مسرعات الهادرون الخطية في سيرن

مسرعات الهادرونات الخطية في مركز سيرن هي مسرعات خطية تعمل على تسريع حزم الهادرونات من حالة السكون لاستخدامها بواسطة المسرعات الدائرية الأكبر حجماً في المنشأة.

• 
  أول مسرع خطي في سيرن، والذي عمل من عام 1958 حتى عام 1992
• 
  تم استخدام جهاز Linac 2، الذي كان يعمل من عام 1978 إلى عام 2018، لتسريع البروتونات
• 
  يُستخدم جهاز Linac 3 حاليًا (حتى عام 2020) لتسريع الأيونات
• 
  يقوم جهاز Linac4، الذي سيحل محل جهاز Linac 2 في عام 2020، بتسريع أيونات الهيدروجين السالبة التي يتم بعد ذلك تجريدها من إلكتروناتها.

كان المعجل الخطي ^{[ 1 ]} ، الذي يُشار إليه أحيانًا باسم معجل البروتونات الخطي ^{[ 2 ] ،} ولاحقًا باسم المعجل الخطي 1 [ ^{3 ]} ، أول معجل خطي في سيرن، وقد بُني لحقن بروتونات بطاقة 50 ميغا إلكترون فولت في مسرع البروتونات (PS). وقد وُضعت فكرته في أوائل الخمسينيات، واستند تصميمه الأساسي إلى معجل مماثل في مركز أبحاث الطاقة الذرية والإشعاع (AERE) في إنجلترا ^{[ 4 ]} . تم تسريع الحزم الأولى في عام 1958، بتيارات 5 مللي أمبير وطول نبضة 20 ميكروثانية، وهو ما كان يُعد رقمًا قياسيًا عالميًا في ذلك الوقت ^{[ 4 ]} . أصبح المعجل جاهزًا للعمل بكامل طاقته بحلول سبتمبر 1959، عندما تم الوصول لأول مرة إلى طاقة التصميم البالغة 50 ميغا إلكترون فولت ^{[ 4 ] [ 5 ].}    

منذ ذلك الحين، شهد المعجل الخطي مرحلة من التطور السريع والتحسين المستمر لمعايير الإخراج. وبلغ هذا ذروته في عام 1978، عندما أمكن الوصول إلى تيار بروتوني أقصى قدره 70  مللي أمبير عند أطوال نبضات تبلغ 100 ميكروثانية. ^{[ 4 ]} ابتداءً من عام 1972، لم يعد المعجل الخطي يوصل البروتونات مباشرةً إلى مسرع البروتونات، بل إلى معزز بروتون السنكروترون (PSB). وقد بُني معزز بروتون السنكروترون للسماح بطاقات أعلى لحزم البروتونات حتى قبل دخولها إلى مسرع البروتونات. 

بعد أن تولى المعجل الخطي 2 مهمة تسريع البروتونات عام 1978، استمر استخدام المعجل الخطي كمنصة اختبار موثوقة للتطورات الجديدة. وشمل ذلك اختبار وتطبيق مسرع رباعي الأقطاب بترددات الراديو كمعجل أولي، والذي حل محل مولد كوكروفت-والتون الأصلي عام 1984. علاوة على ذلك، طُوّرت طرق لإنتاج وتسريع الديوترونات وجسيمات ألفا وذرات الهيدروجين السالبة ^. استُخدمت الأخيرة كحزم اختبار لمسرع LEAR . ^{[ 4 ]} ومنذ أواخر عام 1986، استُخدم المعجل الخطي أيضًا لتسريع أيونات الأكسجين والكبريت . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

توقف استخدام جهاز المعجل الخطي في التجارب صيف عام ١٩٩٢. ^{[ ٨ ]} ثم أُخرج من الخدمة وأُزيل من نفقِه لإفساح المجال أمام المعجل الخطي ٣؛ الذي بدأ بناؤه في أكتوبر ١٩٩٢ بعد إزالة المعجل الخطي من النفق. ولا تزال أجزاء من المعجل الخطي معروضة كقطع متحفية في معرض "العالم المصغر" . ^{[ ٩ ]}

