تويت
السنكروترون (إشعاع ـ)
السنكروترون Synchrotronجهاز دائري الشكل لتسريع الجسيمات، كالإلكترونات أو البروتونات أو أيونات الذرات الثقيلة، إلى سرعات قريبة جداً من سرعة الضوء، وذلك بتمرير هذه الجسيمات المتكرر وهي ترسم مساراً دائرياً ذا نصف قطر ثابت عملياً، عبر حقل كهربائي متناوب ذي تردد ثابت أو متغير.
يبين الشكل (1) الأجزاء الأساسية لمسرع السنكروترون وهي كما يأتي:
1ـ حاقن الجسيمات particle injector: وفيه تتولد الجسيمات التي يُراد تسريعها، كالإلكترونات أو البروتونات أو الأيونات، وتعطى سرعة ابتدائية عالية عن طريق مسرع خطي[ر] linear accelerator.
2ـ حجرة مفرغة من الهواء تأخذ شكل أنبوب دائري نصف قطره كبير، قد يصل في حال البروتونات إلى مئات الأمتار.
3ـ مغانط كهربائية لتوليد حقل مغنطيسي B عمودي على مسار الجسيمات، مما يجعلها ترسم مساراً دائرياً يرتبط نصف قطره R بشحنة الجسيم |e| وسرعته vوكتلته m بالعلاقة:
وهي علاقة تنشأ من توازن جداء كتلة الجسيم m بتسارعه المركزي
مع القوة ذات المنشأ المغنطيسي B|e|v.
تجدر الإشارة إلى أن رسم الجسيم المسار الدائري الذي طوله 2πR بالسرعة v، يتم خلال زمنT مستقل عن سرعة الجسيم، وذلك لأن:
وهذا أمر مهم في تصميم مسرع السنكروترون، طالما أن سرعة الجسيمات لاتقترب من سرعة الضوء، وإذا حدث ذلك فيجب أخذ تغير الكتلة m بتغير السرعة وفقاً لمتطلبات النظرية النسبية، التي تنص على أن كتلة الجسيم السكونية m0 تغدو m عند السرعة v بحسب العلاقة:
حيث تمثل c سرعة الضوء في الخلاء.
4 ـ واسطة تركيز focusing للجسيمات: وهي حقل مغنطيسي B عمودي على المسار، ويلاحظ في ضوء العلاقتين (2) و(3) أن زيادة v تؤدي إلى زيادة m، ولكي يبقى نصف قطر مسار الجسيمات ثابتاً، فلابد من زيادة Bبازدياد السرعة، وهكذا يضبط مسار الجسيمات على مسار دائري ذي نصف قطر ثابت عملياً.
5 ـ محطات تسريع للجسيماتacceleration stations: وقد يوجد على المسار أكثر من محطة تكسب الجسيمات التي تمر فيها سرعة إضافية |e|E بفضل القوة التي تخضع لها. يُشار هنا إلى أن الحقول الكهربائية المستخدمة E هي حقول متناوبة، غالباً ما تكون ثابتة التردد f. وينبغي اختيار التردد بحيث يتوافق وصول الجسيم إليها وهي في الاتجاه المناسب لتسريعه، أي متزامناً مع وصوله.
6 ـ واسطة إخراج ejection system ولها شكل صفيحة يطبق عليها جهد كهربائي مناسب، يجذب الجسيمات ويقذفها خارج المسرع، وقد يستخدم حقل مغناطيسي مناسب لهذه الغاية كما هو واضح في الشكل.
تصدر الشحنات الكهربائية عند تسريعها إشعاعاً كهرمغنطيسياًً، وهذا ما يحدث أيضاً لدى اقتراب إلكترون من نواة ذرة مثلاً، ويسمى الإشعاع عندها إشعاع الكبح أو برمشترالنغ، وهو ما يحدث كذلك في هوائيات الإرسال الإذاعي والتلفزيوني.
أما الإشعاع الصادر جراء تسريع الجسيمات في مسار دائري فيسمى بالإشعاع السنكروتروني synchrotron radiation وهو إشعاع ينبغي التعامل معه بحذر، لذا تبنى المسرّعات تحت الأرض لحماية العاملين من أخطاره.
