مسرع الجسيمات الخطي

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 21 صور
الموسوعة الحرة
يستخدم المسرع الخطي الموجود داخل السنكروترون الأسترالي موجات الراديو من سلسلة من تجاويف الترددات الراديوية في بداية المسرع الخطي لتسريع حزمة الإلكترونات في حزم إلى طاقات تبلغ 100  ميجا إلكترون فولت.

المعجل الخطي للجسيمات (يُختصر غالبًا إلى linac ) هو نوع من معجلات الجسيمات يُسرّع الجسيمات دون الذرية المشحونة أو الأيونات إلى سرعة عالية عن طريق تعريضها لسلسلة من الجهود الكهربائية المتذبذبة على طول خط شعاعي خطي . اقترح غوستاف إيزينغ مبادئ هذه الآلات عام 1924، [ 1 ] بينما بنى رولف ويدرو أول آلة عاملة عام 1928 [ 2 ] في جامعة RWTH آخن . [ 3 ] [ 4 ] للمعجلات الخطية تطبيقات عديدة: فهي تُولّد أشعة سينية وإلكترونات عالية الطاقة لأغراض طبية في العلاج الإشعاعي ، وتُستخدم كحاقنات جسيمات لمعجلات ذات طاقة أعلى، وتُستخدم مباشرةً لتحقيق أعلى طاقة حركية للجسيمات الخفيفة (الإلكترونات والبوزيترونات) في فيزياء الجسيمات .

يعتمد تصميم المسرع الخطي على نوع الجسيم الذي يتم تسريعه: الإلكترونات أو البروتونات أو الأيونات. وتتراوح أحجام المسرعات الخطية من أنبوب أشعة الكاثود (وهو نوع من المسرعات الخطية) إلى المسرع الخطي الذي يبلغ طوله 3.2 كيلومتر (2.0 ميل) في مختبر SLAC الوطني للمسرعات في مينلو بارك، كاليفورنيا . 

تاريخ

مفهوم المعجل الخطي لـ Wideroe. يتم توصيل الجهد من مصدر الترددات الراديوية بسلسلة من الأنابيب التي تحمي الجسيم بين الفجوات.
مسرع خطي من نوع ألفاريز

في عام 1924، نشر غوستاف إيزينغ أول وصف لمسرّع جسيمات خطي يستخدم سلسلة من فجوات التسريع. تتحرك الجسيمات عبر سلسلة من الأنابيب، ويُطبّق جهد تسريع بتردد منتظم عبر كل فجوة. ومع ازدياد سرعة الجسيمات مع ثبات التردد، تُباعد الفجوات تدريجيًا لضمان وصول الجسيم إلى كل فجوة متأثرًا بالجهد. لم ينجح إيزينغ في تطبيق هذا التصميم. [ 5 ]

اكتشف رولف وايدرو ورقة إيزينغ البحثية عام 1927، وكجزء من أطروحته للدكتوراه، بنى نموذجًا للجهاز بطول 88 بوصة وفجوتين. فبينما اقترح إيزينغ استخدام فجوة شرارة كمصدر للجهد، استخدم وايدرو مذبذبًا أنبوبيًا مفرغًا بجهد 25 كيلوفولت . وقد نجح في إثبات تسريع أيونات الصوديوم والبوتاسيوم إلى طاقة 50,000 إلكترون فولت (50 كيلو إلكترون فولت)، أي ضعف الطاقة التي كانت ستكتسبها لو تم تسريعها مرة واحدة فقط بواسطة الأنبوب. ومن خلال نجاحه في تسريع جسيم عدة مرات باستخدام مصدر الجهد نفسه، أثبت وايدرو جدوى استخدام التسريع بترددات الراديو . [ 6 ]

كان هذا النوع من المسرعات الخطية محدودًا بمصادر الجهد المتاحة آنذاك، ولم يتمكن لويس ألفاريز من استخدام مذبذبات عالية التردد مطورة حديثًا لتصميم أول مسرع خطي ذي أنبوب انجراف تجويفي رنيني إلا بعد الحرب العالمية الثانية. ويختلف مسرع ألفاريز عن مسرع وايدرو في أن طاقة الترددات الراديوية تُطبق على كامل حجرة الرنين التي يمر عبرها الجسيم، بينما تُستخدم الأنابيب المركزية فقط لحماية الجسيمات خلال مرحلة التباطؤ من طور المذبذب. وبفضل هذا النهج في التسريع، تمكن أول مسرع خطي من تصميم ألفاريز من الوصول إلى طاقات بروتونية بلغت 31.5 ميغا إلكترون فولت عام 1947، وهي أعلى طاقة تم الوصول إليها في ذلك الوقت. [ 7 ]

لم تكن المسرعات الخطية من نوع ألفاريز الأولية مزودة بآلية فعالة للحفاظ على تركيز الحزمة، مما حدّ من طولها وطاقتها. وقد أدى تطوير مبدأ التركيز القوي في أوائل الخمسينيات إلى تركيب مغانط رباعية الأقطاب للتركيز داخل أنابيب الانجراف، مما أتاح بناء مسرعات خطية أطول وبالتالي أكثر قوة. وقد بُني اثنان من أوائل نماذج مسرعات ألفاريز الخطية المزودة بمغانط تركيز قوية في كل من سيرن ومختبر بروكهافن الوطني . [ 8 ]

في عام 1947، بالتزامن تقريبًا مع تطوير ألفاريز لمفهومه عن المعجل الخطي للبروتونات، أنشأ ويليام هانسن أول مسرع إلكتروني ذي موجة متحركة في جامعة ستانفورد. [ 9 ] الإلكترونات أخف وزنًا من البروتونات بما يكفي لتصل إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء في المراحل الأولى من عملية التسريع. ونتيجة لذلك، تزداد طاقة الإلكترونات "المتسارعة"، ولكن يمكن اعتبارها ذات سرعة ثابتة من منظور تصميم المسرع. وقد سمح هذا لهانسن باستخدام بنية تسريع تتكون من دليل موجي أفقي مُحمّل بسلسلة من الأقراص. بلغت طاقة مسرع عام 1947 ستة ميغا إلكترون فولت. ومع مرور الوقت، امتد تسريع الإلكترونات في مختبر SLAC الوطني للمسرعات إلى حجم ميلين (3.2 كيلومتر) وطاقة خرج تبلغ 50 غيغا إلكترون فولت. [ 10 ] 

