
  • يمكن للنيوترونات أن تخترق العينات، حتى عندما تكون محصورة داخل بيئات عينات معقدة.
  • تعتبر النيوترونات حساسة للنظائر المختلفة لنفس العنصر، لذلك يمكن استخدام الاستبدال النظائري لتسليط الضوء على السمات الهيكلية المحددة.
  • تختلف قدرة تشتت النيوترونات في النوى بشكل عشوائي بحيث يمكن دراسة الذرات الأخف مثل الهيدروجين والليثيوم في وجود الذرات الأثقل.
  • تتيح بيئات العينات المتطورة قياسات النيوترونات والميونات في ظل ظروف تشغيل واقعية - بما في ذلك درجات الحرارة والضغوط القصوى.
  • تُعد تقنيات النيوترون والميون أيضًا مكملة للغاية لبعضها البعض وللطرق الأخرى، بما في ذلك حيود الأشعة السينية السنكروترونية.

التقنيات

تستخدم الأجهزة في ISIS مجموعة من تقنيات تشتت الميونات والنيوترونات لتمكين دراسة مجموعة واسعة من المواد.

  • تُستخدم أجهزة حيود النيوترونات لتوفير معلومات تفصيلية حول ترتيب الذرات داخل المادة، مما يساعد العلماء على فهم خصائصها وسلوكها. ويمكن تطبيق حيود النيوترونات لدراسة المواد الصلبة البلورية والغازات والسوائل والمواد غير المتبلورة.
  • يوفر التصوير النيوتروني إمكانيات التصوير الإشعاعي النيوتروني والتصوير المقطعي ومسح الإجهاد وتحليل النسيج، وهو مصمم لمجموعة واسعة من مجالات علوم المواد حيث يلزم إجراء اختبارات غير مدمرة وفي الموقع.
  • قياس انعكاس النيوترونات . الانعكاسية هي نسبة شدة الانعكاس إلى شدة الشعاع الساقط عند توجيهه نحو سطح أو واجهة. توفر تقنية قياس انعكاس النيوترونات معلومات قيّمة في تطبيقات علمية وتقنية متنوعة، تشمل امتزاز البوليمرات والمواد الفعالة سطحياً، وبنية الأنظمة المغناطيسية للأغشية الرقيقة، والأغشية البيولوجية.
  • يقيس التحليل الطيفي للنيوترون التغير في طاقة النيوترون أثناء تشتته عن العينة ويمكن استخدامه لاستكشاف مجموعة متنوعة من الظواهر مثل حركات الذرات، وأنماط الدوران للجزيئات، والإثارات المغناطيسية والكمية، وحتى الانتقالات الإلكترونية.
  • تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة (SANS) هو أسلوب لفحص المواد الصلبة على نطاقات طول تتراوح من 0.5 نانومتر إلى عدة مئات من النانومترات.
  • يحدد التحليل العنصري باستخدام النيوترونات أو الميونات، نوعياً و/أو كمياً، التركيب العنصري/النظائري والتوزيع المكاني ثنائي/ثلاثي الأبعاد في المادة.
  • يدرس التشعيع كيفية استجابة العينات، مثل الإلكترونيات، لإشعاع النيوترونات الكوني.
  • يوفر التحليل الطيفي للميونات وسيلة لدراسة المواد على المستوى الذري.

أجهزة النيوترونات والميونات

الأجهزة الموجودة حاليًا في مصدر النيوترونات والميونات ISIS هي: [ 13 ]

