قم بجولة في السنكروترون ، حيث تصل الإلكترونات إلى سرعة تقترب من سرعة الضوء

بالعربي/ الإشعاع الكهرومغناطيسي (EM) مفيد بشكل لا يصدق. إنها تمكننا من نقل الموسيقى لاسلكيًا عبر مسافات كبيرة ، وطهي الطعام في الميكروويف ورؤية العالم بتفاصيل حية. ومع ذلك ، أصبح الإشعاع الكهرومغناطيسي الآن أكثر من أي وقت مضى مهمًا أيضًا في دراسة الظواهر الفيزيائية والبيئية والبيولوجية التي تؤدي إلى اختراقات حقيقية للناس. 

من ابتكار الأدوية واللقاحات الطبية الجديدة ، إلى اختبار الأعضاء الاصطناعية الثورية ، إلى الاكتشافات التي تسمح بالوقاية من الأمراض ، فإن تسخير الإشعاع الكهرومغناطيسي على نطاق واسع يوسع الآفاق في العالم العلمي. 

في المملكة المتحدة ، تحدث هذه الثورة في منشأة السنكروترون الوطنية لـ Diamond Light Source في أوكسفوردشاير ، وهو مسرّع جسيمات عالي التقنية يولد كميات هائلة من الإشعاع الكهرومغناطيسي على شكل ضوء السنكروترون. لنقم برحلة إلى هذا الموقع العلمي المتطور لنرى كيف يكون العمل هناك في يوم عادي وما هي التجارب الرائدة التي يتم التحقيق فيها حاليًا.

استكشاف السنكروترون

السنكروترون هو نظام كبير ومعقد من الآلات التي تولد الإلكترونات ، وتسرع تلك الإلكترونات إلى ما يقرب من سرعة الضوء ثم ترسبها في حلقة تخزين كبيرة. ثم تطير الإلكترونات عالية الطاقة حول الدائرة الحلقية باستمرار حتى يتم التلاعب بها لتوليد ضوء أشعة سينية عالي الكثافة ؛ هذه إلكترونات بحوالي 3 جيجا إلكترون فولت (GeV) ، و GeV وحدة طاقة تساوي مليار إلكترون فولت. هذا هو الضوء الذي يمكن للعلماء استخدامه في تجاربهم.كيف تعمل

هذه المقالة مقدمة لك عن طريق  How It Works . 

How It Works هي المجلة المليئة بالإثارة والمليئة بالمعلومات المثيرة حول أحدث التطورات في العلوم والتكنولوجيا ، وتضم كل ما تحتاج لمعرفته حول كيفية عمل العالم من حولك – والكون -.

Guenther Rehm هو رئيس مجموعة تشخيص خط الحزمة للسينكروترون الماسي ، وهو المسؤول عن ضمان أنه عندما يحتاج العلماء الزائرون إلى ضوء الأشعة السينية ، يمكنهم الحصول عليه. مكتب Rehm في Diamond House عبارة عن مجمع أنيق بجدران زجاجية حيث يوجد غالبية موظفي المنشأة. للوصول إلى مرفق السنكروترون ، عليك بعد ذلك عبور جسر يتم التحكم فيه بواسطة الأمان. 

بمجرد الوصول إلى هناك ، سترى أربعة أجزاء رئيسية ، أولها مسدس إلكتروني. يقع هذا السلاح في قلب المنشأة ، وهو مسؤول عن توليد الإلكترونات عن طريق تسخين كاثود عالي الجهد في فراغ ، ثم إجبارهم على التجميع معًا والضغط في مجموعات مضغوطة ؛ يتم تحقيق ذلك عن طريق تمرير شعاع الإلكترونات عبر تجويف حيث يكون مجال كهربائي متناوب نشطًا. 