مع تطور المسرعات الخطية ذات تيارات الحزمة العالية، شكّل استخدام المجالات المغناطيسية لتركيز حزم البروتونات والأيونات الثقيلة تحديًا في المراحل الأولى للمسرع. ولأن القوة المغناطيسية تعتمد على سرعة الجسيمات، كان من المرغوب فيه ابتكار نوع من المسرعات قادر على تسريع وتركيز الهادرونات ذات الطاقة المنخفضة إلى المتوسطة في آنٍ واحد . [ 11 ] في عام 1970، اقترح الفيزيائيان السوفيتيان آي إم كابشينسكي وفلاديمير تيبلياكوف بنية تسريع رباعية الأقطاب بترددات الراديو (RFQ). تستخدم هذه البنية ريشًا أو قضبانًا ذات أشكال مصممة بدقة داخل تجويف رنيني لتوليد مجالات كهربائية معقدة. توفر هذه المجالات تسريعًا وتركيزًا متزامنين لحزم الجسيمات المحقونة. [ 12 ]

بدأ العلماء في جامعة ستانفورد وغيرها من الجامعات، في ستينيات القرن الماضي، باستكشاف استخدام تجاويف الترددات الراديوية فائقة التوصيل لتسريع الجسيمات. [ 13 ] تسمح التجاويف فائقة التوصيل المصنوعة من سبائك النيوبيوم بتسريع أكثر كفاءة، إذ يمكن توجيه نسبة أكبر بكثير من الطاقة المدخلة إلى الحزمة بدلاً من تبديدها على شكل حرارة. ومن أوائل المسرعات الخطية فائقة التوصيل، المسرع الخطي فائق التوصيل (للإلكترونات) في جامعة ستانفورد [ 14 ] ونظام المسرع الخطي الترادفي في مختبر أرجون الوطني (للبروتونات والأيونات الثقيلة) . [ 15 ]

المبادئ الأساسية للتشغيل

رسوم متحركة توضح آلية عمل المُسرِّع الخطي. في هذا المثال، يُفترض أن الجسيمات المُسرَّعة (النقاط الحمراء) تحمل شحنة موجبة. يُظهر الرسم البياني V (x) الجهد الكهربائي على طول محور المُسرِّع عند كل لحظة زمنية. تنعكس قطبية جهد التردد اللاسلكي عند مرور الجسيم عبر كل قطب كهربائي، لذا عندما يعبر الجسيم كل فجوة، يكون للمجال الكهربائي (E، الأسهم) الاتجاه الصحيح لتسريعه. تُظهر الرسوم المتحركة جسيمًا واحدًا يُسرَّع في كل دورة؛ في المُسرِّعات الخطية الحقيقية، يُحقن عدد كبير من الجسيمات ويُسرَّع في كل دورة. يُعرض الحدث مُبطَّأً بشكل كبير.

تسارع الترددات الراديوية

عندما يتم وضع جسيم مشحون في مجال كهرومغناطيسي، فإنه يتعرض لقوة تُعطى بقانون قوة لورنتز :

F→=qهـ→+qv→×ب→{\displaystyle {\vec {F}}=q{\vec {E}}+q{\vec {v}}\times {\vec {B}}}

أينq{\displaystyle q}هي الشحنة الموجودة على الجسيم،هـ→{\displaystyle {\vec {E}}}هو المجال الكهربائي،v→{\displaystyle {\vec {v}}}هي سرعة الجسيم، وب→{\displaystyle {\vec {B}}}يمثل المجال المغناطيسي. ويعني الضرب الاتجاهي في مصطلح المجال المغناطيسي أنه لا يمكن استخدام المجالات المغناطيسية الساكنة لتسريع الجسيمات، لأن القوة المغناطيسية تعمل عمودياً على اتجاه حركة الجسيمات. [ 16 ]

بما أن الانهيار الكهروستاتيكي يحد من أقصى جهد ثابت يمكن تطبيقه عبر فجوة لتوليد مجال كهربائي، فإن معظم المسرعات تستخدم نوعًا من التسارع بترددات الراديو. في هذا النوع من التسارع، يجتاز الجسيم سلسلة من مناطق التسارع، مدفوعًا بمصدر جهد بحيث يرى مجالًا متسارعًا أثناء عبوره كل منطقة. في هذا النوع من التسارع، يجب أن تتحرك الجسيمات بالضرورة في "مجموعات" تتوافق مع جزء دورة المذبذب حيث يشير المجال الكهربائي في اتجاه التسارع المطلوب. [ 17 ]

إذا استُخدم مصدر جهد متذبذب واحد لتشغيل سلسلة من الفجوات، فيجب أن تتباعد هذه الفجوات تدريجيًا مع ازدياد سرعة الجسيم. وذلك لضمان أن "يرى" الجسيم نفس طور دورة المذبذب عند وصوله إلى كل فجوة. عندما تقترب الجسيمات من سرعة الضوء، تصبح المسافة بين الفجوات ثابتة: أي أن القوة الإضافية المطبقة تزيد من طاقة الجسيمات دون أن تُغير سرعتها بشكل ملحوظ. [ 16 ] : 9-12

التركيز

لضمان عدم إفلات الجسيمات من المُسرِّع، من الضروري توفير نوع من التركيز لإعادة توجيه الجسيمات المُتحركة بعيدًا عن المسار المركزي نحو المسار المقصود. مع اكتشاف التركيز القوي ، تُستخدم مغانط رباعية الأقطاب لإعادة توجيه الجسيمات المُتحركة بعيدًا عن المسار المرجعي بشكل فعّال. ولأن هذه المغانط تُركِّز في اتجاه عرضي واحد وتُشتِّت التركيز في الاتجاه العمودي، فمن الضروري استخدام مجموعات من المغانط لتوفير تأثير تركيز شامل في كلا الاتجاهين. [ 16 ]

