مُسرِّع الجسيمات

مسرع الجسيمات هو جهاز يستخدم المجالات الكهرومغناطيسية لدفع الجسيمات المشحونة إلى سرعات وطاقات عالية جدًا لاحتوائها في حزم محددة جيدًا . ^{[1] [2]} تُستخدم المسرعات الصغيرة في الأبحاث الأساسية في فيزياء الجسيمات . تُستخدم المسرعات أيضًا كمصدر ضوء سنكروتروني لدراسة فيزياء المادة المكثفة . تُستخدم مسرعات الجسيمات الأصغر في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك العلاج بالجسيمات لأغراض الأورام ، وإنتاج النظائر المشعة للتشخيص الطبي، وزرع الأيونات لتصنيع أشباه الموصلات ، وأجهزة قياس كتلة المسرع لقياس النظائر النادرة مثل الكربون المشع .

تشمل المسرعات الكبيرة مصادم الأيونات الثقيلة النسبي في مختبر بروكهافن الوطني في نيويورك وأكبر مسرع، مصادم الهدرونات الكبير بالقرب من جنيف، سويسرا، والذي تديره سيرن . إنه مسرع تصادم ، يمكنه تسريع شعاعين من البروتونات إلى طاقة 6.5  تيرا إلكترون فولت ويتسبب في تصادمهما وجهاً لوجه، مما يخلق طاقات مركز كتلة تبلغ 13 تيرا إلكترون فولت. يوجد أكثر من 30000 مسرع قيد التشغيل في جميع أنحاء العالم. ^{[3] [4]}

هناك فئتان أساسيتان من المسرعات: المسرعات الكهروستاتيكية والمسرعات الكهروديناميكية (أو الكهرومغناطيسية). ^[5] تستخدم مسرعات الجسيمات الكهروستاتيكية المجالات الكهربائية الساكنة لتسريع الجسيمات. أكثر الأنواع شيوعًا هي مولد كوكروفت-والتون ومولد فان دي جراف . ومن الأمثلة الصغيرة لهذه الفئة أنبوب أشعة الكاثود في جهاز تلفزيون قديم عادي. يتم تحديد الطاقة الحركية التي يمكن تحقيقها للجسيمات في هذه الأجهزة من خلال جهد التسارع ، والذي يقتصر على الانهيار الكهربائي . من ناحية أخرى، تستخدم المسرعات الكهروديناميكية أو الكهرومغناطيسية مجالات كهرومغناطيسية متغيرة (إما الحث المغناطيسي أو حقول التردد اللاسلكي المتذبذبة ) لتسريع الجسيمات. نظرًا لأن الجسيمات في هذه الأنواع يمكن أن تمر عبر نفس مجال التسارع عدة مرات، فإن طاقة الخرج لا تقتصر على قوة مجال التسارع. هذه الفئة، التي تم تطويرها لأول مرة في عشرينيات القرن العشرين، هي الأساس لمعظم المسرعات الحديثة واسعة النطاق.

يُعتبر رولف فيدرو وغوستاف إيزينج وليو سزيلارد وماكس ستينبيك وإرنست لورانس من رواد هذا المجال، حيث قاموا بتصميم وبناء أول مسرع جسيمات خطي عملي ، ^[6] وهو البيتا ترون ، بالإضافة إلى السيكلوترون . ولأن هدف حزم الجسيمات في المسرعات المبكرة كان عادةً ذرات قطعة من المادة، وكان الهدف هو إنشاء تصادمات مع أنويتها من أجل التحقيق في البنية النووية، فقد أُطلق على المسرعات عادةً اسم محطمات الذرات في القرن العشرين. ^[7] لا يزال المصطلح قائمًا على الرغم من حقيقة أن العديد من المسرعات الحديثة تخلق تصادمات بين جسيمين دون ذريين ، بدلاً من جسيم ونواة ذرية. ^{[8] [9] [10]}

تعتبر حزم الجسيمات عالية الطاقة مفيدة للأبحاث الأساسية والتطبيقية في العلوم وأيضًا في العديد من المجالات التقنية والصناعية غير المرتبطة بالبحث الأساسي. ^[11] يوجد ما يقرب من 30000 مسرع في جميع أنحاء العالم؛ من بينها، حوالي 1٪ فقط هي آلات بحثية ذات طاقات أعلى من 1 جيجا إلكترون فولت ، بينما حوالي 44٪ مخصصة للعلاج الإشعاعي ، و41٪ لزرع الأيونات ، و9٪ للمعالجة الصناعية والبحث، و4٪ للأبحاث الطبية الحيوية وغيرها من الأبحاث منخفضة الطاقة. ^[12]

بالنسبة للاستفسارات الأكثر أساسية في ديناميكيات وبنية المادة والفضاء والزمان، يسعى الفيزيائيون إلى أبسط أنواع التفاعلات عند أعلى الطاقات الممكنة. وهذا يستلزم عادةً طاقات جسيمات تبلغ عدة جيجا إلكترون فولت، وتفاعلات أبسط أنواع الجسيمات: اللبتونات (مثل الإلكترونات والبوزيترونات) والكواركات للمادة، أو الفوتونات والغلونات لكمات المجال . ونظرًا لعدم توفر الكواركات المعزولة تجريبيًا بسبب حبس اللون ، فإن أبسط التجارب المتاحة تنطوي على تفاعلات، أولاً، اللبتونات مع بعضها البعض، وثانيًا، اللبتونات مع النيوكليونات ، والتي تتكون من كواركات وغلونات. لدراسة تصادمات الكواركات مع بعضها البعض، يلجأ العلماء إلى تصادمات النيوكليونات، والتي يمكن اعتبارها عند الطاقة العالية بمثابة تفاعلات ثنائية الجسم من الكواركات والغلونات التي تتكون منها. يميل علماء فيزياء الجسيمات الأولية إلى استخدام آلات لإنشاء حزم من الإلكترونات والبوزيترونات والبروتونات والبروتونات المضادة ، والتي تتفاعل مع بعضها البعض أو مع أبسط النوى (مثل الهيدروجين أو الديوتيريوم ) عند أعلى الطاقات الممكنة، والتي تصل عمومًا إلى مئات الجيجا إلكترون فولت أو أكثر.

أكبر مسرع للجسيمات وأعلى طاقة يستخدم في فيزياء الجسيمات الأولية هو مصادم الهدرونات الكبير (LHC) في سيرن ، والذي يعمل منذ عام 2009. ^[13]

قد يستخدم علماء الفيزياء النووية وعلماء الكون حزمًا من النوى الذرية العارية ، المجردة من الإلكترونات، للتحقيق في بنية وتفاعلات وخصائص النوى نفسها، والمادة المكثفة في درجات حرارة وكثافات عالية للغاية، كما حدث في اللحظات الأولى من الانفجار العظيم . غالبًا ما تنطوي هذه التحقيقات على تصادمات بين النوى الثقيلة - من الذرات مثل الحديد أو الذهب  - عند طاقات تبلغ عدة جيجا إلكترون فولت لكل نوكليون . أكبر مسرع للجسيمات من هذا النوع هو مصادم الأيونات الثقيلة النسبي (RHIC) في مختبر بروكهيفن الوطني .