المحطة المستهدفة 1

  • ALF هو مرفق لمحاذاة البلورات.
  • إنجين-إكس هو جهاز حيود نيوتروني مُحسَّن لقياس الإجهاد، وبالتالي الضغط، في أعماق المادة البلورية.
  • جهاز GEM هو جهاز حيود النيوترونات الذي يمكنه إجراء تجارب عالية الكثافة وعالية الدقة لدراسة بنية المواد غير المنتظمة والمساحيق البلورية.
  • جهاز HRPD هو جهاز حيود النيوترونات وهو واحد من أجهزة حيود مسحوق النيوترونات ذات أعلى دقة من نوعه في العالم.
  • إن جهاز Ines هو جهاز حيود مسحوق النيوترونات، تم بناؤه وإدارته من قبل المجلس الوطني الإيطالي للبحوث (CNR) في إطار اتفاقية التعاون مع STFC.
  • جهاز Iris هو مطياف نيوتروني ، مصمم للتحليل الطيفي شبه المرن وغير المرن عالي الدقة منخفض الطاقة.
  • LoQ هو جهاز تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة يستخدم لدراسة شكل وحجم الجزيئات الكبيرة أو الجسيمات الصغيرة أو المواد المسامية بأبعاد تتراوح عادة بين 1-100 نانومتر.
  • جهاز Maps هو مطياف نيوتروني، مصمم في الأساس لمعالجة الإثارات المغناطيسية والهيكلية في البلورات المفردة.
  • ماري هو مطياف نيوتروني، مثالي لدراسة كثافات حالات الفونون في الأنظمة البلورية وغير المنتظمة، وإثارات المجال البلوري في المواد المغناطيسية.
  • ميرلين هو مطياف نيوتروني مزود بمطياف تقطيع ذي هندسة مباشرة ومعدل عد عالي ودقة طاقة متوسطة.
  • يمكن استخدام جهاز أوزيريس كمطياف نيوتروني أو كمقياس حيود. وهو مُحسَّن لإجراء دراسات الطاقة المنخفضة جدًا وحيود الأطوال الموجية الطويلة.
  • جهاز بيرل هو جهاز حيود نيوتروني مخصص لحيود المساحيق تحت ضغط عالٍ.
  • بولاريس هو جهاز حيود النيوترونات مُحسَّن للتوصيف السريع للهياكل، ودراسة كميات صغيرة من المواد، وجمع مجموعات البيانات في وقت سريع، ودراسة المواد في ظل ظروف غير محيطة.
  • جهاز SANDALS هو جهاز حيود نيوتروني مصمم خصيصًا لدراسة بنية السوائل والمواد غير المتبلورة.
  • جهاز Surf هو مقياس انعكاس النيوترونات وأحد الأجهزة الرائدة في العالم لأبحاث الواجهة السائلة.
  • SXD هو جهاز حيود النيوترونات الذي يتمتع بقوة كبيرة في التطبيقات التي تتضمن مسوحات الفضاء المتبادل ، مثل التحولات الطورية والهياكل غير المتوافقة، وكذلك في التطبيقات التي قد يكون فيها توجيه العينة مقيدًا.
  • توسكا هو مطياف نيوتروني مُحسَّن لدراسة الاهتزازات الجزيئية في الحالة الصلبة.
  • فيزوفيو هو مطياف نيوتروني يستخدم الكثافة العالية للنيوترونات في نطاق طاقة الإلكترون فولت (النيوترونات فوق الحرارية) لفصل الأطياف حسب الكتلة إلى مجموعة من توزيعات الزخم النووي.

مناطق تجريبية للميون

  • جهاز EMU هو مطياف μSR، مُحسَّن لقياسات المجال الصفري والمجال الطولي.
  • MuSR هو مطياف μSR يمكن تدويره بزاوية 90 درجة لتمكين إجراء القياسات الطولية والعرضية.
  • جهاز HiFi هو جهاز ميون عالي المجال يوفر مجالات طولية مطبقة تصل إلى 5 تسلا.
  • أرجوس هو مطياف للميونات مخصص لدراسات المادة المكثفة والجزيئات.
  • كرونوس هو جهاز للميونات موجود في منشأة ريكين-رال للميونات المملوكة لليابان.
  • يستخدم برنامج MuX الميونات السالبة للتحليل العنصري.