استقرار الطور

يُعدّ التركيز على طول اتجاه الحركة، المعروف أيضًا باسم استقرار الطور ، خاصيةً جوهريةً لتسريع الترددات الراديوية. إذا وصلت جميع الجسيمات في حزمة إلى منطقة التسريع خلال مرحلة صعود المجال المتذبذب، فإن الجسيمات التي تصل مبكرًا ستتعرض لجهد أقل قليلًا من الجسيم "المرجعي" في مركز الحزمة. وبالتالي، ستتلقى هذه الجسيمات تسارعًا أقل قليلًا، وستتخلف في النهاية عن الجسيم المرجعي. وبالمثل، فإن الجسيمات التي تصل بعد الجسيم المرجعي ستتلقى تسارعًا أكبر قليلًا، وستلحق به نتيجةً لذلك. يحدث هذا التصحيح التلقائي عند كل فجوة تسريع، بحيث يُعاد تركيز الحزمة على طول اتجاه الحركة في كل مرة يتم تسريعها. [ 17 ] : 30-52

الإنشاء والتشغيل

تُستخدم المغناطيسات رباعية الأقطاب المحيطة بالمسرع الخطي في السنكروترون الأسترالي للمساعدة في تركيز حزمة الإلكترونات
مبنى يغطي أنبوب شعاع يبلغ طوله ميلين (3.2 كم) لمسرع ستانفورد الخطي (SLAC) في مينلو بارك، كاليفورنيا، وهو ثاني أقوى مسرع خطي في العالم. يحتوي على حوالي 80,000 قطب كهربائي للتسريع ويمكنه تسريع الإلكترونات إلى 50 جيجا إلكترون فولت. 

يتكون مسرع الجسيمات الخطي من الأجزاء التالية:

  • غرفة تفريغ أنبوبية مستقيمة مجوفة تحتوي على المكونات الأخرى. تُفرغ هذه الغرفة باستخدام مضخة تفريغ لمنع اصطدام الجسيمات المُسرّعة بجزيئات الهواء. يختلف طول الأنبوب باختلاف التطبيق. فإذا استُخدم الجهاز لإنتاج أشعة سينية للفحص أو العلاج، فقد يتراوح طوله بين 0.5 و1.5 متر فقط. [ 18 ] أما إذا كان الجهاز سيُستخدم كحاقن لمسرع الجسيمات ، فقد يصل طوله إلى حوالي عشرة أمتار. [ 19 ] وإذا استُخدم الجهاز كمسرّع رئيسي لدراسات الجسيمات النووية، فقد يصل طوله إلى عدة آلاف من الأمتار. [ 20 ]
  • يوجد مصدر الجسيمات (S) في أحد طرفي الحجرة، وهو المسؤول عن إنتاج الجسيمات المشحونة التي يُسرّعها الجهاز. ويختلف تصميم المصدر باختلاف نوع الجسيم المراد تسريعه. تُولّد الإلكترونات بواسطة مهبط بارد ، أو مهبط ساخن ، أو مهبط ضوئي ، أو مصادر أيونية تعمل بترددات الراديو . أما البروتونات، فتُولّد في مصدر أيوني ، والذي قد يتخذ تصاميم مختلفة. وفي حال الرغبة بتسريع جسيمات أثقل (مثل أيونات اليورانيوم )، يلزم استخدام مصدر أيوني متخصص. ويحتوي هذا المصدر على مصدر جهد عالٍ خاص به لحقن الجسيمات في خط الحزمة. [ 21 ]
  • تمتد على طول الأنبوب من المصدر سلسلة من الأقطاب الكهربائية الأسطوانية مفتوحة الطرفين (C1، C2، C3، C4) ، ويزداد طولها تدريجيًا مع المسافة من المصدر. تمر الجسيمات القادمة من المصدر عبر هذه الأقطاب. يتحدد طول كل قطب بتردد وقدرة مصدر الطاقة المحرك والجسيم المراد تسريعه، بحيث يمر الجسيم عبر كل قطب في نصف دورة كاملة من جهد التسريع. تؤثر كتلة الجسيم بشكل كبير على طول الأقطاب الأسطوانية؛ فمثلاً، الإلكترون أخف بكثير من البروتون، وبالتالي يتطلب عادةً جزءًا أصغر بكثير من الأقطاب الأسطوانية نظرًا لتسارعه السريع.
  • الهدف الذي تصطدم به الجسيمات، يقع في نهاية أقطاب التسريع. عند تسريع الإلكترونات لإنتاج الأشعة السينية، يُستخدم هدف من التنجستن مُبرّد بالماء . وتُستخدم مواد هدف متنوعة عند تسريع البروتونات أو النوى الأخرى، وذلك حسب نوع الدراسة. خلف الهدف توجد كواشف مختلفة لرصد الجسيمات الناتجة عن تصادم الجسيمات الواردة مع ذرات الهدف. تعمل العديد من المسرعات الخطية كمرحلة تسريع أولية لمسرعات جسيمات أكبر، مثل السنكروترونات وحلقات التخزين ، وفي هذه الحالة، بعد مغادرة الأقطاب، تدخل الجسيمات المُسرّعة المرحلة التالية من المُسرّع.
  • مذبذب ومضخم إلكتروني (G) يُولّد جهدًا متناوبًا عالي الجهد (عادةً آلاف الفولتات) بترددات الراديو، يُطبّق على الأقطاب الكهربائية الأسطوانية. هذا هو جهد التسريع الذي يُنتج المجال الكهربائي الذي يُسرّع الجسيمات. يُطبّق جهد طور معاكس على الأقطاب الكهربائية المتتالية. يحتوي مُسرّع عالي الطاقة على مضخم منفصل لتزويد كل قطب كهربائي بالطاقة، وتكون جميعها متزامنة على نفس التردد.

