مسرع الجسيمات الكهروستاتيكي

مسرع الجسيمات الكهروستاتيكي هو مسرع جسيمات تُسرَّع فيه الجسيمات المشحونة إلى طاقة عالية بواسطة جهد كهربائي ثابت وعالي . والسبب في اقتصار التسريع على الجسيمات المشحونة هو أن الجسيمات المشحونة فقط هي التي تتأثر بالمجال الكهربائي، وفقًا للمعادلة F=qE، مما يُسبب حركتها. وهذا يختلف عن النوع الرئيسي الآخر من مسرعات الجسيمات، وهو مسرعات الجسيمات ذات المجال المتذبذب ، حيث تُسرَّع الجسيمات بواسطة مجالات كهربائية متذبذبة.

نظراً لتصميمها البسيط، كانت المسرعات الكهروستاتيكية أول مسرعات الجسيمات. النوعان الأكثر شيوعاً هما مولد فان دي غراف الذي اخترعه روبرت فان دي غراف عام 1929، ومسرع كوكروفت-والتون الذي اخترعه جون كوكروفت وإرنست والتون عام 1932. تُحدَّد طاقة الجسيمات القصوى التي تنتجها المسرعات الكهروستاتيكية بالجهد الأقصى الذي يمكن تحقيقه في الجهاز، والذي بدوره محدود بانهيار العزل إلى بضعة ميغا فولتات . أما المسرعات المتذبذبة فلا تعاني من هذا القيد، لذا يمكنها تحقيق طاقات جسيمات أعلى من تلك التي تحققها المسرعات الكهروستاتيكية.

تتضمن مزايا المسرعات الكهروستاتيكية مقارنةً بأجهزة المجال المتذبذب انخفاض التكلفة، والقدرة على إنتاج حزم مستمرة، وتيارات حزم أعلى تجعلها مفيدة في الصناعة. ولذلك، فهي تُعدّ أكثر مسرعات الجسيمات استخدامًا على نطاق واسع، ولها تطبيقات صناعية مثل إنتاج أغلفة الانكماش البلاستيكية، وأجهزة الأشعة السينية عالية الطاقة ، والعلاج الإشعاعي في الطب، وإنتاج النظائر المشعة ، وزرع الأيونات في صناعة أشباه الموصلات، والتعقيم. تمتلك العديد من الجامعات حول العالم مسرعات كهروستاتيكية لأغراض البحث. عادةً ما تتضمن مسرعات المجال المتذبذب عالية الطاقة جهازًا كهروستاتيكيًا كمرحلة أولى، لتسريع الجسيمات إلى سرعة عالية كافية لحقنها في المسرع الرئيسي.

تتمتع المسرعات الكهروستاتيكية بمجموعة واسعة من التطبيقات في العلوم والصناعة. في مجال البحوث الأساسية، تُستخدم لتوفير حزم من نوى الذرات لإجراء البحوث عند طاقات تصل إلى عدة مئات من الميغا إلكترون فولت .

تُستخدم هذه التقنيات في الصناعة وعلوم المواد لإنتاج حزم أيونية لتعديل المواد، بما في ذلك زرع الأيونات وخلط حزم الأيونات. كما توجد العديد من تقنيات تحليل المواد القائمة على التسريع الكهروستاتيكي للأيونات الثقيلة، ومنها مطيافية التشتت العكسي لروثرفورد (RBS)، وانبعاث الأشعة السينية المُستحث بالجسيمات (PIXE)، ومطيافية الكتلة المُسرّعة (AMS)، والكشف عن الارتداد المرن (ERD)، وغيرها.

على الرغم من أن هذه الآلات تعمل في المقام الأول على تسريع نوى الذرات ، إلا أن هناك عددًا من الآلات المدمجة المستخدمة لتسريع الإلكترونات لأغراض صناعية تشمل تعقيم الأدوات الطبية، وإنتاج الأشعة السينية، وإنتاج رقائق السيليكون. ^{[ 1 ]}

من التطبيقات الخاصة لمسرعات الجسيمات الكهروستاتيكية مسرعات الغبار، حيث تُسرّع جزيئات الغبار المشحونة كهربائيًا، التي يتراوح حجمها بين النانومتر والميكرومتر، إلى سرعات تصل إلى 100  كم/ث. ^{[ 2 ]} تُستخدم مسرعات الغبار في دراسات فوهات الاصطدام، ^{[ 3 ]} ومعايرة كاشفات الغبار بالتأين الاصطدامي ، ^{[ 4 ]} ودراسات النيازك. ^{[ 5 ]}