يمكن لمسرعات الجسيمات أيضًا إنتاج حزم بروتونية، والتي يمكنها إنتاج نظائر طبية أو بحثية غنية بالبروتون على عكس النظائر الغنية بالنيوترونات المصنوعة في مفاعلات الانشطار ؛ ومع ذلك، فقد أظهرت الأعمال الأخيرة كيفية صنع ^99Mo ، المصنوع عادةً في المفاعلات، عن طريق تسريع نظائر الهيدروجين، ^[14] على الرغم من أن هذه الطريقة لا تزال تتطلب مفاعلًا لإنتاج التريتيوم . ومن الأمثلة على هذا النوع من الآلات جهاز LANSCE في مختبر لوس ألاموس الوطني .

تصدر الإلكترونات المنتشرة عبر مجال مغناطيسي حزم فوتونية شديدة السطوع ومتماسكة عبر إشعاع السنكروترون . وله استخدامات عديدة في دراسة البنية الذرية والكيمياء وفيزياء المادة المكثفة والأحياء والتكنولوجيا. يوجد عدد كبير من مصادر ضوء السنكروترون في جميع أنحاء العالم. ومن الأمثلة في الولايات المتحدة SSRL في مختبر SLAC الوطني للمسرعات ، وAPS في مختبر أرجون الوطني، وALS في مختبر لورانس بيركلي الوطني ، و NSLS-II في مختبر بروكهافن الوطني . وفي أوروبا، يوجد MAX IV في لوند، السويد، و BESSY في برلين، ألمانيا، و Diamond في أوكسفوردشاير، المملكة المتحدة، و ESRF في غرونوبل ، فرنسا، وقد تم استخدام الأخير لاستخراج صور ثلاثية الأبعاد مفصلة للحشرات المحاصرة في الكهرمان. ^[15]

الليزر ذو الإلكترونات الحرة (FELs) هو فئة خاصة من مصادر الضوء تعتمد على إشعاع السنكروترون الذي يوفر نبضات أقصر ذات تماسك زمني أعلى . يُعد الليزر ذو الإلكترونات الحرة المصمم خصيصًا المصدر الأكثر تألقًا للأشعة السينية في الكون المرئي. ^[16] ومن أبرز الأمثلة على ذلك ليزر LCLS في الولايات المتحدة و XFEL الأوروبي في ألمانيا. يتم لفت المزيد من الاهتمام نحو ليزر الأشعة السينية الناعمة ، والذي يفتح مع تقصير النبضات طرقًا جديدة لعلم الأتوثانية . ^[17] وبصرف النظر عن الأشعة السينية، تُستخدم ليزرات FELs لإصدار ضوء تيراهرتز ، على سبيل المثال FELIX في نيميخين، هولندا، وTELBE في دريسدن، ألمانيا وNovoFEL في نوفوسيبيرسك، روسيا.

ومن ثم، هناك طلب كبير على مسرعات الإلكترون ذات الطاقة المعتدلة ( GeV )، والكثافة العالية، وجودة الشعاع العالية لتشغيل مصادر الضوء.

من الأمثلة اليومية لمسرعات الجسيمات أنابيب أشعة الكاثود الموجودة في أجهزة التلفاز ومولدات الأشعة السينية . تستخدم هذه المسرعات منخفضة الطاقة زوجًا واحدًا من الأقطاب الكهربائية بجهد تيار مستمر يبلغ بضعة آلاف من الفولتات بينهما. في مولد الأشعة السينية، يكون الهدف نفسه أحد الأقطاب الكهربائية. يتم استخدام مسرع جسيمات منخفض الطاقة يسمى مزروع الأيونات في تصنيع الدوائر المتكاملة .

عند الطاقات المنخفضة، تُستخدم حزم النوى المتسارعة أيضًا في الطب كعلاج للجسيمات ، لعلاج السرطان.

أنواع مسرعات التيار المباشر القادرة على تسريع الجسيمات إلى سرعات كافية لإحداث تفاعلات نووية هي مولدات كوكروفت-والتون أو مضاعفات الجهد ، والتي تحول التيار المتردد إلى تيار مستمر عالي الجهد، أو مولدات فان دي جراف التي تستخدم الكهرباء الساكنة التي تحملها الأحزمة.

تُستخدم معالجة حزمة الإلكترونات بشكل شائع في التعقيم. تُعد حزم الإلكترونات تقنية تشغيل وإيقاف توفر معدل جرعة أعلى بكثير من أشعة جاما أو الأشعة السينية المنبعثة من النظائر المشعة مثل الكوبالت 60 ( Co ⁶⁰ ) أو السيزيوم 137 ( Cs ¹³⁷ ). نظرًا لمعدل الجرعة الأعلى، يلزم وقت تعرض أقل ويتم تقليل تحلل البوليمر. نظرًا لأن الإلكترونات تحمل شحنة، فإن حزم الإلكترونات أقل اختراقًا من أشعة جاما والأشعة السينية. ^[18]

تاريخيًا، استخدمت المسرعات الأولى تقنية بسيطة لجهد عالٍ ثابت واحد لتسريع الجسيمات المشحونة. تم تسريع الجسيم المشحون من خلال أنبوب مفرغ من الهواء مع قطب كهربائي في كل طرف، مع وجود جهد ثابت عبره. نظرًا لأن الجسيم مر مرة واحدة فقط عبر فرق الجهد، فقد اقتصرت طاقة الخرج على جهد تسريع الآلة. في حين أن هذه الطريقة لا تزال شائعة للغاية اليوم، مع تفوق المسرعات الكهروستاتيكية بشكل كبير على أي نوع آخر، إلا أنها أكثر ملاءمة لدراسات الطاقة المنخفضة نظرًا لحد الجهد العملي الذي يبلغ حوالي 1 ميجا فولت للآلات المعزولة بالهواء، أو 30 ميجا فولت عندما يتم تشغيل المسرع في خزان من الغاز المضغوط بقوة عازلة عالية ، مثل سداسي فلوريد الكبريت . في المسرع الترادف، يتم استخدام الجهد مرتين لتسريع الجسيمات، عن طريق عكس شحنة الجسيمات أثناء وجودها داخل الطرف. هذا ممكن من خلال تسريع النوى الذرية باستخدام الأنيونات ( أيونات مشحونة سلبًا )، ثم تمرير الشعاع عبر رقاقة رقيقة لتجريد الإلكترونات من الأنيونات داخل الطرف عالي الجهد، وتحويلها إلى كاتيونات (أيونات مشحونة إيجابيا)، والتي يتم تسريعها مرة أخرى عند مغادرتها الطرف.