المحطة المستهدفة 2

  • ChipIr هو جهاز تشعيع رقائق مخصص لتشعيع الإلكترونيات الدقيقة بالنيوترونات الشبيهة بالنيوترونات الموجودة في الغلاف الجوي.
  • جهاز IMAT هو أداة تصوير حيود النيوترونات لعلوم المواد ومعالجة المواد والهندسة.
  • جهاز Inter هو مقياس انعكاس عالي الكثافة للأسطح البينية الكيميائية، يوفر مرفقًا فريدًا لدراسة مجموعة من الأسطح البينية للهواء/السائل، والسائل/السائل، والهواء/الصلب، والسائل/الصلب.
  • لارمور هو جهاز مرن لتشتيت النيوترونات بزاوية صغيرة تم تحسينه لتطوير تقنيات جديدة لتشتيت النيوترونات تستخدم ترنح لارمور للنيوترونات لترميز الطاقة أو الاتجاه.
  • جهاز LET هو مطياف نيوتروني مُحسَّن لدراسة الديناميكيات في المادة المكثفة لفهم الأصل المجهري لخصائص المواد.
  • يوفر نايل حزم نيوترونية أحادية الطاقة ذات خصائص جيدة للإشعاع، بما في ذلك نيوترونات 2.5 ميجا إلكترون فولت و 14 ميجا إلكترون فولت من مولدات DD و DT.
  • NIMROD هو جهاز حيود النيوترونات مصمم للوصول إلى مقاييس الطول التي تتراوح من بين الذرات (< 1 Å) إلى الميزوسكوبية (>300 Å).
  • جهاز OffSpec هو مقياس انعكاس النيوترونات الذي يتيح الوصول إلى مقاييس الطول النانومترية الموازية والعمودية على الواجهات.
  • PolRef هو مقياس انعكاس النيوترونات مصمم لدراسة الترتيب المغناطيسي داخل وبين طبقات وأسطح المواد الرقيقة.
  • SANS2D هو جهاز تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة يمكن استخدامه لفحص الحجم والشكل والبنية الداخلية والترتيب المكاني في المواد النانوية و"المادة اللينة" والأنظمة الغروية، بما في ذلك تلك ذات الأصل البيولوجي، على نطاقات طول تتراوح من 0.25 إلى 300 نانومتر.
  • WISH هو جهاز حيود نيوتروني مصمم لحيود المساحيق عند المسافات الطويلة بين المستويات البلورية في الأنظمة المغناطيسية وأنظمة الخلايا الوحدوية الكبيرة، مع إمكانية تمكين تجارب البلورة المفردة والحزم المستقطبة.
  • جهاز Zoom هو أداة مرنة وعالية معدل العد لتشتت الضوء بزاوية صغيرة.

تم تصوير الحلقة الأخيرة من الموسم الأول من مسلسل " لغز الجسيمات" في الموقع. كما ورد ذكر الموقع في كتاب "إيتش روكس" . [ 14 ]

مراجع

  1. 1 2 "دليل عملي لمصدر النيوترونات والميونات ISIS" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-05-2026 .{{cite web}}: CS1 maint: url-status ( link )
  2. ↑ د. فيندلاي. "مسرعات خطية في مختبر رذرفورد أبليتون" . منشورات مجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا الإلكترونية . مجلس أبحاث المملكة المتحدة. مؤرشف (PDF) من الأصل بتاريخ 29-06-2006 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 03-05-2021 .
  3. ↑ "هانزارد مجلس العموم" . مناقشات البرلمان (هانزارد) . مجلس العموم . 14 مارس 1961. تم الاطلاع عليه في 6 يونيو 2009 .
  4. ↑ "المراجعة السنوية لمصدر النيوترونات والميونات ISIS لعام 2025" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-05-2026 .{{cite web}}: CS1 maint: url-status ( link )
  5. ↑ "مصدر النيوترونات والميونات التابع لمعهد الدراسات الدولية يحتفل بمرور 40 عامًا" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-05-2026 .
  6. ↑ "أدوات المرحلة الثانية" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 13 يناير 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 مايو 2026 .{{cite web}}: CS1 maint: bot: حالة عنوان URL الأصلي غير معروفة ( رابط )
  7. ↑ "برنامج إنديفور" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-05-2026 .
  8. ↑ "دراسة الأثر طويل الأمد لتنظيم داعش، المجلد 1 - التقرير الكامل" . stfc.ukri.org . نوفمبر 2016. تاريخ الاطلاع: 17 أبريل 2018 .
  9. ↑ "داعش للأعمال" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-05-2026 .
  10. ↑ "أبرز العلوم" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-05-2026 .
  11. ↑ توماسون، جيه دبليو جي (2019). "مصدر النيوترونات والميونات بتقنية التفتيت ISIS - السنوات الثلاث والثلاثون الأولى" . الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء . A917 (1): 61-67 . Bibcode : 2019NIMPA.917...61T . doi : 10.1016/j.nima.2018.11.129 .
  12. ↑ ماكدونالد، ك. "تقرير الفريق العامل الدولي المعني بخطوط حزم الميون" (ملف PDF) . استهداف مصادم الميون ودوران الطور (NuFACT'01) . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 11 سبتمبر 2006. تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 مايو 2021 .
  13. ↑ "صفحة أدوات تنظيم الدولة الإسلامية" . تم الاطلاع عليها بتاريخ 17 أبريل 2018 .
  14. ↑ مايو، سيمون (2013). صخور الحكة . دابلداي . ص 374. ISBN  9780857531322.

51°34′18″ شمالاً 1°19′12″ غرباً / 51.57167° شمالاً 1.32000° غرباً / 51.57167; -1.32000