باستخدام طرفية عالية الجهد تُحفظ عند جهد ثابت يصل إلى ملايين الفولتات، يمكن تسريع الجسيمات المشحونة . ببساطة، المولد الكهروستاتيكي هو في الأساس مكثف ضخم (وإن كان يفتقر إلى الألواح). يُحقق الجهد العالي إما باستخدام طريقتي كوكروفت ووالتون أو فان دي غراف ، وغالبًا ما تُسمى المسرعات نسبةً إلى هذين المخترعين. يضع تصميم فان دي غراف الأصلي الإلكترونات على صفيحة عازلة، أو حزام، مزود بمشط معدني، ثم تنقل الصفيحة الإلكترونات الثابتة فعليًا إلى الطرفية. على الرغم من الجهد العالي، تُعد الطرفية موصلة، ويوجد مشط مماثل داخل الموصل يمكنه التقاط الإلكترونات من الصفيحة؛ وبفضل قانون غاوس ، لا يوجد مجال كهربائي داخل الموصل، لذا لا تتنافر الإلكترونات مع المنصة بمجرد دخولها. يشبه الحزام في تصميمه حزام النقل التقليدي ، مع استثناء رئيسي واحد: فهو غير ملحوم. لذا، في حال انقطاع الحزام، يجب تفكيك المُسرِّع جزئيًا لاستبداله، وهو أمر شائع نظرًا لدورانه المستمر وكونه مصنوعًا عادةً من المطاط . وقد أدت الصعوبة العملية للأحزمة إلى ابتكار وسيلة نقل مختلفة للشحنات: سلسلة من الكريات. وعلى عكس السلسلة العادية، فإن هذه السلسلة غير موصلة للكهرباء من طرفها إلى الآخر، إذ تُستخدم فيها مواد عازلة وموصلة. وتُعرف هذه الأنواع من المُسرِّعات عادةً باسم "بيلترون" .

بمجرد شحن المنصة كهربائيًا بإحدى الوسائل المذكورة أعلاه، يُوضع مصدر للأيونات الموجبة على المنصة في نهاية خط الشعاع، ولذلك تُسمى بالطرفية. ونظرًا لأن مصدر الأيونات يُحافظ عليه عند جهد عالٍ، لا يمكن الوصول إليه مباشرةً للتحكم أو الصيانة. لذا، يمكن استخدام طرق مثل قضبان بلاستيكية متصلة بأذرع مختلفة داخل الطرفية، ويمكن التحكم بها عن بُعد. وبغض النظر عن المشاكل العملية، إذا كانت المنصة مشحونة بشحنة موجبة، فإنها ستتنافر مع الأيونات ذات القطبية الكهربائية نفسها، مما يؤدي إلى تسريعها. وبما أن E = qV، حيث E هي الطاقة المنبعثة، وq هي الشحنة الأيونية، وV هو جهد الطرفية، فإن الطاقة القصوى للجسيمات المُسرّعة بهذه الطريقة محدودة عمليًا بحد تفريغ المنصة ذات الجهد العالي، والذي يبلغ حوالي 12  ميجا فولت في الظروف الجوية المحيطة. يمكن زيادة هذا الحد، على سبيل المثال، بوضع منصة الجهد العالي في خزان غاز عازل ذي ثابت عزل كهربائي أعلى من الهواء، مثل سادس فلوريد الكبريت (SF6 ₎ الذي يبلغ ثابت عزله الكهربائي حوالي 2.5 ضعف ثابت عزل الهواء. مع ذلك، حتى في خزان سادس فلوريد الكبريت _، يبلغ أقصى جهد يمكن الوصول إليه حوالي 30  ميجا فولت. قد توجد غازات أخرى ذات قدرات عزل أفضل، لكن سادس فلوريد _{الكبريت} خامل كيميائيًا وغير سام . ولزيادة طاقة التسارع القصوى، تم ابتكار مفهوم التزامن لاستخدام نفس الجهد العالي مرتين.

عادةً، تتسارع الأيونات الموجبة الشحنة لأن هذه هي قطبية نواة الذرة. مع ذلك، إذا أردنا استخدام نفس الجهد الكهربائي الساكن مرتين لتسريع الأيونات ، فيجب أن تتغير قطبية شحنة الأيونات من أنيونات إلى كاتيونات أو العكس داخل الموصل حيث لا تتعرض لأي قوة كهربائية. من السهل إزالة الإلكترونات من أيون نشط. إحدى خصائص تفاعل الأيونات مع المادة هي تبادل الإلكترونات، وهي طريقة يفقد بها الأيون طاقته عن طريق تخزينها داخل المادة، وهو أمر متوقع بديهيًا عند إطلاق مقذوف على جسم صلب. مع ذلك، كلما أصبح الهدف أرق أو ازدادت طاقة المقذوف، تقل كمية الطاقة المخزنة في الصفيحة المعدنية.