النوعان الرئيسيان من المسرعات الكهروستاتيكية هما مسرع كوكروفت-والتون ، الذي يستخدم مضاعف جهد ثنائي مكثف لإنتاج جهد عالي، ومسرع فان دي جراف ، الذي يستخدم حزامًا متحركًا من القماش لنقل الشحنة إلى القطب الكهربائي عالي الجهد. على الرغم من أن المسرعات الكهروستاتيكية تعمل على تسريع الجسيمات على طول خط مستقيم، إلا أن مصطلح المسرع الخطي يُستخدم غالبًا للمسرعات التي تستخدم المجالات الكهربائية المتذبذبة بدلاً من المجالات الكهربائية الساكنة.

بسبب سقف الجهد العالي المفروض بواسطة التفريغ الكهربائي، من أجل تسريع الجسيمات إلى طاقات أعلى، يتم استخدام تقنيات تتضمن مجالات ديناميكية بدلاً من المجالات الثابتة. يمكن أن ينشأ التسارع الكهروديناميكي من أي من آليتين: الحث المغناطيسي غير الرنان ، أو الدوائر الرنانة أو التجاويف المثارة بواسطة حقول التردد اللاسلكي المتذبذبة (RF). ^[19] يمكن أن تكون المسرعات الكهروديناميكية خطية ، مع تسارع الجسيمات في خط مستقيم، أو دائرية ، باستخدام المجالات المغناطيسية لثني الجسيمات في مدار دائري تقريبًا.

تعمل مسرعات الحث المغناطيسي على تسريع الجسيمات عن طريق الحث من مجال مغناطيسي متزايد، كما لو كانت الجسيمات عبارة عن لفات ثانوية في محول. يخلق المجال المغناطيسي المتزايد مجالًا كهربائيًا دائريًا يمكن تهيئته لتسريع الجسيمات. يمكن أن تكون مسرعات الحث خطية أو دائرية.

تستخدم مسرعات الحث الخطي تجاويف حثية غير رنانية محملة بالفيريت. يمكن تصور كل تجويف على أنه قرصان كبيران على شكل غسالة متصلان بأنبوب أسطواني خارجي. بين القرصين يوجد حلقة فيريت. يتسبب نبض الجهد المطبق بين القرصين في زيادة المجال المغناطيسي الذي يربط الطاقة بشكل حثي بحزمة الجسيمات المشحونة. ^[20]

تم اختراع مسرع الحث الخطي بواسطة كريستوفيلوس في الستينيات. ^[21] مسرعات الحث الخطي قادرة على تسريع تيارات شعاعية عالية جدًا (>1000 أمبير) في نبضة قصيرة واحدة. وقد تم استخدامها لتوليد الأشعة السينية للتصوير الشعاعي السريع (على سبيل المثال DARHT في LANL )، وتم اعتبارها حاقنات للجسيمات للاندماج بالاحتواء المغناطيسي وكمحركات لليزر الإلكترون الحر .

البيتاترون هو مسرع دائري يعمل بالحث المغناطيسي، اخترعه دونالد كيرست عام 1940 لتسريع الإلكترونات . نشأ المفهوم في النهاية من العالم النرويجي الألماني رولف فيدرو . ^{[22] [23] تستخدم هذه الآلات، مثل السنكروترونات} ، مغناطيسًا حلقيًا على شكل دونات (انظر أدناه) مع مجال B متزايد دوريًا، ولكنها تعمل على تسريع الجسيمات عن طريق الحث من المجال المغناطيسي المتزايد، كما لو كانت اللف الثانوي في المحول، بسبب التدفق المغناطيسي المتغير عبر المدار. ^{[24] [25]}

إن تحقيق نصف قطر مداري ثابت مع توفير المجال الكهربائي المتسارع المناسب يتطلب أن يكون التدفق المغناطيسي الذي يربط المدار مستقلاً إلى حد ما عن المجال المغناطيسي في المدار، مما يؤدي إلى ثني الجسيمات في منحنى نصف قطر ثابت. وقد كانت هذه الآلات محدودة عمليًا بسبب الخسائر الإشعاعية الكبيرة التي تعاني منها الإلكترونات التي تتحرك بسرعة تقترب من سرعة الضوء في مدار نصف قطره صغير نسبيًا.

في مسرع الجسيمات الخطي (linac)، يتم تسريع الجسيمات في خط مستقيم مع وجود هدف مهم في أحد طرفيه. وغالبًا ما تُستخدم لتوفير دفعة أولية منخفضة الطاقة للجسيمات قبل حقنها في مسرعات دائرية. أطول مسرع خطي في العالم هو مسرع ستانفورد الخطي (SLAC)، والذي يبلغ طوله 3 كم (1.9 ميل). كان SLAC في الأصل عبارة عن تصادم إلكترون - بوزيترون ولكنه الآن عبارة عن ليزر إلكترون حر بالأشعة السينية .

تستخدم المسرعات الخطية عالية الطاقة مجموعة خطية من الألواح (أو أنابيب الانجراف) التي يتم تطبيق مجال متناوب عالي الطاقة عليها. عندما تقترب الجسيمات من لوح ما، يتم تسريعها نحوه بواسطة شحنة ذات قطبية معاكسة يتم تطبيقها على اللوح. عندما تمر الجسيمات عبر ثقب في اللوح، يتم تبديل القطبية بحيث تتنافر الألواح معها وتتسارع بواسطتها نحو اللوح التالي. عادة ما يتم تسريع تيار من "مجموعات" الجسيمات، لذلك يتم تطبيق جهد تيار متردد يتم التحكم فيه بعناية على كل لوح لتكرار هذه العملية باستمرار لكل مجموعة.

عندما تقترب الجسيمات من سرعة الضوء، يصبح معدل تبديل المجالات الكهربائية مرتفعًا للغاية بحيث تعمل بترددات الراديو ، ولهذا السبب يتم استخدام تجاويف الميكروويف في الآلات ذات الطاقة العالية بدلاً من الألواح البسيطة.

تُستخدم المعجلات الخطية أيضًا على نطاق واسع في الطب ، في العلاج الإشعاعي والجراحة الإشعاعية . تعمل المعجلات الخطية الطبية على تسريع الإلكترونات باستخدام كليسترون وترتيب معقد من المغناطيس المنحني الذي ينتج شعاعًا من الطاقة6–30  ميجا إلكترون فولت . يمكن استخدام الإلكترونات بشكل مباشر أو يمكن تصادمها مع هدف لإنتاج حزمة من الأشعة السينية . لقد حلت موثوقية ومرونة ودقة حزمة الإشعاع المنتجة إلى حد كبير محل الاستخدام القديم لعلاج الكوبالت 60 كأداة علاج.