أُعلن عن جهاز Linac 2 ، الذي كان يُشار إليه في البداية ببساطة باسم Linac الجديد ^{[ 10 ] ، في عام 1973. [ 11 ]} تقرر بناء مُسرِّع خطي جديد، نظرًا لعدم قدرة Linac القديم على مواكبة التطورات التقنية للأجهزة الأخرى ضمن مُجمَّع المُسرِّعات في CERN. حلّ Linac 2 محل Linac القديم كمصدر رئيسي لحزم البروتونات في CERN عام 1978. حافظ على نفس طاقة الحزمة البالغة 50  ميغا إلكترون فولت، ولكنه سمح بإنتاج حزم أكثر كثافة بتيارات حزمة تصل إلى 150  مللي أمبير ومدة نبضة أطول تبلغ 200  ميكروثانية. ^{[ 12 ]}

في البداية، نوقش خيار ترقية المعجل الخطي الأول بدلاً من بناء معجل خطي جديد كلياً. إلا أنه سرعان ما اتضح أن تكلفة هذه الترقية ستكون باهظة تقريباً كتكلفة بناء المعجل الجديد. ومن العوامل الأخرى التي رجّحت كفة هذا التصميم الجديد إمكانية ضمان انتقال سلس من معجل إلى آخر دون أي توقف. كما أن هذا النهج المزدوج يعني أن المعجل القديم سيُستخدم كنسخة احتياطية للمعجل الجديد خلال السنوات الأولى من التشغيل.

بدأ بناء جهاز Linac 2 في ديسمبر 1973، بميزانية تقديرية قدرها 21.3 مليون فرنك سويسري، واكتمل في عام 1978. ^{[ 13 ]} بلغ طول جهاز Linac 2 ستة وثلاثين متراً، وكان يقع على مستوى سطح الأرض في موقع CERN الرئيسي. وكان موقعه في مبنى موازٍ لنفق Linac القديم. ^{[ 14 ]}

على مدار فترة تشغيله، خضع جهاز Linac 2 لعدة تحديثات لمواكبة التطورات في نظام مسرعات CERN. وكان أهم هذه التحديثات استبدال مولد Cockcroft-Walton  القديم ذي جهد 750 كيلوفولت بمولد رباعي الأقطاب يعمل بترددات الراديو في عام 1993، مما رفع تيار الخرج إلى 180 مللي أمبير. ^{[ 15 ]} 

في أواخر العقد الأول من الألفية الثانية، نُظر في خيارين: إما تحديث مُسرِّع الجسيمات الخطي 2 (Linac 2) أو بناء مُسرِّع خطي جديد لحقن الجسيمات في مصادم الهادرونات الكبير عالي الإضاءة (HL-LHC). وفي نهاية المطاف، اتُخذ القرار ببناء مُسرِّع جديد، هو Linac4، ليحل محل Linac 2 في عام 2020. أُطفئ Linac 2 في 12 نوفمبر 2018 الساعة 3:00 مساءً من قِبل مدير مُسرِّعات الجسيمات في سيرن، ثم أُخرج من الخدمة كجزء من مشروع تحديث حاقن مصادم الهادرونات الكبير. وخلال عملية الإخراج من الخدمة، فُصل Linac 2 عن مُسرِّعات الجسيمات الأخرى في سيرن، ما جعله غير قابل للاستخدام لحقن الجسيمات في مُسرِّعات سيرن أو تجاربها. مع ذلك، لا يزال جزء كبير من مُكوِّنات مُسرِّع الجسيمات Linac 2 موجودًا (حتى أكتوبر 2023)، ويمكن زيارته الآن ضمن جولة سياحية مُرشدة.