إن الإشعاع السنكروتروني غير مرغوب فيه في المسرعات، لأنه يمثل ضياعاً للطاقة التي تكتسبها الجسيمات، ويمكن تقليل هذه الضياعات عن طريق زيادة نصف قطر المسرع R بحيث يغدو التسارع النابذ v2/Rصغيراً.
يُشار إلى أن ضياع الطاقة بالإشعاع Δwيتناسب مع القوة الرابعة للطاقة التي يبلغها الجسيم، ويعطي في حالة تسريع الإلكترونات في مسار دائري نصف قطره Rبالعلاقة:
حيث تقدر w بالـ GeV و R بالأمتار.
للإشعاع السنكروتروني من جهة أخرى مميزات تجعله مصدر إشعاع مميزاً، فهو مصدر ممتاز للأمواج الكهرمغنطيسية عالية التردد متحكم فيه، وهو منبع للأشعة السينية[ر] خال من الذُّرى، ولايحتاج إلى تجميع، إذ إن إشعاعاته متوازية فيما بينها، وهذا ما يميزه من الإشعاع الصادر عن أنابيب توليد الأشعة السينية التقليدية، حيث تتباعد الحزمة انطلاقاً من نقطة توليدها في المصعد، وحيث يتميز إشعاع هذه الأنابيب بذرى بحسب مادة المصعد.
ثم إن الإشعاع السنكروتروني يتصف بالشدة العالية وباستقطابية عالية كذلك، وحزمته ضيقة، ولاتتجاوز أبعادها ميلمتراً مربعاً واحداً.
هذه الصفات كلها تجعل الإشعاع السنكروتروني أداة فعالة في دراسة انتظام الذرات في الجزيئات وفي البلورات.
يُشار أخيراً إلى أن للسنكروترون استخدامات أخرى، منها: توليد الجسيمات الأولية كالميزونات، كما تستخدم الجسيمات العالية الطاقة بفضل سلوكها سلوك أمواج لدراسة بنية الجسيمات الأخرى، لمقدرة التمييز العالية التي تتصف بها عندئذ.
وأخيراً فهي تستعمل لتوليد نظائر مشعة تفيد قصيرة عمر النصف منها في التطبيقات الطبية والتشخيصية والعلاجية، إضافة إلى التطبيقات الصناعية كتشعيع الأغذية والمواد البوليميرية لإكسابها صفات فيزيائية جديدة ومفيدة.
أحمد حصري
 |
يبين الشكل (1) الأجزاء الأساسية لمسرع السنكروترون وهي كما يأتي:
1ـ حاقن الجسيمات particle injector: وفيه تتولد الجسيمات التي يُراد تسريعها، كالإلكترونات أو البروتونات أو الأيونات، وتعطى سرعة ابتدائية عالية عن طريق مسرع خطي[ر] linear accelerator.
2ـ حجرة مفرغة من الهواء تأخذ شكل أنبوب دائري نصف قطره كبير، قد يصل في حال البروتونات إلى مئات الأمتار.
3ـ مغانط كهربائية لتوليد حقل مغنطيسي B عمودي على مسار الجسيمات، مما يجعلها ترسم مساراً دائرياً يرتبط نصف قطره R بشحنة الجسيم |e| وسرعته vوكتلته m بالعلاقة:
وهي علاقة تنشأ من توازن جداء كتلة الجسيم m بتسارعه المركزي
مع القوة ذات المنشأ المغنطيسي B|e|v.تجدر الإشارة إلى أن رسم الجسيم المسار الدائري الذي طوله 2πR بالسرعة v، يتم خلال زمنT مستقل عن سرعة الجسيم، وذلك لأن:
وهذا أمر مهم في تصميم مسرع السنكروترون، طالما أن سرعة الجسيمات لاتقترب من سرعة الضوء، وإذا حدث ذلك فيجب أخذ تغير الكتلة m بتغير السرعة وفقاً لمتطلبات النظرية النسبية، التي تنص على أن كتلة الجسيم السكونية m0 تغدو m عند السرعة v بحسب العلاقة:
حيث تمثل c سرعة الضوء في الخلاء.