كما هو موضح في الرسوم المتحركة، يكون للجهد المتذبذب المطبق على الأقطاب الأسطوانية المتناوبة قطبية معاكسة ( بفارق طور 180 درجة )، لذا فإن الأقطاب المتجاورة لها جهود معاكسة. يُنشئ هذا مجالًا كهربائيًا متذبذبًا (E) في الفجوة بين كل زوج من الأقطاب، والذي يُؤثر بقوة على الجسيمات عند مرورها، مانحًا إياها طاقة عن طريق تسريعها. يقوم مصدر الجسيمات بحقن مجموعة من الجسيمات في القطب الأول مرة واحدة في كل دورة من دورات الجهد، عندما تكون شحنة القطب معاكسة لشحنة الجسيمات. في كل مرة تمر فيها حزمة الجسيمات عبر قطب، يتغير قطب الجهد المتذبذب، لذلك عندما تصل الجسيمات إلى الفجوة بين الأقطاب، يكون المجال الكهربائي في الاتجاه الصحيح لتسريعها. وبالتالي، تتسارع الجسيمات إلى سرعة أكبر في كل مرة تمر فيها بين الأقطاب؛ يوجد مجال كهربائي ضعيف داخل الأقطاب، لذا تتحرك الجسيمات بسرعة ثابتة داخل كل قطب.

يتم حقن الجسيمات في الوقت المناسب بحيث يكون فرق الجهد المتذبذب بين الأقطاب الكهربائية في أقصى حد له عند عبور الجسيمات لكل فجوة. إذا كان جهد الذروة المطبق بين الأقطاب الكهربائية هوVص{\displaystyle V_{p}}الفولتات، والشحنة على كل جسيم هيq{\displaystyle q}الشحنات الأولية ، يكتسب الجسيم زيادة متساوية في الطاقةqVص{\displaystyle qV_{p}}تبلغ طاقة الجسيمات الناتجة عن مرورها عبر كل فجوة إلكترون فولت . وبالتالي، فإن طاقة الجسيمات الناتجة هي

هـ=qشمالVص{\displaystyle E=qNV_{p}}

الإلكترون فولت، حيثشمال{\displaystyle N}يمثل عدد الأقطاب الكهربائية المتسارعة في الآلة.

عند سرعات تقارب سرعة الضوء، يكون ازدياد السرعة التدريجي ضئيلاً، وتظهر الطاقة على شكل زيادة في كتلة الجسيمات. في أجزاء المُسرِّع التي يحدث فيها ذلك، تكون أطوال الأقطاب الأنبوبية ثابتة تقريبًا. يمكن إضافة عناصر عدسات مغناطيسية أو كهروستاتيكية لضمان بقاء الشعاع في مركز الأنبوب وأقطابه. قد تحافظ المُسرِّعات الطويلة جدًا على محاذاة دقيقة لمكوناتها باستخدام أنظمة مؤازرة موجهة بشعاع ليزر.

مفاهيم قيد التطوير

يجري تطوير العديد من المفاهيم الجديدة اعتبارًا من عام 2021. والهدف الأساسي هو جعل المسرعات الخطية أرخص، مع حزم مركزة بشكل أفضل، وطاقة أعلى أو تيار حزمة أعلى.

معجل خطي بالحث

تستخدم المسرعات الخطية الحثية المجال الكهربائي الناتج عن مجال مغناطيسي متغير مع الزمن لتسريع الجسيمات، كما هو الحال في البيتاثرون . يمر شعاع الجسيمات عبر سلسلة من النوى الفريتية الحلقية الشكل ، مرتبة واحدة تلو الأخرى، والتي تُمغنط بواسطة نبضات تيار عالية، وتُولد كل منها بدورها نبضة شدة مجال كهربائي على طول محور اتجاه الشعاع. تُستخدم المسرعات الخطية الحثية لتوليد نبضات تيار عالية قصيرة من الإلكترونات، وكذلك من الأيونات الثقيلة. [ 22 ] يعود هذا المفهوم إلى أعمال نيكولاس كريستوفيلوس . [ 23 ] ويعتمد تحقيقه بشكل كبير على التقدم في تطوير مواد فريتية أكثر ملاءمة . مع الإلكترونات، تم تحقيق تيارات نبضية تصل إلى 5 كيلو أمبير عند طاقات تصل إلى 5 ميجا إلكترون فولت، وفترات نبضية تتراوح بين 20 و300 نانو ثانية. [ 24 ]

مسرع خطي لاستعادة الطاقة

في مسرعات الإلكترونات الخطية السابقة، تُستخدم الجسيمات المُسرّعة مرة واحدة فقط، ثم تُغذّى إلى مُمتص (مُصدّ الحزمة) ، حيث تُحوّل طاقتها المتبقية إلى حرارة. أما في مسرع استعادة الطاقة الخطي (ERL)، فتُسرّع الجسيمات في رنانات، وفي مُموجات على سبيل المثال . تُعاد الإلكترونات المُستخدمة إلى المُسرّع، ولكن بفارق طور 180 درجة. ولذلك، تمر عبر الرنانات في مرحلة التباطؤ، مُعيدةً بذلك طاقتها المتبقية إلى المجال. يُشبه هذا المفهوم نظام الدفع الهجين في المركبات، حيث تُتاح الطاقة الحركية المُنطلقة أثناء الكبح للتسارع التالي عن طريق شحن البطارية.

أفاد مختبر بروكهافن الوطني ومركز هيلمهولتز برلين، ضمن مشروع "bERLinPro"، عن أعمال التطوير ذات الصلة. يستخدم مسرع برلين التجريبي رنانات تجويفية من النيوبيوم فائقة التوصيل. في عام 2014، كانت ثلاثة ليزرات إلكترونية حرة تعتمد على رنانات الإلكترونات الحلقية (ERLs) قيد التشغيل في جميع أنحاء العالم: في مختبر جيفرسون (الولايات المتحدة)، ومعهد بودكر للفيزياء النووية (روسيا)، وهيئة الطاقة الذرية اليابانية (اليابان). [ 25 ] في جامعة ماينز ، من المتوقع أن يبدأ تشغيل ليزر إلكترونات حلقي يُسمى MESA في عام 2024. [ 26 ]

مصادم خطي مضغوط

يُقدّم مفهوم المصادم الخطي المضغوط (CLIC) (الاسم الأصلي: مصادم سيرن الخطي، بنفس الاختصار [ 27 ] ) للإلكترونات والبوزيترونات مُسرّعًا للموجات المتحركة لطاقات في حدود 1 تيرا إلكترون فولت (TeV). [ 28 ] وبدلًا من مُضخّمات الكليسترون العديدة اللازمة لتوليد طاقة التسريع، سيتم استخدام مُسرّع خطي إلكتروني ثانٍ مُوازٍ ذي طاقة أقل، يعمل بتجاويف فائقة التوصيل تتشكل فيها موجات مستقرة. تُستخلص طاقة عالية التردد منه على فترات منتظمة وتُنقل إلى المُسرّع الرئيسي. وبهذه الطريقة، يُفترض تحقيق شدة مجال تسريع عالية جدًا تبلغ 80 ميجا فولت/متر.

