مسرع الجسيمات الخطية

مسرع الجسيمات الخطي (يُختصر غالبًا إلى linac ) هو نوع من مسرعات الجسيمات التي تعمل على تسريع الجسيمات دون الذرية المشحونة أو الأيونات إلى سرعة عالية عن طريق إخضاعها لسلسلة من الإمكانات الكهربائية المتذبذبة على طول خط شعاع خطي . اقترح جوستاف إيزينج مبادئ مثل هذه الآلات في عام 1924، ^[1] بينما تم بناء أول آلة تعمل بواسطة رولف فيدرو في عام 1928 ^[2] في جامعة RWTH في آخن . ^{[3] [4]} للمسرعات الخطية العديد من التطبيقات: فهي تولد الأشعة السينية والإلكترونات عالية الطاقة لأغراض طبية في العلاج الإشعاعي ، وتعمل كحاقن للجسيمات لمسرعات الطاقة العالية، وتُستخدم مباشرة لتحقيق أعلى طاقة حركية لجسيمات الضوء (الإلكترونات والبوزيترونات) لفيزياء الجسيمات .

يعتمد تصميم المعجل الخطي على نوع الجسيم الذي يتم تسريعه: الإلكترونات أو البروتونات أو الأيونات. يتراوح حجم المعجلات الخطية من أنبوب أشعة الكاثود (وهو نوع من المعجلات الخطية) إلى المعجل الخطي الذي يبلغ طوله 3.2 كيلومتر (2.0 ميل) في مختبر المعجلات الوطني SLAC في مينلو بارك، كاليفورنيا .

في عام 1924، نشر جوستاف إيزينج أول وصف لمسرع جسيمات خطي يستخدم سلسلة من فجوات التسارع. تتحرك الجسيمات عبر سلسلة من الأنابيب. وبتردد منتظم، يتم تطبيق جهد تسارع عبر كل فجوة. ومع اكتساب الجسيمات للسرعة بينما يظل التردد ثابتًا، يتم تباعد الفجوات بشكل أكبر وأبعد، وذلك لضمان تعرض الجسيم لجهد تسارع عند وصوله إلى كل فجوة. لم ينجح إيزينج في تنفيذ هذا التصميم أبدًا. ^[5]

اكتشف رولف ويدرو ورقة إيزينج في عام 1927، وكجزء من أطروحته للدكتوراه، بنى نسخة من الجهاز بطول 88 بوصة وفجوتين. حيث اقترح إيزينج فجوة شرارة كمصدر للجهد، استخدم ويدرو مذبذب أنبوب مفرغ بقوة 25 كيلو فولت . وقد أثبت بنجاح أنه نجح في تسريع أيونات الصوديوم والبوتاسيوم إلى طاقة 50000 فولت إلكترون (50 كيلو فولت)، وهو ضعف الطاقة التي كانت لتتلقاها إذا تم تسريعها مرة واحدة فقط بواسطة الأنبوب. ومن خلال تسريع الجسيم بنجاح عدة مرات باستخدام نفس مصدر الجهد، أثبت ويدرو فائدة تسريع التردد اللاسلكي (RF). ^[6]

كان هذا النوع من المعجلات الخطية محدودًا بمصادر الجهد المتاحة في ذلك الوقت، ولم يكن لويس ألفاريز قادرًا على استخدام مذبذبات عالية التردد تم تطويرها حديثًا لتصميم أول مسرع خطي ذي أنبوب تجويف رنيني إلا بعد الحرب العالمية الثانية . يختلف المعجل الخطي من ألفاريز عن نوع وايدرو في أن طاقة التردد اللاسلكي تُطبق على الغرفة الرنانة بأكملها التي ينتقل خلالها الجسيم، ولا تُستخدم الأنابيب المركزية إلا لحماية الجسيمات أثناء الجزء المتباطئ من طور المذبذب. يعني استخدام هذا النهج في التسارع أن أول مسرع خطي من ألفاريز كان قادرًا على تحقيق طاقات بروتونية تبلغ 31.5 ميجا إلكترون فولت في عام 1947، وهو أعلى مستوى تم الوصول إليه في ذلك الوقت. ^[7]