تُوضع مصادر الأيونات في أجهزة التانديم خارج المحطة الطرفية، مما يُسهّل الوصول إليها بشكل ملحوظ أثناء عمل المحطة الطرفية بجهد عالٍ، خاصةً إذا كانت المحطة داخل خزان غاز. بعد ذلك، يُحقن شعاع من الأيونات السالبة من مصدر أيونات بالرش من منصة ذات جهد منخفض نسبيًا باتجاه المحطة الطرفية ذات الجهد العالي. داخل المحطة، يصطدم الشعاع برقاقة رقيقة (بحجم ميكروغرامات لكل سنتيمتر مربع)، غالبًا من الكربون أو البريليوم ، مُنتزعًا الإلكترونات من الشعاع الأيوني ليتحول إلى كاتيونات. ونظرًا لصعوبة تكوين أنيونات ذات شحنة أكبر من -1، فإن طاقة الجسيمات المنبعثة من جهاز التانديم تُحسب كالتالي: E = (q + 1)V، حيث أضفنا جهد التسارع الثاني الناتج عن الأنيون إلى حالة الشحنة الموجبة q المنبعثة من رقاقة التجريد؛ ونجمع إشارات الشحنة المختلفة هذه معًا لأننا نزيد طاقة النواة في كل طور. بهذا المعنى، يمكننا أن نرى بوضوح أن التانديم يمكن أن يضاعف الطاقة القصوى لحزمة البروتونات، والتي تبلغ حالة شحنتها القصوى +1 فقط، ولكن الميزة التي يتم الحصول عليها من التانديم تتضاءل كلما انتقلنا إلى كتلة أعلى، كما هو الحال، على سبيل المثال، حيث يمكن للمرء بسهولة الحصول على حالة شحنة 6+ لحزمة السيليكون .

ليس من السهل تحويل كل عنصر إلى أيون سالب، لذا من النادر جدًا أن تُسرّع المسرعات الترادفية أي غازات نبيلة أثقل من الهيليوم ، على الرغم من نجاح إنتاج وتسريع أيوني KrF⁻ وXeF⁻ باستخدام مسرع ترادفي. _[ ⁶ ] ^{مع ذلك ، ليس} من غير المألوف تكوين مركبات للحصول على الأيونات السالبة، ويمكن استخلاص TiH₂ على هيئة ^TiH⁻ واستخدامه لإنتاج حزمة بروتونات، لأن هذه المواد الكيميائية البسيطة، والتي غالبًا ما تكون روابطها ضعيفة، ستتفكك عند رقاقة التجريد الطرفية. كان إنتاج حزم الأيونات السالبة موضوعًا رئيسيًا للدراسة في تطبيقات المسرعات الترادفية، ويمكن العثور على وصفات ونسب إنتاج لمعظم العناصر في كتاب "دليل الأيونات السالبة". ^{[ 7 ]} يمكن أيضًا تشغيل المسرعات الترادفية في الوضع الطرفي، حيث تعمل كمسرع كهرساكن أحادي الطرف، وهي طريقة أكثر شيوعًا وعملية لإنتاج حزم من الغازات النبيلة.

ينشأ اسم "التانديم" من هذا الاستخدام المزدوج لنفس الجهد العالي، على الرغم من أنه يمكن أيضًا تسمية التانديم بنفس أسلوب مسرعات الشحن الكهروستاتيكية التقليدية بناءً على طريقة شحن الطرفية.

يُعدّ جهاز MP Tandem van de Graaff نوعًا من أنواع مسرعات الجسيمات الترادفية. وقد تم تركيب عشرة منها في القرن العشرين؛ ستة منها في أمريكا الشمالية ^{[ 8 ]} وأربعة في أوروبا. ^{[ 9 ]}