مسرع كيلفيلد (مسرع البلازما)

في رنانات التجويف، تحد قوة العزل الكهربائي من أقصى تسارع يمكن تحقيقه ضمن مسافة معينة. ويمكن تجاوز هذا الحد باستخدام الموجات المتسارعة في البلازما لتوليد مجال التسارع في مسرعات كيلفيلد : حيث يُثير الليزر أو حزمة الجسيمات تذبذبًا في البلازما ، وهو ما يرتبط بشدة مجال كهربائي عالية جدًا. وهذا يعني إمكانية بناء مسرعات خطية أكثر إحكامًا بشكل ملحوظ (بمعاملات تتراوح بين مئات وآلاف). وتشير التجارب التي تستخدم ليزرات عالية الطاقة في بلازما بخار المعادن إلى إمكانية تقليل طول خط الحزمة من عشرات الأمتار إلى بضعة سنتيمترات.

مفاهيم حديثة

كلما زاد تردد جهد التسارع المُختار، زادت دفعات التسارع الفردية التي يتعرض لها جسيم ذو سرعة معينة لكل طول مسار، وبالتالي يمكن تقصير طول المُسرِّع الإجمالي. ولهذا السبب، تطورت تقنية المُسرِّعات سعيًا وراء طاقات جسيمات أعلى، وخاصةً عند الترددات العالية.

إن مفاهيم المسرع الخطي (التي تسمى غالبًا هياكل المسرع من الناحية الفنية) والتي تم استخدامها منذ حوالي عام 1950 تعمل بترددات تتراوح من حوالي 100 ميجاهرتز إلى بضعة جيجاهرتز (GHz) وتستخدم مكون المجال الكهربائي للموجات الكهرومغناطيسية.

الموجات الثابتة والموجات المتحركة

عند التعامل مع طاقات تتجاوز بضعة ميغا إلكترون فولت، تختلف مسرعات الأيونات عن تلك الخاصة بالإلكترونات. ويعود السبب في ذلك إلى الفارق الكبير في كتلة الجسيمات. فالإلكترونات تقترب من سرعة الضوء ، وهي الحد الأقصى للسرعة المطلقة، عند بضعة ميغا إلكترون فولت؛ ومع زيادة التسارع، كما هو موضح في الميكانيكا النسبية ، لا يزداد سوى طاقتها وزخمها تقريبًا . أما بالنسبة للأيونات في هذا النطاق الطاقي، فتزداد سرعتها بشكل ملحوظ نتيجةً لزيادة التسارع.

تعتمد مفاهيم تسريع الأيونات المستخدمة اليوم على الموجات الكهرومغناطيسية المستقرة التي تتشكل في رنانات مناسبة . وتُستخدم أنواع مختلفة من الرنانات تبعًا لنوع الجسيم ونطاق طاقته ومعايير أخرى؛ وتتناول الأقسام التالية بعضًا منها فقط. ويمكن أيضًا تسريع الإلكترونات باستخدام الموجات المستقرة عند طاقات أعلى من بضعة ميغا إلكترون فولت. إلا أن البديل الأمثل هنا هو الموجة التقدمية، وهي موجة متحركة. يجب أن تكون سرعة طور الموجة المتحركة مساوية تقريبًا لسرعة الجسيم. لذا، لا تُناسب هذه التقنية إلا عندما تكون سرعة الجسيمات قريبة من سرعة الضوء، بحيث لا تزداد سرعتها إلا بشكل طفيف جدًا.

كان تطوير المذبذبات عالية التردد ومضخمات الطاقة منذ أربعينيات القرن العشرين، ولا سيما الكليسترون، أساسيًا لهاتين التقنيتين لتسريع الجسيمات. بُني أول مُسرِّع خطي كبير الحجم يعمل بالموجات المستقرة - للبروتونات - في عامي 1945/1946 في مختبر لورانس بيركلي الوطني تحت إشراف لويس دبليو ألفاريز . وكان التردد المستخدم 200 ميجاهرتز . وبعد ذلك بقليل، طُوِّر أول مُسرِّع إلكتروني يعمل بموجات متحركة بتردد حوالي 2 جيجاهرتز في جامعة ستانفورد على يد دبليو دبليو هانسن وزملائه. [ 29 ]

مبدأ تسارع حزم الجسيمات
بواسطة موجة ثابتة
بواسطة موجة متحركة

في الرسمين البيانيين، يشير المنحنى والأسهم إلى القوة المؤثرة على الجسيمات. فقط عند النقاط التي يكون فيها اتجاه متجه المجال الكهربائي صحيحًا، أي الاتجاه الصحيح للقوة، تستطيع الجسيمات امتصاص الطاقة من الموجة. (لا يمكن ملاحظة زيادة السرعة في مقياس هذه الصور).

المزايا

كان مسرع الجسيمات الخطي فائق التوصيل التابع لجامعة ستانفورد موجودًا في الحرم الجامعي أسفل مختبرات هانسن حتى عام 2007. هذا المرفق منفصل عن مسرع الجسيمات الخطي فائق التوصيل (SLAC).
عملية تصوير مصبوبات الصلب بالأشعة السينية باستخدام المعجل الخطي في شركة غودوين ستيل كاستينغز المحدودة

يُمكن للمُسرِّع الخطي إنتاج طاقات جسيمية أعلى من تلك التي كانت تُنتجها مُسرِّعات الجسيمات الكهروستاتيكية السابقة ( مُسرِّع كوكروفت-والتون ومُولِّد فان دي غراف ) التي كانت مُستخدمة عند اختراعه. في هذه الأجهزة، كانت الجسيمات تُسرَّع مرة واحدة فقط بواسطة الجهد المُطبَّق، لذا كانت طاقة الجسيمات بوحدة الإلكترون فولت تُساوي جهد التسريع على الجهاز، والذي كان محدودًا ببضعة ملايين من الفولتات بسبب انهيار العزل. أما في المُسرِّع الخطي، فتُسرَّع الجسيمات عدة مرات بواسطة الجهد المُطبَّق، لذا فإن طاقة الجسيمات غير محدودة بجهد التسريع.