لم تكن المعجلات الخطية الأولية من نوع ألفاريز تحتوي على آلية قوية للحفاظ على تركيز الشعاع وكانت محدودة في الطول والطاقة نتيجة لذلك. أدى تطوير مبدأ التركيز القوي في أوائل الخمسينيات من القرن العشرين إلى تركيب مغناطيسات رباعية الأقطاب للتركيز داخل أنابيب الانجراف، مما يسمح بمعجلات خطية أطول وبالتالي أكثر قوة. تم بناء اثنين من أقدم الأمثلة على المعجلات الخطية من نوع ألفاريز ذات مغناطيسات التركيز القوية في سيرن ومختبر بروكهافن الوطني . ^[8]

في عام 1947، وفي نفس الوقت تقريبًا الذي كان فيه ألفاريز يطور مفهومه للمسرع الخطي للبروتونات، قام ويليام هانسن ببناء أول مسرع إلكترون موجة متنقل في جامعة ستانفورد. ^[9] الإلكترونات أخف وزنًا من البروتونات بدرجة كافية بحيث تصل إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء في وقت مبكر من عملية التسارع. ونتيجة لذلك، تزداد طاقة الإلكترونات "المتسارعة" ولكن يمكن التعامل معها على أنها ذات سرعة ثابتة من وجهة نظر تصميم المسرع. سمح هذا لهانسن باستخدام بنية تسريع تتكون من موجه أفقي محمل بسلسلة من الأقراص. كان لمسرع عام 1947 طاقة 6 ميجا إلكترون فولت. بمرور الوقت، سيمتد تسريع الإلكترون في مختبر المسرع الوطني SLAC إلى حجم 2 ميل (3.2 كم) وطاقة خرج 50 جيجا إلكترون فولت. ^[10]

مع تطوير المعجلات الخطية بتيارات شعاعية أعلى، فإن استخدام المجالات المغناطيسية لتركيز حزم البروتون والأيونات الثقيلة كان يمثل صعوبات في المراحل الأولية للمعجل. ولأن القوة المغناطيسية تعتمد على سرعة الجسيم، فقد كان من المرغوب فيه إنشاء نوع من المعجلات يمكنه تسريع وتركيز الهادرونات منخفضة إلى متوسطة الطاقة في نفس الوقت . ^[11] في عام 1970، اقترح الفيزيائيان السوفييت إم. كابشينسكي وفلاديمير تيبلاكوف نوع هيكل تسريع رباعي الأقطاب بترددات الراديو (RFQ). تستخدم RFQs ريشًا أو قضبانًا ذات أشكال مصممة بدقة في تجويف رنيني لإنتاج مجالات كهربائية معقدة. توفر هذه المجالات تسارعًا وتركيزًا متزامنين لحزم الجسيمات المحقونة. ^[12]

بدءًا من ستينيات القرن العشرين، بدأ العلماء في جامعة ستانفورد وأماكن أخرى في استكشاف استخدام تجاويف الترددات الراديوية الفائقة التوصيل لتسريع الجسيمات. ^[13] تسمح التجاويف الفائقة التوصيل المصنوعة من سبائك النيوبيوم بتسريع أكثر كفاءة، حيث يمكن تطبيق جزء أعلى بكثير من طاقة الإدخال على الشعاع بدلاً من فقدها في الحرارة. تضمنت بعض أقدم المعجلات الخطية الفائقة التوصيل المعجل الخطي الفائق التوصيل (للإلكترونات) في جامعة ستانفورد ^[14] ونظام المعجل الخطي الترادف أرغون (للبروتونات والأيونات الثقيلة) في مختبر أرغون الوطني . ^[15]

عندما يوضع جسيم مشحون في مجال كهرومغناطيسي فإنه يتعرض لقوة يحددها قانون قوة لورنتز :