من تجويف التجميع ، تمر حزمة من مجموعات الإلكترونات المضغوطة في مسرع خطي. يستخدم هذا الجزء من السنكروترون سلسلة من المجالات الكهربائية لإجبار حزم الإلكترونات المضغوطة على التسارع لتقترب من سرعة الضوء وحتى مستوى شحن يصل إلى 100 ميغا إلكترون فولت (MeV). من هنا ، يتم حقن مجموعات الإلكترونات السريعة في السنكروترون المعزز.

يقع السنكروترون المعزز قبالة المسرع الخطي. وهي عبارة عن أنبوب فراغ من الفولاذ المقاوم للصدأ على شكل حرف O يبلغ طوله 518 قدمًا (158 مترًا) محاطًا بمغناطيس يقع داخل حلقة تخزين السنكروترون وغيرها من المرافق. يستقبل هذا السنكروترون الأصغر الإلكترونات ، وبعد ذلك – بمساعدة 36 مغناطيسًا ثنائي القطب – ينحنيها حول دائرة الفراغ بينما يتم تسريعها حتى تصل إلى طاقة الاستخراج الضرورية البالغة 3 جيجا إلكترون فولت. يتم حقن حزم الإلكترونات أخيرًا في حلقة تخزين السنكروترون ، وهي تسافر بسرعة الضوء تقريبًا وتحمل قدرًا مجنونًا من الطاقة. 

تتشابه حلقة التخزين في كل من التصميم والغرض مع الحلقة المعززة ، ولكن على نطاق أوسع بكثير: الحلقة ، وهي عبارة عن مضلع من 48 جانبًا ، تمتد على أكثر من 1800 قدم (560 مترًا). لحسن الحظ ، تمتلك الإلكترونات قدرًا كبيرًا من الطاقة يمكنها أن تضيء الدورة بأكملها في 2 من المليون من الثانية ؛ للمقارنة ، هذا 7.5 مرة حول خط الاستواء في ثانية واحدة فقط. للحفاظ على حركة الأشياء ، تتكون الحلقة العملاقة من فراغ تنتقل فيه الإلكترونات المشحونة ، وسلسلة من المغناطيسات ، بما في ذلك مغناطيس ثنائي القطب لمناورة الحزمة حول الدائرة ، ومغناطيس رباعي الأقطاب ومغناطيسات سداسية لضمان تركيز الحزمة وموضعها بدقة . تحتوي الحلقة أيضًا على مغناطيس خاص يسمى أجهزة الإدخال (IDs) لمعالجة الإلكترونات لإنتاج ضوء السنكروترون.

المعرفات هي النجوم الحقيقية للسنكروترون ، وهي قادرة على جعل الإلكترونات المارة تتأرجح حول الأجزاء المستقيمة من الحلقة. ونتيجة لذلك ، يتم إنتاج أشعة سينية فائقة القوة. نظرًا لأن هذه المعرفات بالغة الأهمية ، يتم وضعها دائمًا قبل أي خط شعاع – فروع من الحلقة حيث تجري التجارب. تدخل الإلكترونات إلى الجهاز وتتأرجح وتنتج أشعة سينية. بينما يتم دفع الإلكترونات إلى أسفل حلقة التخزين بواسطة مغناطيس ثنائي القطب ، تستمر الفوتونات مباشرة أسفل خط الحزمة لاستخدامها في التجارب.

البقاء في السيطرة 

بعد ذلك ، ستصل إلى التحكم المركزي في خط الأشعة. غرفة كبيرة وواسعة تطل على ما يقرب من ثلث المرفق الموسع ، المنطقة مليئة بمجموعة رئيسية من الشاشات ؛ هناك ، يقوم اثنان من أعضاء فريق التشخيص بتشغيل أنظمة الكمبيوتر. أوضح ريهم أن العملية اليومية للسنكروترون مؤتمتة بشكل كبير ، وبالتالي فإن العدد الأدنى من الموظفين. ومع ذلك ، نظرًا للتعقيد المذهل للأنظمة المشاركة في إنشاء حزم إلكترونية عالية الطاقة والحفاظ عليها ، يجب على البشر الفعليين مراقبة حالة المجمع. 