يجري تطوير مسرعات خطية عالية الطاقة لإنتاج الإلكترونات بسرعات نسبية، وهو أمر ضروري لأن الإلكترونات السريعة التي تتحرك في قوس تفقد طاقتها عبر إشعاع السنكروترون ؛ وهذا يحد من أقصى طاقة يمكن نقلها إلى الإلكترونات في سنكروترون ذي حجم معين. تتميز المسرعات الخطية بقدرتها على إنتاج كميات هائلة من الجسيمات، حيث تُنتج تيارًا شبه متواصل منها، بينما لا يرفع السنكروترون طاقة الجسيمات إلا بشكل دوري إلى مستوى كافٍ لتبرير "إطلاقها" على الهدف. (يمكن الاحتفاظ بالدفقة أو تخزينها في الحلقة عند طاقة كافية لإتاحة الوقت للإلكترونيات التجريبية للعمل، لكن متوسط ​​تيار الخرج يظل محدودًا). ​​تجعل الكثافة العالية للخرج المسرع الخطي جذابًا بشكل خاص للاستخدام في تحميل مرافق حلقات التخزين بالجسيمات استعدادًا لتصادمات الجسيمات. كما يجعل خرج الكتلة العالي الجهاز عمليًا لإنتاج جسيمات المادة المضادة ، والتي يصعب الحصول عليها عمومًا، كونها تشكل جزءًا صغيرًا فقط من نواتج تصادم الهدف. يمكن بعد ذلك تخزين هذه الجسيمات واستخدامها لاحقًا لدراسة فناء المادة والمادة المضادة.

المعجلات الخطية الطبية

صورة تاريخية تُظهر غوردون إسحاق، أول مريض يُعالج من ورم الشبكية باستخدام العلاج الإشعاعي بالمُسرِّع الخطي (في هذه الحالة، حزمة إلكترونية)، عام ١٩٥٧ في الولايات المتحدة. وقد عُولج مرضى آخرون بالمُسرِّع الخطي لأمراض أخرى منذ عام ١٩٥٣ في المملكة المتحدة. أُزيلت عين غوردون اليمنى في ١١ يناير ١٩٥٧ بسبب انتشار السرطان فيها. أما عينه اليسرى، فكانت مصابة بورم موضعي فقط، مما دفع هنري كابلان إلى علاجها بالحزمة الإلكترونية.

بدأ العلاج الإشعاعي القائم على المعجل الخطي لعلاج السرطان مع أول مريض تم علاجه في عام 1953 في لندن، المملكة المتحدة، في مستشفى هامرسميث ، باستخدام جهاز 8  ميغا فولت من صنع شركة متروبوليتان-فيكرز وتم تركيبه في عام 1952، كأول معجل خطي طبي مخصص. [ 30 ] وبعد فترة وجيزة في عام 1954،  تم تركيب معجل خطي 6 ميغا فولت في ستانفورد، الولايات المتحدة الأمريكية، والذي بدأ العلاج به في عام 1956.

تُسرّع المعجلات الخطية الطبية الإلكترونات باستخدام دليل موجي ذي تجويف مضبوط، حيث تُولّد طاقة الترددات الراديوية موجةً مستقرة . تحتوي بعض المعجلات الخطية على أدلة موجية قصيرة مثبتة عموديًا، بينما تميل الأجهزة ذات الطاقة العالية إلى امتلاك دليل موجي أفقي أطول ومغناطيس انحناء لتوجيه الشعاع عموديًا نحو المريض. تستخدم المعجلات الخطية الطبية حزمًا إلكترونية أحادية الطاقة تتراوح بين 4 و25  ميغا إلكترون فولت، مما يُنتج أشعة سينية ذات طيف طاقة يصل إلى طاقة الإلكترون، بما في ذلك طاقة الإلكترون، عند توجيه الإلكترونات نحو هدف عالي الكثافة (مثل التنجستن ). يمكن استخدام الإلكترونات أو الأشعة السينية لعلاج الأمراض الحميدة والخبيثة. يُنتج المعجل الخطي شعاعًا إشعاعيًا موثوقًا ومرنًا ودقيقًا. تُعدّ مرونة المعجل الخطي ميزةً محتملةً مقارنةً بالعلاج بالكوبالت كأداة علاجية. إضافةً إلى ذلك، يمكن إيقاف تشغيل الجهاز ببساطة عند عدم استخدامه. لا يوجد مصدر يتطلب حمايةً قوية، مع أن غرفة العلاج نفسها تتطلب حمايةً كبيرة للجدران والأبواب والسقف وما إلى ذلك لمنع تسرب الإشعاع المتناثر.  ويمكن أن يؤدي الاستخدام المطول لأجهزة عالية الطاقة (أكثر من 18 ميغا إلكترون فولت) إلى توليد كمية كبيرة من الإشعاع داخل الأجزاء المعدنية لرأس الجهاز بعد فصل الطاقة عنه (أي أنها تصبح مصدرًا نشطًا، ويجب مراعاة الاحتياطات اللازمة).

صورة جوية لنموذج المعجل الخطي الصغير

في عام ٢٠١٩، طُوِّر نموذجٌ صغيرٌ لجهاز المعجل الخطي، يحتوي على ٨٢ قطعة بناء، للأطفال الذين يخضعون للعلاج الإشعاعي للسرطان. ويُؤمل أن يُخفف بناء النموذج بعض التوتر الذي يُعاني منه الطفل قبل بدء العلاج، وذلك بمساعدته على فهم تفاصيل العلاج. وقد طوّر هذا النموذج البروفيسور ديفيد بريتل، من معهد الفيزياء والهندسة في الطب (IPEM)، بالتعاون مع شركة بيست-لوك المحدودة. ويمكن مشاهدة النموذج في متحف العلوم بلندن .