${\displaystyle {\vec {F}}=q{\vec {E}}+q{\vec {v}}\times {\vec {B}}}$

حيث تكون الشحنة على الجسيم، ويكون المجال الكهربائي، ويكون سرعة الجسيم، ويكون المجال المغناطيسي. يعني حاصل الضرب الاتجاهي في مصطلح المجال المغناطيسي أنه لا يمكن استخدام المجالات المغناطيسية الثابتة لتسريع الجسيم، حيث تعمل القوة المغناطيسية بشكل عمودي على اتجاه حركة الجسيم. ^[16]${\displaystyle q}$${\displaystyle {\vec {E}}}$${\displaystyle {\vec {v}}}$${\displaystyle {\vec {B}}}$

نظرًا لأن الانهيار الكهروستاتيكي يحد من أقصى جهد ثابت يمكن تطبيقه عبر فجوة لإنتاج مجال كهربائي، فإن معظم المسرعات تستخدم شكلًا من أشكال تسريع التردد اللاسلكي. في تسريع التردد اللاسلكي، يعبر الجسيم سلسلة من مناطق التسارع، مدفوعًا بمصدر جهد بطريقة تجعل الجسيم يرى مجالًا متسارعًا أثناء عبوره لكل منطقة. في هذا النوع من التسارع، يجب أن تنتقل الجسيمات بالضرورة في "مجموعات" تتوافق مع جزء من دورة المذبذب حيث يشير المجال الكهربائي في الاتجاه المقصود للتسارع. ^[17]

إذا تم استخدام مصدر جهد متذبذب واحد لتشغيل سلسلة من الفجوات، فيجب وضع هذه الفجوات بعيدًا عن بعضها البعض بشكل متزايد مع زيادة سرعة الجسيم. وهذا لضمان أن "يرى" الجسيم نفس مرحلة دورة المذبذب عندما يصل إلى كل فجوة. عندما تقترب الجسيمات بشكل مقارب من سرعة الضوء، يصبح فصل الفجوة ثابتًا: تزيد القوة الإضافية المطبقة من طاقة الجسيمات ولكنها لا تغير سرعتها بشكل كبير. ^{[16] : 9-12}

من أجل ضمان عدم هروب الجسيمات من المعجل، من الضروري توفير شكل من أشكال التركيز لإعادة توجيه الجسيمات التي تتحرك بعيدًا عن المسار المركزي نحو المسار المقصود. مع اكتشاف التركيز القوي ، يتم استخدام المغناطيسات الرباعية الأقطاب لإعادة توجيه الجسيمات التي تتحرك بعيدًا عن مسار المرجع بشكل نشط. نظرًا لأن المغناطيسات الرباعية الأقطاب تركز في اتجاه عرضي واحد وتفقد التركيز في الاتجاه العمودي، فمن الضروري استخدام مجموعات من المغناطيسات لتوفير تأثير تركيز كلي في كلا الاتجاهين. ^[16]

التركيز على طول اتجاه السفر، والمعروف أيضًا باسم استقرار الطور ، هو خاصية متأصلة في تسارع التردد الراديوي. إذا وصلت جميع الجسيمات في الحزمة إلى منطقة التسارع أثناء مرحلة ارتفاع المجال المتذبذب، فإن الجسيمات التي تصل مبكرًا سترى جهدًا أقل قليلاً من الجسيم "المرجعي" في مركز الحزمة. وبالتالي، ستتلقى هذه الجسيمات تسارعًا أقل قليلاً وستتخلف في النهاية عن الجسيم المرجعي. وبالمثل، ستتلقى الجسيمات التي تصل بعد الجسيم المرجعي تسارعًا أكبر قليلاً، وستلحق بالمرجع نتيجة لذلك. يحدث هذا التصحيح التلقائي عند كل فجوة تسارع، لذلك يتم إعادة تركيز الحزمة على طول اتجاه السفر في كل مرة يتم تسريعها. ^{[17] : 30–52}

يتكون مسرع الجسيمات الخطي من الأجزاء التالية:

• غرفة فراغ ذات أنبوب مجوف مستقيم تحتوي على المكونات الأخرى. يتم إخلاؤها بمضخة فراغ حتى لا تصطدم الجسيمات المتسارعة بجزيئات الهواء. يختلف الطول حسب التطبيق. إذا تم استخدام الجهاز لإنتاج الأشعة السينية للفحص أو العلاج، فقد يبلغ طول الأنبوب 0.5 إلى 1.5 متر فقط. ^[18] إذا كان الجهاز عبارة عن محقن لمسرع سنكروترون ، فقد يبلغ طوله حوالي عشرة أمتار. ^[19] إذا تم استخدام الجهاز كمسرع أساسي للتحقيقات في الجسيمات النووية، فقد يبلغ طوله عدة آلاف من الأمتار. ^[20]
• مصدر الجسيمات (S) في أحد طرفي الغرفة والذي ينتج الجسيمات المشحونة التي تعمل الآلة على تسريعها. يعتمد تصميم المصدر على الجسيم الذي يتم تسريعه. يتم توليد الإلكترونات بواسطة كاثود بارد أو كاثود ساخن أو كاثود ضوئي أو مصادر أيونات تردد الراديو . يتم توليد البروتونات في مصدر أيوني ، والذي يمكن أن يكون له العديد من التصميمات المختلفة. إذا كان من المقرر تسريع جسيمات أثقل (مثل أيونات اليورانيوم )، فهناك حاجة إلى مصدر أيوني متخصص. يحتوي المصدر على مصدر جهد عالي خاص به لحقن الجسيمات في خط الشعاع. ^[21]
• تمتد على طول الأنبوب من المصدر سلسلة من الأقطاب الأسطوانية المفتوحة (C1، C2، C3، C4) ، والتي يزداد طولها تدريجيًا مع المسافة من المصدر. تمر الجسيمات من المصدر عبر هذه الأقطاب. يتم تحديد طول كل قطب من خلال تردد وقوة مصدر الطاقة الدافعة والجسيم المراد تسريعه، بحيث يمر الجسيم عبر كل قطب في نصف دورة بالضبط من جهد التسارع. كتلة الجسيم لها تأثير كبير على طول الأقطاب الأسطوانية؛ على سبيل المثال، الإلكترون أخف بكثير من البروتون وبالتالي سيتطلب عمومًا قسمًا أصغر بكثير من الأقطاب الأسطوانية لأنه يتسارع بسرعة كبيرة.
• الهدف الذي تصطدم به الجسيمات، ويقع في نهاية الأقطاب الكهربائية المتسارعة. إذا تم تسريع الإلكترونات لإنتاج الأشعة السينية، يتم استخدام هدف التنغستن المبرد بالماء . تُستخدم مواد هدف مختلفة عند تسريع البروتونات أو النوى الأخرى، اعتمادًا على التحقيق المحدد. خلف الهدف توجد أجهزة كشف مختلفة للكشف عن الجسيمات الناتجة عن اصطدام الجسيمات الواردة بذرات الهدف. تعمل العديد من المعجلات الخطية كمرحلة مسرع أولية لمسرعات الجسيمات الأكبر مثل السنكروترونات وحلقات التخزين ، وفي هذه الحالة بعد مغادرة الأقطاب الكهربائية تدخل الجسيمات المتسارعة المرحلة التالية من المسرع.
• مذبذب ومضخم إلكتروني (G) يولد جهد تيار متردد بتردد لاسلكي عالي الجهد (عادةً آلاف الفولتات) والذي يتم تطبيقه على الأقطاب الأسطوانية. هذا هو جهد التسارع الذي ينتج المجال الكهربائي الذي يعمل على تسريع الجسيمات. يتم تطبيق جهد الطور المعاكس على الأقطاب المتعاقبة. سيكون للمسرع عالي القدرة مضخم منفصل لتشغيل كل قطب كهربائي، وكلها متزامنة بنفس التردد.