4 ـ واسطة تركيز focusing للجسيمات: وهي حقل مغنطيسي B عمودي على المسار، ويلاحظ في ضوء العلاقتين (2) و(3) أن زيادة v تؤدي إلى زيادة m، ولكي يبقى نصف قطر مسار الجسيمات ثابتاً، فلابد من زيادة Bبازدياد السرعة، وهكذا يضبط مسار الجسيمات على مسار دائري ذي نصف قطر ثابت عملياً.
5 ـ محطات تسريع للجسيماتacceleration stations: وقد يوجد على المسار أكثر من محطة تكسب الجسيمات التي تمر فيها سرعة إضافية |e|E بفضل القوة التي تخضع لها. يُشار هنا إلى أن الحقول الكهربائية المستخدمة E هي حقول متناوبة، غالباً ما تكون ثابتة التردد f. وينبغي اختيار التردد بحيث يتوافق وصول الجسيم إليها وهي في الاتجاه المناسب لتسريعه، أي متزامناً مع وصوله.
6 ـ واسطة إخراج ejection system ولها شكل صفيحة يطبق عليها جهد كهربائي مناسب، يجذب الجسيمات ويقذفها خارج المسرع، وقد يستخدم حقل مغناطيسي مناسب لهذه الغاية كما هو واضح في الشكل.
تصدر الشحنات الكهربائية عند تسريعها إشعاعاً كهرمغنطيسياًً، وهذا ما يحدث أيضاً لدى اقتراب إلكترون من نواة ذرة مثلاً، ويسمى الإشعاع عندها إشعاع الكبح أو برمشترالنغ، وهو ما يحدث كذلك في هوائيات الإرسال الإذاعي والتلفزيوني.
أما الإشعاع الصادر جراء تسريع الجسيمات في مسار دائري فيسمى بالإشعاع السنكروتروني synchrotron radiation وهو إشعاع ينبغي التعامل معه بحذر، لذا تبنى المسرّعات تحت الأرض لحماية العاملين من أخطاره.
إن الإشعاع السنكروتروني غير مرغوب فيه في المسرعات، لأنه يمثل ضياعاً للطاقة التي تكتسبها الجسيمات، ويمكن تقليل هذه الضياعات عن طريق زيادة نصف قطر المسرع R بحيث يغدو التسارع النابذ v2/Rصغيراً.
يُشار إلى أن ضياع الطاقة بالإشعاع Δwيتناسب مع القوة الرابعة للطاقة التي يبلغها الجسيم، ويعطي في حالة تسريع الإلكترونات في مسار دائري نصف قطره Rبالعلاقة:
حيث تقدر w بالـ GeV و R بالأمتار.
للإشعاع السنكروتروني من جهة أخرى مميزات تجعله مصدر إشعاع مميزاً، فهو مصدر ممتاز للأمواج الكهرمغنطيسية عالية التردد متحكم فيه، وهو منبع للأشعة السينية[ر] خال من الذُّرى، ولايحتاج إلى تجميع، إذ إن إشعاعاته متوازية فيما بينها، وهذا ما يميزه من الإشعاع الصادر عن أنابيب توليد الأشعة السينية التقليدية، حيث تتباعد الحزمة انطلاقاً من نقطة توليدها في المصعد، وحيث يتميز إشعاع هذه الأنابيب بذرى بحسب مادة المصعد.
ثم إن الإشعاع السنكروتروني يتصف بالشدة العالية وباستقطابية عالية كذلك، وحزمته ضيقة، ولاتتجاوز أبعادها ميلمتراً مربعاً واحداً.
هذه الصفات كلها تجعل الإشعاع السنكروتروني أداة فعالة في دراسة انتظام الذرات في الجزيئات وفي البلورات.
يُشار أخيراً إلى أن للسنكروترون استخدامات أخرى، منها: توليد الجسيمات الأولية كالميزونات، كما تستخدم الجسيمات العالية الطاقة بفضل سلوكها سلوك أمواج لدراسة بنية الجسيمات الأخرى، لمقدرة التمييز العالية التي تتصف بها عندئذ.
وأخيراً فهي تستعمل لتوليد نظائر مشعة تفيد قصيرة عمر النصف منها في التطبيقات الطبية والتشخيصية والعلاجية، إضافة إلى التطبيقات الصناعية كتشعيع الأغذية والمواد البوليميرية لإكسابها صفات فيزيائية جديدة ومفيدة.
أحمد حصري