جهاز MR-LINAC هو جهاز طبي متكامل مع ماسح ضوئي للتصوير بالرنين المغناطيسي ، مما يسمح بالتصوير في الوقت الحقيقي أثناء العلاج، بالإضافة إلى إدارة حركة المريض، والتخطيط التكيفي على طاولة العمليات. [ 31 ]

طلب لتطوير النظائر الطبية

أدى النقص المتوقع في الموليبدينوم-99 ، والنظير الطبي التكنيتيوم-99م المُستخلص منه، إلى تسليط الضوء على تقنية المُسرّعات الخطية لإنتاج الموليبدينوم-99 من اليورانيوم غير المُخصّب عبر قصف النيوترونات. وهذا من شأنه أن يُمكّن صناعة النظائر الطبية من تصنيع هذا النظير الحيوي بعملية دون حرجة. ويمكن استبدال المنشآت القديمة، مثل مختبرات تشوك ريفر في أونتاريو، كندا، التي لا تزال تُنتج معظم الموليبدينوم-99 من اليورانيوم عالي التخصيب، بهذه العملية الجديدة. وبهذه الطريقة، سيتم تحقيق التحميل دون الحرج لأملاح اليورانيوم القابلة للذوبان في الماء الثقيل، مع ما يتبعه من قصف نيوتروني ضوئي واستخلاص المنتج المستهدف، الموليبدينوم-99. [ 32 ]