كما هو موضح في الرسوم المتحركة، فإن الجهد المتذبذب المطبق على أقطاب أسطوانية متناوبة له قطبية معاكسة ( خارج الطور بمقدار 180 درجة )، لذا فإن الأقطاب الكهربائية المجاورة لها جهد متعاكس. وهذا يخلق مجالًا كهربائيًا متذبذبًا (E) في الفجوة بين كل زوج من الأقطاب الكهربائية، والذي يمارس قوة على الجسيمات عندما تمر من خلاله، ويمنحها الطاقة عن طريق تسريعها. يحقن مصدر الجسيمات مجموعة من الجسيمات في القطب الأول مرة واحدة في كل دورة من الجهد، عندما تكون الشحنة على القطب معاكسة للشحنة على الجسيمات. في كل مرة تمر فيها مجموعة الجسيمات عبر قطب كهربائي، تتغير قطبية الجهد المتذبذب، لذلك عندما تصل الجسيمات إلى الفجوة بين الأقطاب الكهربائية يكون المجال الكهربائي في الاتجاه الصحيح لتسريعها. لذلك، تتسارع الجسيمات إلى سرعة أكبر في كل مرة تمر فيها بين الأقطاب الكهربائية؛ يوجد مجال كهربائي ضئيل داخل الأقطاب الكهربائية، لذلك تنتقل الجسيمات بسرعة ثابتة داخل كل قطب كهربائي.

يتم حقن الجسيمات في الوقت المناسب بحيث يكون فرق الجهد المتذبذب بين الأقطاب الكهربائية هو الحد الأقصى عندما تعبر الجسيمات كل فجوة. إذا كان الجهد الأقصى المطبق بين الأقطاب الكهربائية هو فولت، وكانت الشحنة على كل جسيم عبارة عن شحنات أولية ، فإن الجسيم يكتسب زيادة مساوية في طاقة فولت الإلكترون عند المرور عبر كل فجوة. وبالتالي تكون طاقة خرج الجسيمات هي ${\displaystyle V_{p}}$${\displaystyle q}$ ${\displaystyle qV_{p}}$

${\displaystyle E=qNV_{p}}$

فولت الإلكترون، حيث هو عدد الأقطاب الكهربائية المتسارعة في الآلة. ${\displaystyle N}$

عند السرعات القريبة من سرعة الضوء، ستكون الزيادة التدريجية في السرعة صغيرة، حيث تظهر الطاقة كزيادة في كتلة الجسيمات. في أجزاء المسرع حيث يحدث هذا، ستكون أطوال الأقطاب الكهربائية الأنبوبية ثابتة تقريبًا. يمكن تضمين عناصر عدسات مغناطيسية أو كهروستاتيكية إضافية لضمان بقاء الشعاع في وسط الأنبوب وأقطابه الكهربائية. قد تحافظ المسرعات الطويلة جدًا على محاذاة دقيقة لمكوناتها من خلال استخدام أنظمة سيرفو موجهة بواسطة شعاع ليزر.

هناك العديد من المفاهيم الجديدة قيد التطوير اعتبارًا من عام 2021. والهدف الأساسي هو جعل المسرعات الخطية أرخص، مع حزم أكثر تركيزًا، وطاقة أعلى أو تيار شعاع أعلى.

تستخدم المسرعات الخطية الحثية المجال الكهربائي الناتج عن مجال مغناطيسي متغير مع الزمن للتسريع - مثل البيتا ترون . يمر شعاع الجسيمات عبر سلسلة من نوى الفريت على شكل حلقة تقف واحدة خلف الأخرى، والتي يتم مغناطيسيتها بواسطة نبضات عالية التيار، وكل منها بدورها تولد نبضة بقوة مجال كهربائي على طول محور اتجاه الشعاع. تعتبر المسرعات الخطية الحثية مناسبة للنبضات القصيرة عالية التيار من الإلكترونات ولكن أيضًا من الأيونات الثقيلة. ^[22] يعود المفهوم إلى عمل نيكولاس كريستوفيلوس . ^[23] يعتمد تحقيقه بشكل كبير على التقدم في تطوير مواد الفريت الأكثر ملاءمة . مع الإلكترونات، تم تحقيق تيارات نبضية تصل إلى 5 كيلو أمبير عند طاقات تصل إلى 5 ميجا إلكترون فولت ومدد نبضية في نطاق 20 إلى 300 نانوثانية. ^[24]