في المعجل الدائري، تتحرك الجسيمات في دائرة حتى تصل إلى طاقة كافية. وعادةً ما ينحني مسار الجسيم إلى شكل دائري باستخدام المغناطيسات الكهربائية . وتتمثل ميزة المعجلات الدائرية على المعجلات الخطية في أن طوبولوجيا الحلقة تسمح بالتسارع المستمر، حيث يمكن للجسيم أن ينتقل إلى ما لا نهاية. وتتمثل ميزة أخرى في أن المعجل الدائري أصغر من المعجل الخطي ذي القدرة المماثلة (أي أن المعجل الخطي يجب أن يكون طويلاً للغاية ليكون له القدرة المكافئة للمعجل الدائري).

اعتمادًا على الطاقة والجسيم الذي يتم تسريعه، تعاني المسرعات الدائرية من عيب يتمثل في أن الجسيمات تصدر إشعاعًا سنكروترونيًا . عندما يتم تسريع أي جسيم مشحون، فإنه يصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا وانبعاثات ثانوية . نظرًا لأن الجسيم المتحرك في دائرة يتسارع دائمًا نحو مركز الدائرة، فإنه يشع باستمرار نحو مماس الدائرة. يُطلق على هذا الإشعاع ضوء السنكروترون ويعتمد بشكل كبير على كتلة الجسيم المتسارع. لهذا السبب، فإن العديد من مسرعات الإلكترون عالية الطاقة عبارة عن مسرعات خطية. ومع ذلك، يتم بناء بعض المسرعات ( السينكروترونات ) خصيصًا لإنتاج ضوء السنكروترون ( الأشعة السينية ).

نظرًا لأن النظرية النسبية الخاصة تتطلب أن تتحرك المادة دائمًا بسرعة أبطأ من سرعة الضوء في الفراغ ، ففي مسرعات الطاقة العالية، مع زيادة الطاقة تقترب سرعة الجسيم من سرعة الضوء كحد، لكنها لا تصل إليها أبدًا. لذلك، لا يفكر علماء فيزياء الجسيمات عمومًا من حيث السرعة، بل من حيث طاقة الجسيم أو زخمه ، والتي تقاس عادةً بوحدة فولت الإلكترون (eV). أحد المبادئ المهمة للمسرعات الدائرية وحزم الجسيمات بشكل عام هو أن انحناء مسار الجسيم يتناسب مع شحنة الجسيم والمجال المغناطيسي، ولكنه يتناسب عكسيًا مع الزخم ( النسبي عادةً ) .

كانت أقدم المسرعات الدائرية التشغيلية هي السيكلوترونات ، التي اخترعها إرنست لورانس عام 1929 في جامعة كاليفورنيا، بيركلي . تحتوي السيكلوترونات على زوج واحد من الصفائح المجوفة على شكل حرف D لتسريع الجسيمات ومغناطيس ثنائي القطب كبير واحد لثني مسارها في مدار دائري. إنها خاصية مميزة للجسيمات المشحونة في مجال مغناطيسي ثابت وموحد B أنها تدور بفترة ثابتة، بتردد يسمى تردد السيكلوترون ، طالما أن سرعتها صغيرة مقارنة بسرعة الضوء c . وهذا يعني أنه يمكن تشغيل D المتسارعة للسيكلوترون بتردد ثابت بواسطة مصدر طاقة تسريع التردد اللاسلكي، حيث يدور الشعاع إلى الخارج باستمرار. يتم حقن الجسيمات في وسط المغناطيس ويتم استخراجها عند الحافة الخارجية بأقصى طاقتها.

تصل السيكلوترونات إلى حد الطاقة بسبب التأثيرات النسبية حيث تصبح الجسيمات أكثر ضخامة بشكل فعال، بحيث ينخفض ​​تردد السيكلوترون الخاص بها عن التزامن مع RF المتسارع. لذلك، يمكن للسيكلوترونات البسيطة تسريع البروتونات فقط إلى طاقة تبلغ حوالي 15 مليون فولت إلكترون (15 ميجا إلكترون فولت، وهو ما يتوافق مع سرعة تقارب 10٪ من c )، لأن البروتونات تخرج عن الطور مع المجال الكهربائي المحرك. إذا تم تسريعها أكثر، فإن الشعاع سيستمر في الدوران للخارج إلى نصف قطر أكبر ولكن الجسيمات لن تكتسب سرعة كافية لإكمال الدائرة الأكبر بالتزامن مع RF المتسارع. لاستيعاب التأثيرات النسبية، يجب زيادة المجال المغناطيسي إلى أقطار أعلى كما هو الحال في السيكلوترونات المتزامنة . مثال على السيكلوترون المتزامن هو سيكلوترون PSI Ring في سويسرا، والذي يوفر البروتونات عند طاقة 590 ميجا إلكترون فولت والتي تتوافق مع حوالي 80٪ من سرعة الضوء. تتمثل ميزة هذا السيكلوترون في أقصى تيار يمكن الحصول عليه من البروتون المستخرج والذي يبلغ حاليًا 2.2 مللي أمبير. تتوافق الطاقة والتيار مع طاقة شعاع تبلغ 1.3 ميجاوات وهي الأعلى بين أي مسرع موجود حاليًا.

يمكن تعديل السيكلوترون الكلاسيكي لزيادة حد طاقته. كان النهج الأول تاريخيًا هو السيكلوترون المتزامن، الذي يسرع الجسيمات في مجموعات. يستخدم مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا ، لكنه يقلل من تردد مجال التسارع للحفاظ على الجسيمات في خطوة واحدة أثناء دورانها للخارج، بما يتوافق مع تردد رنين السيكلوترون المعتمد على الكتلة . يعاني هذا النهج من انخفاض متوسط ​​شدة الشعاع بسبب التكتل، ومرة ​​أخرى من الحاجة إلى مغناطيس ضخم بنصف قطر كبير وحقل ثابت فوق المدار الأكبر الذي تتطلبه الطاقة العالية. ${\displaystyle B}$

النهج الثاني لمشكلة تسريع الجسيمات النسبية هو السيكلوترون المتزامن . في مثل هذا الهيكل، يتم الحفاظ على تردد المجال المتسارع (وتردد رنين السيكلوترون) ثابتًا لجميع الطاقات عن طريق تشكيل أقطاب المغناطيس بحيث يزداد المجال المغناطيسي بنصف القطر. وبالتالي، يتم تسريع جميع الجسيمات في فترات زمنية متزامنة . تقطع الجسيمات ذات الطاقة الأعلى مسافة أقصر في كل مدار مما كانت لتقطعه في السيكلوترون الكلاسيكي، وبالتالي تظل في طور مع المجال المتسارع. تتمثل ميزة السيكلوترون المتزامن في أنه يمكنه توصيل حزم مستمرة ذات كثافة متوسطة أعلى، وهو أمر مفيد لبعض التطبيقات. العيوب الرئيسية هي حجم وتكلفة المغناطيس الكبير المطلوب، والصعوبة في تحقيق قيم المجال المغناطيسي العالية المطلوبة عند الحافة الخارجية للهيكل.