العيوب

  • يحد طول الجهاز من المواقع التي يمكن وضعه فيها. [ 33 ]
  • يتطلب الأمر عددًا كبيرًا من أجهزة التشغيل ومصادر الطاقة المرتبطة بها، مما يزيد من تكلفة بناء وصيانة هذا الجزء. [ 33 ]
  • إذا كانت جدران تجاويف التسارع مصنوعة من مادة موصلة بشكل طبيعي وكانت مجالات التسارع كبيرة، فإن مقاومة الجدار تحول الطاقة الكهربائية إلى حرارة بسرعة.
  • تحتاج الموصلات الفائقة إلى تبريد مستمر لإبقائها دون درجة حرارتها الحرجة، وتكون مجالات التسارع الخاصة بها محدودة بسبب الانطفاءات .
  • بسبب هذه القيود، يتم تشغيل مسرعات الطاقة العالية مثل SLAC ، التي لا تزال الأطول في العالم (في أجيالها المختلفة)، في نبضات قصيرة، مما يحد من متوسط ​​خرج التيار ويجبر أجهزة الكشف التجريبية على التعامل مع البيانات الواردة في دفعات قصيرة.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ^ ج. إيسينج (1924). "Prinzip einer Methode zur Herstellung von Kanalstrahlen hoher Voltzahl". ملف لـ Matematik و Astronomi و Fysik . 18 (30): 1- 4.
  2. ^ فيدرو ، ر. (17 ديسمبر 1928). "Über Ein Neues Prinzip Zur Herstellung Hoher Spannungen". Archiv für Elektronik und Übertragungstechnik . 21 (4): 387-406 . دوى : 10.1007 / BF01656341 . S2CID 109942448 . 
  3. ↑ براينت، بي جيه (1994). تاريخ موجز ومراجعة للمسرعات . الدورة الخامسة العامة في فيزياء المسرعات. مدرسة سيرن للمسرعات. doi : 10.5170/CERN-1994-001.1 .
  4. ↑ مانغان، مايكل أنجلو (2016). "مسرعات الجسيمات وتقدم فيزياء الجسيمات". في برونينغ، أوليفر؛ مايرز، ستيفن (محرران). تحديات وأهداف المسرعات في القرن الحادي والعشرين . هاكنساك، نيو جيرسي: وورلد ساينتيفيك. ص 33. Bibcode : 2016cgat.book.....M . doi : 10.1142/8635 . ISBN  978-981-4436-39-7.
  5. ↑ هيلبرون، جيه إل؛ سيدل، روبرت دبليو. (1989). لورانس ومختبره: تاريخ مختبر لورانس بيركلي، المجلد الأول . بيركلي، كاليفورنيا: مطبعة جامعة كاليفورنيا . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 فبراير 2022 .
  6. ↑ كونتي، ماريو؛ ماكاي، ويليام (2008). مقدمة في فيزياء مسرعات الجسيمات ( الطبعة الثانية). هاكنساك، نيوجيرسي: وورلد ساينتيفيك. ISBN  9789812779601.
  7. ↑ "مسرع ألفاريز الخطي للبروتونات" . مؤسسة سميثسونيان . تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 فبراير 2022 .
  8. ↑ لابوستول، بيير (يوليو 1989). مسرعات البروتونات الخطية: مقدمة نظرية وتاريخية (تقرير). مختبر لوس ألاموس الوطني. LA-11601-MS . تم الاطلاع عليه في 4 فبراير 2022 .
  9. ↑ جينزتون، إدوارد ل. (أبريل 1983). "أعمال المسرعات المبكرة في ستانفورد" (ملف PDF) . خط شعاع SLAC : 2-16 . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 18 نوفمبر 2022. تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 فبراير 2022 .
  10. ↑ نيل، آر بي (1968). "الفصل 5" (ملف PDF) . مسرع ستانفورد ذو الميلين . نيويورك، نيويورك: دبليو إيه بنجامين، إنك. ص 59. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17-09-2010 . 
  11. ↑ ستوكس، ريتشارد هـ.؛ وانغلر، توماس ب. (1988). "مسرعات رباعية الأقطاب بترددات الراديو وتطبيقاتها" . المراجعة السنوية للعلوم النووية والجسيمية . 38 (38): 97-118 . Bibcode : 1988ARNPS..38...97S . doi : 10.1146/annurev.ns.38.120188.000525 .
  12. ↑ رايزر، مارتن (2008). نظرية وتصميم حزم الجسيمات المشحونة ( الطبعة الثانية). فاينهايم: وايلي-في سي إتش . ص 6. ISBN   9783527407415.
  13. ↑ بادامسي، حسن (14 أبريل 2020). "تاريخ التطورات في مجال التدرج في مجال الترددات الراديوية الفائقة". arXiv : 2004.06720 [ physics.acc-ph ].
  14. ↑ ويستفال، كاثرين (أبريل 1997). تاريخ تجاويف تسريع الجسيمات فائقة التوصيل في مختبر جيفرسون، من عام 1962 إلى عام 1985 (تقرير). مرفق توماس جيفرسون الوطني للمسرعات . JLAB-PHY-97-35.
  15. ↑ أوستروموف، بيتر؛ جيريجك، فرانك (يناير 2013). "مسرعات الهادرونات فائقة التوصيل". مراجعات علوم وتكنولوجيا المسرعات . 06 : 171-196 . doi : 10.1142/S1793626813300089 .
  16. 1 2 3 كونتي، ماريو؛ ماكاي، ويليام (2008). مقدمة في فيزياء مسرعات الجسيمات ( الطبعة الثانية). هاكنساك، نيوجيرسي: وورلد ساينتيفيك. ص 1. ISBN   9789812779601.
  17. 1 2 إدواردز، د.أ.؛ سايفرز، م.ج. (1993). مقدمة في فيزياء مسرعات الطاقة العالية . نيويورك: وايلي. ISBN 9780471551638.
  18. ↑ بودغورساك، إي بي (2005). "أجهزة العلاج الإشعاعي الخارجي". فيزياء علاج الأورام بالإشعاع . فيينا: الوكالة الدولية للطاقة الذرية . ص 138. ISBN  92-0-107304-6.
  19. ↑ بلوويت، جيه بي (11 يونيو 1956). إدوارد ريجنستريف (محرر). حاقنات المسرعات الخطية لمسرعات البروتونات . ندوة سيرن حول مسرعات الطاقة العالية وفيزياء البيون. المجلد 1. جنيف: سيرن. الصفحات 159-166 . doi : 10.5170/CERN-1956-025 .  
  20. ↑ فايس، هانز؛ ديكينغ، وينفريد (10 يوليو 2017). "أطول مسرع خطي فائق التوصيل في العالم" . مجلة سيرن كورير . دار نشر آي أو بي.
  21. ↑ فيركلوث، دي سي (24 مارس 2021). "مصادر الجسيمات". arXiv : 2103.13231 [ physics.acc-ph ].
  22. ↑ "الأيونات الثقيلة تقدم نهجًا جديدًا للاندماج النووي" . مجلة سيرن كورير . 25 يونيو 2002. تاريخ الاطلاع: 22 يناير 2021 .
  23. ↑ كريستوفيلوس، ن. س.؛ هيستر، ر. إ.؛ لامب، و. أ. س.؛ ريغان، د. د.؛ شيروود، و. أ.؛ رايت، ر. إ. (1964-07-01). "مُسرِّع حثي خطي عالي التيار للإلكترونات" . مراجعة الأدوات العلمية . 35 (7): 886-890 . رمز Bibcode : 1964RScI...35..886C . doi : 10.1063/1.1746846 . ISSN 0034-6748 . 
  24. ^ فراس، هـ. (1989). "Kern- und Elementarteilchenphysik. Von G. Musiol, J. Ranft, R. Reif und D. Seeliger, VCH Verlagsgesellschaft Weinheim, 1988, DM 128" . Physik في unserer Zeit . 20 (1): 31. بيب كود : 1989PhuZ...20...31F . دوى : 10.1002/piuz.19890200109 . ISSN 0031-9252 . 
  25. ↑ ياشكه، إيبرهارد؛ خان، شوكت؛ شنايدر، يوشين ر.؛ هاستينغز، جيروم ب.، محرران. (2016). مصادر ضوء السنكروترون وليزر الإلكترون الحر: فيزياء المسرعات، والأجهزة، والتطبيقات العلمية . دار نشر سبرينغر الدولية. ISBN 978-3-319-14393-4.
  26. ↑ هوغ، فلوريان؛ أولينباخر، كورت؛ هاين، روبرت؛ ليدروا، بن؛ سيمون، دانيال (2017). "MESA - مشروع ERL لتجارب فيزياء الجسيمات" . وقائع المؤتمر الثامن والعشرين للمسرعات الخطية LINAC2016: 313-316 . doi : 10.18429/JACoW-LINAC2016-MOP106012 . تاريخ الاسترجاع: 18 أغسطس 2024 .
  27. ↑ تقرير حالة من اللجنة الاستشارية لمشروع CLIC ، جنيف: سيرن، 1986 ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 2026-01-05
  28. ^ روبنهايمر، TO (2000). مصادم خطي بقدرة 3 TeV e+e− يعتمد على تقنية CLIC . جنيف. رقم ISBN 92-9083-168-5.{{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  29. ↑ جينزتون، إي إل؛ هانسن، دبليو دبليو؛ كينيدي، دبليو آر (1948-02-01). "مُسرِّع إلكتروني خطي" . مراجعة الأدوات العلمية . 19 (2): 89-108 . رمز Bibcode : 1948RScI...19...89G . doi : 10.1063/1.1741225 . ISSN 0034-6748 . PMID 18908606 .  
  30. ↑ ثويتس، دي آي وتوهي، جيه (2006). "العودة إلى المستقبل: تاريخ وتطور المعجل الخطي السريري". فيزياء الطب الحيوي . 51 (13): R343– R36 . doi : 10.1088/0031-9155/51/13/R20 . PMID 16790912. S2CID 7672187 .  
  31. ^ نج ، جون. جريجوتشي، فابيانا؛ بينيل، ريان T.؛ النجار، هيمانشو؛ الذهبي، Encouse B.؛ كنسلي ، جوناثان بس. سانفيليبو، نيكولاس ج.؛ فورمينتي ، سيلفيا سي. (27/01/2023). "MRI-LINAC: تقنية تحويلية في علاج الأورام بالإشعاع" . الحدود في علم الأورام . 13 1117874. دوى : 10.3389/fonc.2023.1117874 . ISSN 2234-943X . بمك 9911688 . بميد 36776309 .   
  32. ↑ غاهل وفلاغ (2009). مراجعة فنية لمولد النظائر المشعة ذي الهدف المحلول . إنتاج الموليبدينوم-99 بالانشطار دون الحرج. تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 يناير 2013.
  33. 1 2 بيشوف، ن. (2006). "مقدمة في مسرعات الترددات الراديوية الخطية" (ملف PDF) . مدرسة CAS - CERN للمسرعات: فيزياء المسرعات المتوسطة : 105-128 . doi : 10.5170/CERN-2006-002.105 . تاريخ الاسترجاع: 6 مارس 2025 .