في مسرعات الإلكترون الخطية السابقة، تُستخدم الجسيمات المتسارعة مرة واحدة فقط ثم تُدخل في ممتص (تفريغ شعاعي) ، حيث يتم تحويل طاقتها المتبقية إلى حرارة. في مسرع استعادة الطاقة الخطي (ERL)، يتم تسريع الجسيمات في الرنانات، وعلى سبيل المثال، في المموجات . يتم تغذية الإلكترونات المستخدمة مرة أخرى من خلال المسرع، خارج الطور بمقدار 180 درجة. وبالتالي تمر عبر الرنانات في مرحلة التباطؤ وبالتالي تعيد طاقتها المتبقية إلى المجال. المفهوم قابل للمقارنة بالدفع الهجين للسيارات الآلية، حيث يتم توفير الطاقة الحركية المنبعثة أثناء الكبح للتسارع التالي عن طريق شحن البطارية.

وقد أفاد مختبر بروكهافن الوطني ومركز هيلمهولتز في برلين من خلال مشروع "bERLinPro" عن أعمال التطوير المقابلة. يستخدم مسرع برلين التجريبي مرنانات تجويف النيوبيوم الفائقة التوصيل. في عام 2014، كانت هناك ثلاثة ليزرات الإلكترون الحر تعتمد على ERLs قيد التشغيل في جميع أنحاء العالم: في مختبر جيفرسون (الولايات المتحدة)، وفي معهد بودكر للفيزياء النووية (روسيا) وفي JAEA (اليابان). ^[25] في جامعة ماينز ، من المتوقع أن يبدأ تشغيل ERL يسمى MESA في عام 2024. ^[26]

يوفر مفهوم المصادم الخطي المدمج (CLIC) (الاسم الأصلي CERN Linear Collider، بنفس الاختصار) للإلكترونات والبوزيترونات مسرعًا للموجات المتنقلة لطاقات من رتبة 1 تيرا إلكترون فولت (TeV). ^[27] بدلاً من مكبرات الكليسترون العديدة الضرورية لتوليد قوة التسارع، يجب استخدام مسرع خطي ثانٍ للإلكترون الموازي ذي طاقة أقل، والذي يعمل مع تجاويف فائقة التوصيل تتشكل فيها الموجات المستقرة. يتم استخراج الطاقة عالية التردد منه على فترات منتظمة ونقلها إلى المسرع الرئيسي. بهذه الطريقة، يجب تحقيق قوة مجال تسارع عالية جدًا تبلغ 80 ميجا فولت / متر.

في الرنانات التجويفية، تحد القوة العازلة من أقصى تسارع يمكن تحقيقه ضمن مسافة معينة. يمكن التحايل على هذا الحد باستخدام موجات متسارعة في البلازما لتوليد مجال التسارع في مسرعات كيلفيلد : يثير شعاع الليزر أو الجسيمات تذبذبًا في البلازما ، وهو ما يرتبط بقوى مجال كهربائي قوية جدًا. وهذا يعني أنه من الممكن بناء مسرعات خطية أكثر إحكاما بشكل كبير (بمقدار 100 إلى 1000). تشير التجارب التي تنطوي على أشعة الليزر عالية الطاقة في بلازما بخار المعدن إلى أنه من الممكن تمامًا تقليل طول خط الشعاع من بضع عشرات الأمتار إلى بضعة سنتيمترات.

يأمل برنامج LIGHT (المسرع الخطي للعلاج بالهادرون الموجه بالصور) في إنشاء تصميم قادر على تسريع البروتونات إلى 200 ميجا إلكترون فولت أو نحو ذلك للاستخدام الطبي على مسافة بضع عشرات من الأمتار، من خلال تحسين تقنيات التسريع الحالية وتداخلها ^[28] يستخدم التصميم الحالي (2020) أعلى تردد عملي للحزمة (حاليًا ~ 3 جيجاهرتز) لمرحلة رباعي الأقطاب الترددي اللاسلكي (RFQ) من الحقن عند 50 كيلو فولت تيار مستمر إلى حزم ~ 5 ميجا إلكترون فولت، ومسرع خطي أنبوبي مقترن جانبيًا (SCDTL) للتسريع من 5 ميجا إلكترون فولت إلى ~ 40 ميجا إلكترون فولت ومرحلة نهائية للمسرع الخطي المقترن بالخلية (CCL)، مما يرفع الناتج إلى 200-230 ميجا إلكترون فولت. تم تحسين كل مرحلة للسماح بالاقتران الوثيق والتشغيل المتزامن أثناء تراكم طاقة الشعاع. يهدف المشروع إلى جعل العلاج بالبروتون طبًا سائدًا أكثر سهولة في الوصول إليه كبديل للعلاج الإشعاعي الحالي.