في جميع الأوقات ، يقوم برنامج يسمى EPICS: الفيزياء التجريبية ونظام التحكم الصناعي بمراقبة الحزمة في حلقة التخزين. يسمح ذلك بتصور خصائص الشعاع غير المرئي عبر مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار والشاشات والكاميرات داخل الحلقة. 

أوضح Rehm أنه في فترة تزيد قليلاً عن 10 دقائق ، تعاني الإلكترونات المتجمعة في حلقة التخزين من خسارة حتمية. ويرجع ذلك إلى الاصطدامات وجزيئات الغاز المتبقية ، وكذلك فقدان الطاقة من خلال توليد ضوء السنكروترون بواسطة أجهزة الإدخال والانحناء بواسطة مغناطيس ثنائي القطب ثنائي القطب . للحفاظ على الاستقرار الأمثل للشعاع وجودة ضوء السنكروترون ، يتم زيادة الشحن تلقائيًا بشكل دوري. بمشاهدة رسم بياني مباشر في EPICS ، يمكنك أن ترى كيف ينخفض ​​مستوى الشحن الإجمالي داخل الحلقة ، ثم بعد 10 دقائق بالضبط ، يعود إلى مستوى البداية.

ليس هذا التعزيز آليًا فحسب ، بل يمكن للنظام أيضًا أن يستهدف أجزاء الحزمة التي فقدت منها الإلكترونات ؛ قال ريهم إن هذا يؤدي إلى توزيع متساوٍ ومستقر للطاقة حول الحلقة لتوليد الضوء في جميع الأوقات. هذا النظام مذهل حقًا ، فهو قادر على حقن إلكترونات إضافية في حزم الإلكترونات المستنفدة بسلاسة أثناء تحليقها حول حلقة التخزين بسرعة الضوء تقريبًا . 

النظر إلى أسفل خط الأشعة 

بالانتقال إلى قلب المنشأة ، ستدخل الغرفة الكهفية الرئيسية للسنكروترون. عند الوقوف على جسر عملاق مرتفع ، يمتد إلى كلا الجانبين ، سترى الامتدادات المنحنية والعديد من خطوط أشعة السنكروترون الفردية ، المتفرعة من حلقة خرسانية. هذه هي حلقة التخزين الخاصة بالمنشأة ، والمغلفة بغطاء خرساني سميك مانع للإشعاع. يوجد على قمة الحلقة الخرسانية خط أصفر يحدد المسار الفعلي لشعاع الإلكترون بالداخل. وفقًا لمرشد سياحي في المنشأة ، يمكن لأي شخص الاستلقاء على سطح الخرسانة لمدة عام كامل وتلقي إشعاعًا يزيد بنسبة 50 ٪ تقريبًا عن إشعاع الخلفية القياسي. ببساطة ، القليل جدًا من الإشعاع يفلت من الحلقة.

توجد غرفة سوداء صغيرة محصورة بين خطي أشعة. عند الدخول تجد طاولة كبيرة مليئة بالآلات والأنابيب والبصريات والكابلات. خلف هذا ثقب صغير محفور في الحائط. هذه هي مقصورة تشخيص البصريات ، وهي تسمح لعلماء الدعم باستكشاف الهيكل الزمني لحزمة الإلكترون المخزنة ، وكشف نمط التعبئة – مقدار الشحن في كل مجموعة من حزم الإلكترون. 