إحدى الحيل التي يجب مراعاتها في مسرعات الجسيمات الكهروستاتيكية هي أن خطوط شعاع الجسيمات المفرغة من الهواء تُصنع عادةً من الفولاذ. مع ذلك، يصعب توصيل أنبوب موصل من الفولاذ من طرف الجهد العالي إلى الأرض. لذا، تُجمّع حلقات عديدة من زجاج قوي، مثل البايركس ، بطريقة تُشكّل سطحها الفاصل مانعًا للتسرب في الفراغ، كحشية نحاسية ؛ إذ قد ينفجر أنبوب زجاجي طويل واحد تحت الفراغ أو ينكسر تحت وطأة وزنه. ومن الأهمية بمكان، من الناحية الفيزيائية، أن هذه الحلقات الموصلة المتباعدة تُساعد على توليد مجال كهربائي أكثر انتظامًا على طول عمود التسريع. يُدعَم خط شعاع الجسيمات هذا، المُكوّن من حلقات زجاجية، ببساطة عن طريق الضغط عند طرفي الطرف. ولأن الزجاج غير موصل، يُمكن دعمه من الأرض، لكن مثل هذه الدعامات بالقرب من الطرف قد تُسبب تفريغًا كهربائيًا فيه، وذلك بحسب التصميم. أحيانًا لا يكون الضغط كافيًا، وقد ينهار خط الشعاع بأكمله ويتحطم. هذه الفكرة بالغة الأهمية لتصميم المسرعات الترادفية، لأنها تتميز بطبيعتها بخطوط شعاع أطول، ويجب أن يمر خط الشعاع عبر الطرف.

تُرتب مُسرّعات الجسيمات الكهروستاتيكية في الغالب على شكل خط أفقي. مع ذلك، قد تتخذ بعض المُسرّعات الترادفية شكل حرف "U"، ومن حيث المبدأ، يُمكن توجيه الحزمة في أي اتجاه باستخدام ثنائي قطب مغناطيسي عند الطرفية. تُرتب بعض المُسرّعات الكهروستاتيكية عموديًا، حيث يكون مصدر الأيونات، أو الطرفية في حالة المُسرّع الترادفية العمودية على شكل حرف "U"، في أعلى برج. يُمكن أن يُوفر ترتيب البرج مساحة، كما يُمكن لخط الحزمة المُتصل بالطرفية، والمصنوع من حلقات زجاجية، الاستفادة من الجاذبية كمصدر طبيعي للضغط.

في مسرع كهرساكن أحادي الطرف، يتم تسريع الجسيم المشحون من خلال فرق جهد واحد بين قطبين كهربائيين، وبالتالي تكون طاقة الجسيم الخارج${\displaystyle E}$يساوي الشحنة الموجودة على الجسيم${\displaystyle q}$مضروبًا في جهد التسارع${\displaystyle V}$

${\displaystyle E=qV}$

في المسرع الترادفي، يتم تسريع الجسيم مرتين بنفس الجهد، لذا فإن طاقة الخرج هي${\displaystyle (1+q)V}$لأن شكل الأنيون أحادي الشحنة. إذا كانت الشحنة${\displaystyle q}$يتم قياسها بوحدات الكولوم التقليدية والجهد${\displaystyle V}$إذا كانت الطاقة تُقاس بالفولت، ^فإن طاقة الجسيم ستُقاس بالجول . ومع ذلك، نظرًا لأن شحنة الجسيمات الأولية صغيرة جدًا (شحنة الإلكترون تساوي 1.6 × 10⁻¹⁹ كولوم)، فإن الطاقة المُقاسة بالجول تُعدّ قيمة صغيرة جدًا.

بما أن جميع الجسيمات الأولية تحمل شحنات هي مضاعفات للشحنة الأولية للإلكترون،${\displaystyle e=1.6(10^{-19})}$يستخدم علماء فيزياء الجسيمات وحدة مختلفة للتعبير عن طاقات الجسيمات، وهي الإلكترون فولت (eV)، مما يُسهّل عملية الحساب. الإلكترون فولت يساوي الطاقة التي يكتسبها جسيم يحمل شحنة مقدارها 1e عند مروره عبر فرق جهد مقداره فولت واحد. في المعادلة أعلاه، إذا${\displaystyle q}$يتم قياسها بالشحنات الأولية e و${\displaystyle V}$تُقاس طاقة الجسيم بالفولت${\displaystyle E}$تُقاس الطاقة بوحدة الإلكترون فولت (eV). على سبيل المثال، إذا تم تسريع جسيم ألفا يحمل شحنة مقدارها 2e عبر فرق جهد مقداره مليون فولت (1  MV)، فستكون طاقته مليوني إلكترون فولت، ويُرمز لها بـ 2  MeV. يتراوح جهد التسريع في أجهزة التسريع الكهروستاتيكية بين 0.1 و25  MV، وشحنة الجسيمات قليلة، لذا فإن طاقة الجسيم تقع في نطاق الميجا إلكترون فولت المنخفض. أما المسرعات الأقوى، فيمكنها إنتاج طاقات في نطاق الجيجا إلكترون فولت (GeV).

• قاعدة بيانات الوكالة الدولية للطاقة الذرية للمسرعات الكهروستاتيكية