لم يتم بناء السيكلوترونات المتزامنة منذ تطوير السيكلوترون المتزامن.

للوصول إلى طاقات أعلى، مع كتلة نسبية تقترب من كتلة سكون الجسيمات أو تتجاوزها (بالنسبة للبروتونات، مليارات فولت الإلكترون أو GeV )، من الضروري استخدام السنكروترون . هذا هو مسرع يتم فيه تسريع الجسيمات في حلقة بنصف قطر ثابت. الميزة المباشرة على السيكلوترونات هي أن المجال المغناطيسي يحتاج فقط إلى أن يكون موجودًا فوق المنطقة الفعلية لمدارات الجسيمات، والتي تكون أضيق بكثير من مجال الحلقة. (أكبر سيكلوترون تم بناؤه في الولايات المتحدة كان له قطب مغناطيسي يبلغ قطره 184 بوصة (4.7 متر)، في حين أن قطر السنكروترونات مثل LEP و LHC يبلغ حوالي 10 كم. فتحة الشعاعين في LHC من حوالي سنتيمتر واحد.) يحتوي LHC على 16 تجويف RF، و 1232 مغناطيس ثنائي القطب فائق التوصيل لتوجيه الشعاع، و 24 رباعي القطب لتركيز الشعاع. ^[26] حتى بهذا الحجم، فإن LHC محدودة بقدرتها على توجيه الجسيمات دون أن تنجرف. ومن المفترض أن يحدث هذا الحد عند 14 تيرا إلكترون فولت. ^[27]

ولكن بما أن زخم الجسيمات يتزايد أثناء التسارع، فمن الضروري زيادة المجال المغناطيسي B بما يتناسب مع الحفاظ على انحناء ثابت للمدار. ونتيجة لهذا، لا تستطيع السنكروترونات تسريع الجسيمات باستمرار، كما تفعل السيكلوترونات، بل يتعين عليها أن تعمل بشكل دوري، فتمد الجسيمات في مجموعات، يتم توصيلها إلى هدف أو شعاع خارجي في "انسكابات" شعاعية عادة كل بضع ثوان.

نظرًا لأن السنكروترونات عالية الطاقة تقوم بمعظم عملها على جسيمات تسافر بالفعل بسرعة تقترب من سرعة الضوء ، فإن الوقت اللازم لإكمال مدار واحد من الحلقة يكون ثابتًا تقريبًا، كما هو الحال مع تردد مرنانات تجويف التردد اللاسلكي المستخدمة لدفع التسارع.

في السنكروترونات الحديثة، تكون فتحة الشعاع صغيرة ولا يغطي المجال المغناطيسي كامل مساحة مدار الجسيم كما يفعل في السيكلوترون، لذا يمكن فصل العديد من الوظائف الضرورية. فبدلاً من مغناطيس ضخم واحد، يكون هناك خط من مئات المغناطيسات المنحنية، التي تحيط (أو تُحاط) بأنابيب توصيل مفرغة. وقد حدث ثورة في تصميم السنكروترونات في أوائل الخمسينيات من القرن العشرين مع اكتشاف مفهوم التركيز القوي . ^{[28] [29] [30]} يتم التعامل مع تركيز الشعاع بشكل مستقل بواسطة مغناطيسات رباعية الأقطاب متخصصة ، بينما يتم إنجاز التسارع نفسه في أقسام RF منفصلة، ​​تشبه إلى حد كبير المعجلات الخطية القصيرة. ^[31] أيضًا، ليس هناك ضرورة لأن تكون الآلات الدورية دائرية، بل قد يكون لأنبوب الشعاع أقسام مستقيمة بين المغناطيسات حيث قد تصطدم الحزم، أو تبرد، وما إلى ذلك. وقد تطور هذا إلى موضوع منفصل بالكامل، يُسمى "فيزياء الشعاع" أو "بصريات الشعاع". ^[32]

قد تقوم السنكروترونات الحديثة الأكثر تعقيدًا مثل Tevatron و LEP وLHC بتوصيل حزم الجسيمات إلى حلقات تخزين من المغناطيسات ذات المجال المغناطيسي الثابت، حيث يمكنها الاستمرار في الدوران لفترات طويلة للتجريب أو المزيد من التسارع. إن الآلات ذات الطاقة الأعلى مثل Tevatron وLHC هي في الواقع مجمعات مسرعات، مع سلسلة من العناصر المتخصصة في سلسلة، بما في ذلك المسرعات الخطية لإنشاء الشعاع الأولي، وسنكروترون واحد أو أكثر منخفض الطاقة للوصول إلى الطاقة المتوسطة، وحلقات التخزين حيث يمكن تجميع الحزم أو "تبريدها" (تقليل فتحة المغناطيس المطلوبة والسماح بالتركيز بشكل أضيق؛ انظر تبريد الشعاع )، وحلقة كبيرة أخيرة للتسريع النهائي والتجريب.

لقد فقدت مسرعات الإلكترون الدائرية بعضًا من شعبيتها في فيزياء الجسيمات في الوقت الذي تم فيه بناء مسرع الجسيمات الخطي SLAC ، لأن خسائر السنكروترون الخاصة بها كانت تعتبر باهظة التكلفة ولأن شدة شعاعها كانت أقل من الآلات الخطية غير النبضية. كان مسرع الإلكترون كورنيل ، الذي تم بناؤه بتكلفة منخفضة في أواخر السبعينيات، هو الأول في سلسلة من مسرعات الإلكترون الدائرية عالية الطاقة التي تم بناؤها لفيزياء الجسيمات الأساسية، وكان آخرها LEP ، الذي تم بناؤه في سيرن، والذي تم استخدامه من عام 1989 حتى عام 2000.

لقد تم بناء عدد كبير من السنكروترونات الإلكترونية خلال العقدين الماضيين، كجزء من مصادر ضوء السنكروترون التي تصدر الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية؛ انظر أدناه.

تم بناء بعض المسرعات الدائرية لتوليد إشعاع (يسمى ضوء السنكروترون ) بشكل متعمد مثل الأشعة السينية التي تسمى أيضًا إشعاع السنكروترون، على سبيل المثال مصدر الضوء الماسي الذي تم بناؤه في مختبر رذرفورد أبلتون في إنجلترا أو مصدر الفوتون المتقدم في مختبر أرجون الوطني في إلينوي بالولايات المتحدة الأمريكية. تعد الأشعة السينية عالية الطاقة مفيدة في التحليل الطيفي بالأشعة السينية للبروتينات أو البنية الدقيقة لامتصاص الأشعة السينية (XAFS)، على سبيل المثال.