التعامل مع الضوء 

معرفة كيفية عمل السنكروترون شيء واحد ، ولكن ما الذي يمكنه فعله في العالم الحقيقي؟ أدخل Nick Terrill ، العالم الرئيسي لخط الأشعة في تشتت الزاوية الصغيرة وخط حزمة الانعراج (ويسمى أيضًا I22). من بين العديد من الأمثلة الأخرى ، يصف تيريل كيف استخدم فريق مؤخرًا I22 لاختبار صمامات قلب اصطناعية جديدة من مادة البوليمر. صمم الفريق جهازًا صغيرًا لمد الصمام لإعادة إنتاج تأثيرات ضربات القلب ، ثم استخدم مصدر ضوء الأشعة السينية عالي الطاقة للسنكروترون لتصوير الهيكل الداخلي للصمام البوليمر بدقة مستمرة على مدى فترة طويلة. هذه الأنواع من البوليمر قريبًا بديلاً شائعًا لصمامات الغرس الميكانيكي والحيواني التي تنطوي على مشاكل.

بعد نزهة قصيرة حول ممر السنكروترون الخارجي إلى خط الأشعة I24 ، ستصادف محطة علم البلورات الجزيئية الدقيقة ذات التركيز الدقيق. يعمل في I24 كبير علماء الدعم في دايموند داني أكفورد ، الذي شرح كيف يعمل الفريق على بروتينات الغشاء ، واستكشاف هياكلها – وهو أمر مهم في ابتكار عقاقير جديدة ، من بين تطبيقات أخرى. 

داخل غرفة تجربة I24 ، سترى صهاريج تخزين النيتروجين السائل ، ومستشعر التصوير ، والذراع الآلي ، وبصرية سينكروترون ذات تركيز ضوئي ومجموعة عينات. باستخدام المصفوفة ، يمكن للعلماء تصوير صفوف من البلورات في درجة حرارة الغرفة. يعد هذا مفيدًا بشكل لا يصدق ، حيث أن الحرارة الناتجة عن عملية التصوير تدمر البلورات ، لذا فإن التقاط هيكلها بسرعة أمر بالغ الأهمية – ولهذا السبب يتم تبريد العديد من العينات بالتبريد.

المنفذ التالي للدعوة هو خط إشعاع حيود بلوري واحد جزيء صغير (I19) ، حيث يتم تحليل مجموعة متنوعة من العينات المتبلورة من خلال تقنيات الحيود ، مع عينات للمشاريع التي تتضمن كل شيء من السرطان إلى الهيدروجين تخزينالمجاور في I20 هو خط إشعاع طيفي مثير للإعجاب ومتعدد الاستخدامات لامتصاص الأشعة السينية ، تديره عالمة خط الأشعة الرئيسية صوفيا دياز مورينو.Advertisement

هذا الخط الشعاعي ، الذي هو أكبر بكثير من أي من الخطوط الأخرى ، يحتوي على اثنين من أقفاص التجربة التي تشترك في الخط لتمكين أنواع مختلفة من التحليل الطيفي. يمكن لهذا النوع من التحليل تصوير المكونات الكيميائية في المحفزات – حتى في التركيزات المنخفضة جدًا. هذه القدرة على تصوير عمليات التفاعل على المستوى الذري وفي نطاقات زمنية ميكروثانية مذهلة حقًا ، وتسمح للعلماء بفهم أشياء مثل المحفزات والبروتينات المعدنية – البروتينات المحتوية على أيونات المعادن – والمواد السامة كما لم يحدث من قبل.

سباق شعاع الإلكترون 

هناك محطة أخيرة: نزهة على سطح حلقة التخزين. بالصعود مرة أخرى إلى الطابق الأول من مستوى خط الأشعة وعبور القنطرة المعدنية باتجاه مركز المنشأة ، سوف تنفصل وتتقدم مباشرة فوق السطح الخرساني لحلقة التخزين قبل اتباع علامة خط الشعاع الأصفر حول المنشأة. 

سوف يستغرق الأمر ما يقرب من 10 دقائق لعمل دائرة كاملة حول الحلقة – أبطأ بكثير من المليونين من الثانية التي تحتاجها الإلكترونات شديدة الشحنة للتأرجح حول الحلقة.  

المصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com