كلما زاد تردد جهد التسارع المختار، زاد عدد دفعات التسارع الفردية لكل طول مسار يتعرض له جسيم بسرعة معينة، وبالتالي يمكن أن يكون المعجل أقصر بشكل عام. ولهذا السبب تم تطوير تقنية المعجلات سعياً وراء طاقات جسيمات أعلى، وخاصة نحو الترددات الأعلى.

تعمل مفاهيم المسرع الخطي (والتي غالبًا ما تسمى هياكل المسرع من الناحية الفنية) والتي تم استخدامها منذ عام 1950 تقريبًا مع الترددات في النطاق من حوالي 100 ميجا هرتز إلى بضعة جيجا هرتز (GHz) وتستخدم مكون المجال الكهربائي للموجات الكهرومغناطيسية.

عندما يتعلق الأمر بطاقات تزيد عن بضعة ميجا إلكترون فولت، فإن مسرعات الأيونات تختلف عن تلك الخاصة بالإلكترونات. والسبب في ذلك هو الفارق الكبير في الكتلة بين الجسيمات. تقترب الإلكترونات بالفعل من سرعة الضوء ، وهو الحد الأقصى للسرعة المطلقة، عند بضعة ميجا إلكترون فولت؛ ومع المزيد من التسارع، كما هو موضح في الميكانيكا النسبية ، تزداد طاقتها وزخمها فقط تقريبًا . من ناحية أخرى، مع أيونات من هذا النطاق من الطاقة، تزداد السرعة أيضًا بشكل كبير بسبب المزيد من التسارع.

تعتمد مفاهيم التسارع المستخدمة اليوم للأيونات دائمًا على الموجات الكهرومغناطيسية المستقرة التي تتشكل في الرنانات المناسبة . اعتمادًا على نوع الجسيم ونطاق الطاقة والمعلمات الأخرى، يتم استخدام أنواع مختلفة جدًا من الرنانات؛ وتغطي الأقسام التالية بعضًا منها فقط. يمكن أيضًا تسريع الإلكترونات باستخدام موجات متوقفة أعلى من بضعة ميجا إلكترون فولت. ومع ذلك، فإن البديل المفيد هنا هو الموجة التقدمية، الموجة المتنقلة. يجب أن تكون سرعة الطور للموجة المتنقلة مساوية تقريبًا لسرعة الجسيم. لذلك، فإن هذه التقنية مناسبة فقط عندما تكون الجسيمات تقريبًا بسرعة الضوء، بحيث تزداد سرعتها قليلاً فقط.

كان تطوير المذبذبات عالية التردد ومكبرات الطاقة منذ أربعينيات القرن العشرين، وخاصة الكليسترون، ضروريًا لهاتين التقنيتين للتسريع. تم بناء أول مسرع خطي أكبر مع موجات ثابتة - للبروتونات - في عامي 1945/1946 في مختبر لورانس بيركلي الوطني تحت إشراف لويس دبليو ألفاريز . كان التردد المستخدم 200 ميجا هرتز . تم تطوير أول مسرع للإلكترون بموجات متنقلة تبلغ حوالي 2 جيجا هرتز بعد ذلك بقليل في جامعة ستانفورد بواسطة دبليو دبليو هانسن وزملائه. ^[29]

مبدأ تسريع حزم الجسيمات

في الرسمين البيانيين، يشير المنحنى والسهام إلى القوة المؤثرة على الجسيمات. فقط عند النقاط ذات الاتجاه الصحيح لمتجه المجال الكهربائي، أي الاتجاه الصحيح للقوة، يمكن للجسيمات امتصاص الطاقة من الموجة. (لا يمكن رؤية زيادة في السرعة في مقياس هذه الصور.)