تنبعث إشعاعات السنكروترون بقوة أكبر من الجسيمات الأخف وزنًا، لذا فإن هذه المسرعات هي في العادة مسرعات إلكترونية . تسمح إشعاعات السنكروترون بتصوير أفضل كما تم البحث والتطوير في SPEAR التابع لـ SLAC .

مسرعات التدرج المتناوب ذات المجال الثابت (FFA) ، حيث يسمح المجال المغناطيسي الثابت في الوقت، ولكن مع اختلاف شعاعي لتحقيق التركيز القوي ، بتسريع الشعاع بمعدل تكرار مرتفع ولكن في انتشار شعاعي أصغر بكثير مما هو عليه في حالة السيكلوترون. تحقق مسرعات التدرج المتناوب ذات المجال الثابت، مثل السيكلوترونات المتناوبة، تشغيل الشعاع المستمر، ولكن دون الحاجة إلى مغناطيس ثني ثنائي القطب ضخم يغطي نصف قطر المدارات بالكامل. تمت تغطية بعض التطورات الجديدة في مسرعات التدرج المتناوب في. ^[33]

الرودوترون هو مسرع إلكترون صناعي اقترحه لأول مرة في عام 1987 ج. بوتييه من وكالة الطاقة الذرية الفرنسية (CEA) ، ^[34] وتصنعه شركة Ion Beam Applications البلجيكية . وهو يسرع الإلكترونات عن طريق إعادة تدويرها عبر قطر تجويف ترددات راديوية على شكل أسطوانة. يحتوي الرودوترون على مسدس إلكترون، ينبعث منه شعاع إلكترون ينجذب إلى عمود في وسط التجويف. يحتوي العمود على ثقوب يمكن للإلكترونات المرور من خلالها. يمر شعاع الإلكترون عبر العمود عبر أحد هذه الثقوب ثم ينتقل عبر ثقب في جدار التجويف، ويلتقي بمغناطيس منحني، ثم ينحني الشعاع ويرسل مرة أخرى إلى التجويف، إلى ثقب آخر في العمود، ثم تمر الإلكترونات مرة أخرى عبر العمود وتمر عبر جزء آخر من جدار التجويف وإلى مغناطيس منحني آخر، وهكذا، مما يزيد تدريجيًا من طاقة الشعاع حتى يُسمح له بالخروج من التجويف للاستخدام. قد تكون الأسطوانة والعمود مبطنة بالنحاس من الداخل. ^{[35] [36] [37]}

كان قطر أول سيكلوترون صنعه إرنست لورانس 4 بوصات (100 ملم) فقط. وفي وقت لاحق، في عام 1939، بنى جهازًا بقطر قطب يبلغ 60 بوصة، وخطط لجهاز آخر بقطر 184 بوصة في عام 1942، ولكن تم الاستيلاء عليه للعمل المتعلق بالحرب العالمية الثانية المتعلق بفصل نظائر اليورانيوم ؛ وبعد الحرب استمر في الخدمة لأغراض البحث والطب لسنوات عديدة.

كان أول سنكروترون بروتون كبير هو كوزموترون في مختبر بروكهافن الوطني ، والذي قام بتسريع البروتونات إلى حوالي 3  جيجا إلكترون فولت (1953-1968). تم تصميم Bevatron في بيركلي، الذي اكتمل في عام 1954، خصيصًا لتسريع البروتونات إلى طاقة كافية لإنشاء مضادات البروتونات ، والتحقق من تماثل الجسيمات والجسيمات المضادة للطبيعة، والذي تم وضعه نظريًا في ذلك الوقت فقط. كان السنكروترون المتدرج المتناوب (AGS) في بروكهافن (1960-) أول سنكروترون كبير بتدرج متناوب، ومغناطيسات " تركيز قوي "، مما قلل بشكل كبير من الفتحة المطلوبة للشعاع، وبالتالي حجم وتكلفة مغناطيسات الانحناء. كان السنكروترون البروتوني ، الذي تم بناؤه في سيرن (1959-)، أول معجل جسيمات أوروبي رئيسي ومماثل بشكل عام لـ AGS.

بدأ تشغيل مسرع ستانفورد الخطي (SLAC) في عام 1966، حيث قام بتسريع الإلكترونات إلى 30 جيجا إلكترون فولت في موجه طوله 3 كم، مدفون في نفق ومدعوم بمئات الكليسترونات الكبيرة . ولا يزال أكبر مسرع خطي موجود، وقد تم ترقيته بإضافة حلقات تخزين ومنشأة تصادم الإلكترونات والبوزيترونات. وهو أيضًا مصدر فوتون سينكروتروني بالأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية.

يحتوي مختبر فيرميلاب تيڤاترون على حلقة يبلغ طول مسار شعاعها 4 أميال (6.4 كم). وقد تلقى العديد من الترقيات، وعمل كمصادم بروتون-بروتون مضاد حتى تم إغلاقه بسبب تخفيضات الميزانية في 30 سبتمبر 2011. وكان أكبر مسرع دائري تم بناؤه على الإطلاق هو السنكروترون LEP في سيرن بمحيط 26.6 كيلومترًا، والذي كان عبارة عن مصادم إلكترون/ بوزيترون . حقق طاقة 209 جيجا إلكترون فولت قبل تفكيكه في عام 2000 حتى يمكن استخدام النفق في مصادم الهدرونات الكبير (LHC). يعد LHC مصادم بروتون، وهو حاليًا أكبر مسرع وأعلى طاقة في العالم، حيث يحقق طاقة 6.5 تيرا إلكترون فولت لكل شعاع (13 تيرا إلكترون فولت في المجموع).

كان محيط المصادم الفائق الموصلية الفائق الذي أُجهض في تكساس يبلغ 87 كيلومترًا. بدأ البناء في عام 1991، لكنه توقف في عام 1993. يتم بناء مسرعات دائرية كبيرة جدًا دائمًا في أنفاق يبلغ عرضها بضعة أمتار لتقليل الاضطراب وتكلفة بناء مثل هذا الهيكل على السطح، وتوفير الحماية ضد الإشعاعات الثانوية الشديدة التي تحدث، والتي تخترق بشكل كبير عند الطاقات العالية.

تتضمن المسرعات الحالية، مثل مصدر النيوترونات المتشققة ، وحدات تبريد فائقة التوصيل . كما يستخدم مصادم الأيونات الثقيلة النسبي ومصادم الهدرونات الكبير أيضًا مغناطيسات فائقة التوصيل ومرنانات تجويف التردد الراديوي لتسريع الجسيمات.