تم بناء المعجل الخطي 3 ، المعروف أيضًا باسم معجل الرصاص الخطي ^{[ 16 ]} ، داخل النفق السابق للمعجل الخطي 1، ودخل حيز التشغيل في صيف عام 1994 (بدأ بناؤه في أكتوبر 1992). وقد شُيّد خصيصًا لتسريع الأيونات الثقيلة، بعد أن اقترحت التجارب التي أُجريت على المعجل الخطي 1، والطلب المتزايد من المجتمع العلمي، بناء معجل خطي جديد مخصص لهذه المهمة تحديدًا. ^{[ 6 ]} الجسيمات المُسرّعة هي في الأساس أيونات الرصاص ، والتي تُزوّد ​​بها مصادم الهادرونات الكبير (LHC) وتجارب الأهداف الثابتة في مسرع البروتونات الفائق ( SPS ) ومسرع الأيونات الثقيلة منخفض الطاقة ( LEIR ) . ولتشغيل مسرع الأيونات الثقيلة منخفض الطاقة (LEIR)، تم أيضًا تسريع أيونات الأكسجين. ^{[ 17 ]}

بعد الاستعدادات التي بدأت في عام 2013، تم تعديل جهاز Linac 3 لتسريع أيونات الأرجون في عام 2015. وقد استُخدمت هذه الأيونات في تجربة NA61/SHINE . ^{[ 18 ] [ 19 ]}

وبالمثل، قام مسرع الجسيمات الخطي 3 بتسريع أيونات الزينون في عام 2017 لبرنامج الفيزياء ذي الهدف الثابت التابع لمشروع NA61. وفي 12 أكتوبر/تشرين الأول 2017، تم إيصال هذه الأيونات إلى مصادم الهادرونات الكبير (LHC) لإجراء عملية فريدة من نوعها لجمع البيانات: ولأول مرة، تم تسريع أيونات الزينون وتصادمها في مصادم الهادرونات الكبير. وعلى مدار ست ساعات، تمكنت التجارب الأربع في مصادم الهادرونات الكبير من جمع بيانات عن أيونات الزينون المتصادمة. ^{[ 20 ]}

من المتوقع أن يظل جهاز Linac 3 قيد الاستخدام حتى عام 2022 على الأقل. ^{[ 21 ]}

يُعدّ Linac 4 مُسرّعًا خطيًا حديثًا بطول 86 مترًا، حلّ محلّ Linac 2 المُتقاعد. وعلى عكس سابقيه، يُسرّع Linac 4 أيونات الهيدروجين السالبة ، وليس البروتونات، وتبلغ طاقة تسريعه 160 ميغا إلكترون فولت. ^{[ 22 ]} تُحقن الأيونات بعد ذلك في مُعزّز بروتون السنكروترون (PSB)، حيث تُنزع الإلكترونات من كل أيون هيدروجين، فلا يتبقى سوى النواة التي تحتوي على بروتون واحد. وباستخدام أيونات الهيدروجين بدلًا من البروتونات، يقلّ فقدان الحزمة عند الحقن، ويُبسّط ذلك العملية، كما يسمح بتراكم المزيد من الجسيمات في السنكروترون. ^{[ 23 ] [ 24 ]} 

وافق مركز سيرن على بناء المعجل الخطي 4 في يونيو 2007. بدأ المشروع في عام 2008. ^{[ 9 ]}

تم بناء المسرع الخطي 4 في نفق خاص به، موازٍ للمسرع الخطي 2، في الموقع الرئيسي لمركز سيرن. والسبب في بناء المسرع في نفق جديد خاص به هو إمكانية تنفيذ بنائه بالتزامن مع تشغيل المسرع الخطي 2. ^{[ 14 ]}

لقد زاد المعجل الخطي 4 الطاقة بمقدار ثلاثة أضعاف مقارنةً بسابقه، المعجل الخطي 2، ليصل إلى طاقة قدرها 160  ميغا إلكترون فولت. وقد سمحت هذه الزيادة في الطاقة، بالإضافة إلى زيادة تراكم الجسيمات، بمضاعفة شدة حزم الجسيمات في مصادم الهادرونات الكبير تقريبًا. ^{[ 25 ]} ويُعدّ هذا جزءًا من الزيادة المُخطط لها في إضاءة مصادم الهادرونات الكبير مستقبلًا. ^{[ 26 ]}

تم حقن حزمة الجسيمات الأولى من Linac 4 في PSB في ديسمبر 2020. ^{[ 27 ]}

• فيديو سيرن: تعرف على ليناك 4
• فيديو سيرن: جولة افتراضية ثلاثية الأبعاد لجهاز Linac4