يمكن توجيه مخرجات مسرع الجسيمات بشكل عام نحو خطوط متعددة من التجارب، خط واحد في وقت معين، عن طريق مغناطيس كهربائي منحرف . وهذا يجعل من الممكن إجراء تجارب متعددة دون الحاجة إلى تحريك الأشياء أو إيقاف تشغيل شعاع المسرع بالكامل. باستثناء مصادر إشعاع السنكروترون، فإن الغرض من المسرع هو توليد جزيئات عالية الطاقة للتفاعل مع المادة.

عادة ما يكون هذا هدفًا ثابتًا، مثل طلاء الفوسفور الموجود على ظهر الشاشة في حالة أنبوب التلفزيون؛ أو قطعة من اليورانيوم في مسرع مصمم كمصدر للنيوترونات؛ أو هدف من التنغستن لمولد الأشعة السينية. في المسرع الخطي، يتم تثبيت الهدف ببساطة في نهاية المسرع. يكون مسار الجسيمات في السيكلوترون حلزونيًا إلى الخارج من مركز الآلة الدائرية، وبالتالي تخرج الجسيمات المتسارعة من نقطة ثابتة كما هو الحال في المسرع الخطي.

بالنسبة للمسرعات السنكروترونية، يكون الوضع أكثر تعقيدًا. يتم تسريع الجسيمات إلى الطاقة المطلوبة. ثم يتم استخدام مغناطيس ثنائي القطب سريع الحركة لتحريك الجسيمات خارج أنبوب المسرع الدائري نحو الهدف.

أحد الاختلافات المستخدمة بشكل شائع في أبحاث فيزياء الجسيمات هو المصادم ، ويُسمى أيضًا مصادم حلقات التخزين . يتم بناء اثنين من السنكروترونات الدائرية على مقربة من بعضها البعض - عادةً فوق بعضها البعض وباستخدام نفس المغناطيسات (والتي تكون ذات تصميم أكثر تعقيدًا لاستيعاب أنبوبي الشعاع). تنتقل مجموعات الجسيمات في اتجاهين متعاكسين حول المعجلين وتتصادم عند التقاطعات بينهما. يمكن أن يؤدي هذا إلى زيادة الطاقة بشكل هائل؛ بينما في تجربة الهدف الثابت تكون الطاقة المتاحة لإنتاج جزيئات جديدة متناسبة مع الجذر التربيعي لطاقة الشعاع، في المصادم تكون الطاقة المتاحة خطية.

تجمع أجهزة الكشف أدلة حول الجسيمات بما في ذلك سرعتها وشحنتها. وباستخدام هذه الأدلة، يستطيع العلماء العمل على الجسيم. إن عملية الكشف معقدة للغاية وتتطلب مغناطيسات كهربائية قوية ومسرعات لتوليد معلومات كافية قابلة للاستخدام.

هذا القسم فارغ. يمكنك المساعدة بإضافة معلومات إليه. ( سبتمبر 2024 )

في الوقت الحاضر، فإن أعلى مسرعات الطاقة هي كلها مصادمات دائرية، ولكن كل من مسرعات الهدرونات ومسرعات الإلكترونات تعمل على الوصول إلى حدودها. سوف تتطلب مسرعات الهدرونات والأيونات الدائرية ذات الطاقة الأعلى أنفاق مسرعات ذات حجم فيزيائي أكبر بسبب زيادة صلابة الشعاع .

بالنسبة لمسرعات الإلكترونات الدورية، يتم وضع حد لنصف قطر الانحناء العملي من خلال خسائر إشعاع السنكروترون ومن المحتمل أن يكون الجيل التالي عبارة عن مسرعات خطية يبلغ طولها 10 أضعاف الطول الحالي. ومن الأمثلة على مثل هذا الجيل التالي من مسرعات الإلكترون هو المصادم الخطي الدولي المقترح بطول 40 كم .

يُعتقد أن تسريع حقل البلازما في هيئة "حارقات لاحقة" لحزمة الإلكترونات ونبضات ليزر مستقلة قد تكون قادرة على توفير زيادات هائلة في الكفاءة مقارنة بمسرعات التردد الراديوي في غضون عقدين إلى ثلاثة عقود. في مسرعات حقل البلازما، يتم ملء تجويف الشعاع بالبلازما (بدلاً من الفراغ). تشكل نبضة قصيرة من الإلكترونات أو ضوء الليزر الجسيمات التي يتم تسريعها أو تسبقها مباشرة. تعمل النبضة على تعطيل البلازما، مما يتسبب في اندماج الجسيمات المشحونة في البلازما والتحرك نحو الجزء الخلفي من مجموعة الجسيمات التي يتم تسريعها. تنقل هذه العملية الطاقة إلى مجموعة الجسيمات، مما يؤدي إلى تسريعها بشكل أكبر، وتستمر طالما كانت النبضة متماسكة. ^[38]

تم تحقيق تدرجات طاقة شديدة الانحدار تصل إلى 200 جيجا إلكترون فولت/متر على مسافات بمقياس المليمتر باستخدام نبضات الليزر ^[39] ويتم إنتاج تدرجات تقترب من 1 جيجا إلكترون فولت/متر على مقياس متعدد السنتيمترات باستخدام أنظمة حزم الإلكترون، على النقيض من حد يبلغ حوالي 0.1 جيجا إلكترون فولت/متر لتسريع الترددات الراديوية وحدها. يمكن لمسرعات الإلكترون الحالية مثل SLAC استخدام حارقات لاحقة لحزم الإلكترون لزيادة طاقة حزم الجسيمات الخاصة بها بشكل كبير، على حساب شدة الشعاع. يمكن لأنظمة الإلكترون بشكل عام توفير حزم موثوقة ومتوازية بإحكام؛ قد توفر أنظمة الليزر المزيد من الطاقة والاكتناز. وبالتالي، يمكن استخدام مسرعات حقل اليقظة البلازمية - إذا أمكن حل المشكلات الفنية - لزيادة الحد الأقصى لطاقة أكبر المسرعات ولإحضار الطاقات العالية إلى مختبرات الجامعات والمراكز الطبية.

تم تحقيق تدرجات أعلى من 0.25 جيجا إلكترون فولت/متر بواسطة مسرع الليزر العازل، ^[40] والذي قد يقدم نهجًا آخر قابلاً للتطبيق لبناء مسرعات عالية الطاقة ومضغوطة. ^[41] باستخدام نبضات الليزر ذات مدة الفيمتوثانية، تم تسجيل تدرج تسريع الإلكترون 0.69 جيجا إلكترون فولت/متر لمسرعات الليزر العازلة. ^[42] تدرجات أعلى من رتبةومن المتوقع أن تتراوح الطاقة من 1 إلى 6 جيجا إلكترون فولت/متر بعد المزيد من التحسينات. ^[43]

تشتمل مفاهيم المسرعات المتقدمة على طرق تسريع الشعاع بتدرجات تتجاوز أحدث التقنيات في المرافق التشغيلية. ويشمل ذلك طرق التشخيص وتكنولوجيا التوقيت والاحتياجات الخاصة للحاقنات ومطابقة الشعاع وديناميكيات الشعاع وتطوير المحاكاة الكافية. تُعقد ورش عمل مخصصة لهذا الموضوع في الولايات المتحدة (مواقع متناوبة) وفي أوروبا، معظمها في جزيرة إلبا . بدأت سلسلة ورش عمل مفاهيم المسرعات المتقدمة، التي أقيمت في الولايات المتحدة، ^[44] كسلسلة دولية في عام 1982. ^[45] بدأت سلسلة ورش عمل مفاهيم المسرعات المتقدمة الأوروبية في عام 2019. ^[46] الموضوعات المتعلقة بمفاهيم المسرعات المتقدمة:

• تسريع الإلكترونات والبوزيترونات باستخدام البلازما بالليزر
• تسريع الليزر والبنية عالية التدرج
• التسارع بواسطة الشعاع
• تسريع الأيونات باستخدام الليزر والبلازما
• مصادر الشعاع مثل مدفع الإلكترون والمراقبة والتحكم. انظر فيزياء المعجل
• محاكاة حاسوبية لفيزياء المسرعات
• تقنية الليزر لتسريع الجسيمات
• توليد الإشعاع الكهرومغناطيسي
• مصادم الميون

وفقًا لمشكلة التشتت العكسي ، يمكن عكس أي آلية ينتج بها الجسيم إشعاعًا (حيث تنتقل الطاقة الحركية للجسيم إلى المجال الكهرومغناطيسي )، بحيث تؤدي نفس آلية الإشعاع إلى تسارع الجسيم (تنتقل طاقة المجال الإشعاعي إلى طاقة حركية للجسيم). والعكس صحيح أيضًا، يمكن عكس أي آلية تسارع لإيداع طاقة الجسيم في مجال تباطؤ، كما هو الحال في نظام استعادة الطاقة الحركية . هذه هي الفكرة التي تمكن المعجل الخطي لاستعادة الطاقة . أدى هذا المبدأ، الذي يقف أيضًا وراء مسرعات البلازما أو الحقل الكهربائي، إلى بعض التطورات الأخرى المثيرة للاهتمام في مفاهيم المسرعات المتقدمة:

• أدى إشعاع شيرينكوف إلى مسرع إشعاع شيرينكوف العكسي. ^[47]
• أدى ليزر الإلكترون الحر إلى مسرع ليزر الإلكترون الحر العكسي. ^[48]
• يمكن أيضًا عكس الليزر لإنتاج تسارع الإلكترونات. ^[49 ]

في المستقبل، قد تنشأ إمكانية إنتاج ثقب أسود عند مسرعات الطاقة الأعلى إذا كانت بعض تنبؤات نظرية الأوتار الفائقة دقيقة. ^{[50] [51]} وقد أدى هذا وغيره من الاحتمالات إلى مخاوف تتعلق بالسلامة العامة تم الإبلاغ عنها على نطاق واسع فيما يتعلق بمصادم الهدرونات الكبير ، الذي بدأ العمل في عام 2008. تم تقييم السيناريوهات الخطيرة المحتملة المختلفة على أنها "لا تشكل خطرًا يمكن تصوره" في أحدث تقييم للمخاطر أنتجته مجموعة تقييم سلامة مصادم الهدرونات الكبير. ^[52] إذا تم إنتاج ثقوب سوداء، فمن المتوقع نظريًا أن تتبخر مثل هذه الثقوب السوداء الصغيرة بسرعة كبيرة عبر إشعاع بيكينستين-هوكنج ، ولكن هذا لم يتم تأكيده تجريبيًا حتى الآن. إذا كان بإمكان المصادمات إنتاج ثقوب سوداء، فلا بد أن الأشعة الكونية (وخاصة الأشعة الكونية عالية الطاقة للغاية ، UHECRs) كانت تنتجها منذ عصور، لكنها لم تؤذي أحدًا بعد. ^[53] وقد قيل إنه للحفاظ على الطاقة والزخم، فإن أي ثقوب سوداء تنشأ في تصادم بين UHECR والمادة المحلية سوف تنتج بالضرورة وهي تتحرك بسرعة نسبية بالنسبة للأرض، ويجب أن تهرب إلى الفضاء، حيث يجب أن يكون معدل تراكمها ونموها بطيئًا جدًا، في حين أن الثقوب السوداء الناتجة عن التصادمات (بمكونات من كتلة متساوية) سيكون لديها بعض الفرصة للحصول على سرعة أقل من سرعة إفلات الأرض، 11.2 كم في الثانية، وستكون عرضة للالتقاط والنمو اللاحق. ومع ذلك، حتى في مثل هذه السيناريوهات، فإن تصادمات UHECRs مع الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية من شأنها أن تؤدي إلى تدميرها السريع، ولكن لوحظ أن هذه الأجسام هي أجسام فلكية شائعة. وبالتالي، إذا تم إنتاج ثقوب سوداء دقيقة مستقرة، فيجب أن تنمو ببطء شديد بحيث لا تسبب أي تأثيرات مجهرية ملحوظة خلال العمر الطبيعي للنظام الشمسي. ^[52]

إن استخدام التقنيات المتقدمة مثل الموصلية الفائقة والتبريد العميق ومكبرات التردد اللاسلكي عالية الطاقة، فضلاً عن وجود الإشعاع المؤين، تشكل تحديات للتشغيل الآمن لمرافق التسريع. ^{[54] [55]} يتحكم مشغل التسريع في تشغيل مسرع الجسيمات، ويضبط معلمات التشغيل مثل نسبة العرض إلى الارتفاع وشدة التيار والموقع على الهدف. يتواصلون مع موظفي صيانة التسريع ويساعدونهم لضمان جاهزية أنظمة الدعم، مثل الفراغ والمغناطيس وإمدادات الطاقة المغناطيسية والتردد اللاسلكي والضوابط وأنظمة التبريد. بالإضافة إلى ذلك، يحتفظ مشغل التسريع بسجل للأحداث المتعلقة بالتسريع.

• فيزياء المسرع
• محطم الذرات (توضيح)
• المصادم الخطي المدمج
• مسرع الجدار العازل
• المصادم الدائري المستقبلي
• المصادم الخطي الدولي
• كالي
• مسرع الجسيمات الخطية
• قائمة المعجلات في فيزياء الجسيمات
• ضغط الزخم
• التحول النووي
• رولف ويدرو
• مصادم فائق التوصيل