يمكن للمسرع الخطي أن ينتج طاقات جسيمات أعلى من مسرعات الجسيمات الكهروستاتيكية السابقة ( مسرع كوكروفت-والتون ومولد فان دي جراف ) التي كانت قيد الاستخدام عند اختراعه. في هذه الآلات، تم تسريع الجسيمات مرة واحدة فقط بواسطة الجهد المطبق، وبالتالي فإن طاقة الجسيمات بوحدة الإلكترون فولت كانت مساوية لجهد التسارع على الآلة، والذي كان محدودًا ببضعة ملايين فولت بسبب انهيار العزل. في المسرع الخطي، يتم تسريع الجسيمات عدة مرات بواسطة الجهد المطبق، وبالتالي فإن طاقة الجسيمات ليست محدودة بجهد التسارع.

كما يتم تطوير المعجلات الخطية عالية القدرة لإنتاج الإلكترونات بسرعات نسبية، وهو أمر مطلوب لأن الإلكترونات السريعة التي تسافر في قوس ستفقد الطاقة من خلال إشعاع السنكروترون ؛ وهذا يحد من الحد الأقصى للطاقة التي يمكن نقلها إلى الإلكترونات في السنكروترون بحجم معين. كما أن المعجلات الخطية قادرة على إنتاج كميات هائلة من الجسيمات، حيث تنتج تيارًا مستمرًا تقريبًا من الجسيمات، في حين أن السنكروترون لن يرفع الجسيمات إلا بشكل دوري إلى طاقة كافية لاستحقاق "طلقة" على الهدف. (يمكن الاحتفاظ بالدفعة أو تخزينها في الحلقة عند طاقة معينة لإعطاء الإلكترونيات التجريبية الوقت للعمل، ولكن متوسط ​​تيار الخرج لا يزال محدودًا). ​​تجعل الكثافة العالية للخرج المعجل الخطي جذابًا بشكل خاص للاستخدام في تحميل مرافق حلقات التخزين بالجسيمات استعدادًا لاصطدامات الجسيمات بالجسيمات. كما يجعل الناتج العالي الكتلة الجهاز عمليًا لإنتاج جسيمات المادة المضادة ، والتي يصعب الحصول عليها عمومًا، كونها جزءًا صغيرًا فقط من منتجات تصادم الهدف. يمكن بعد ذلك تخزينها واستخدامها بشكل أكبر لدراسة فناء المادة والمادة المضادة.

بدأ العلاج الإشعاعي القائم على المعجل الخطي لعلاج السرطان مع أول مريض عولج في عام 1953 في لندن بالمملكة المتحدة، في مستشفى هامرسميث ، بجهاز 8 ميجا فولت بناه متروبوليتان فيكرز وتم تركيبه في عام 1952، كأول مسرع خطي طبي مخصص. ^[30] بعد فترة وجيزة في عام 1954، تم تركيب مسرع خطي 6 ميجا فولت في ستانفورد بالولايات المتحدة الأمريكية، والذي بدأ العلاج فيه في عام 1956.

تعمل المسرعات الخطية الطبية على تسريع الإلكترونات باستخدام موجه تجويف مضبوط، حيث تخلق طاقة التردد اللاسلكي موجة ثابتة . تحتوي بعض المسرعات الخطية على موجهات قصيرة مثبتة رأسياً، بينما تميل الآلات ذات الطاقة الأعلى إلى أن يكون لها موجه أفقي أطول ومغناطيس منحني لتحويل الشعاع رأسياً نحو المريض. تستخدم المسرعات الخطية الطبية حزم إلكترونية أحادية الطاقة بين 4 و25 ميجا إلكترون فولت، مما يعطي خرجًا للأشعة السينية مع طيف من الطاقات يصل إلى طاقة الإلكترون بما في ذلك طاقة الإلكترون عندما يتم توجيه الإلكترونات نحو هدف عالي الكثافة (مثل التنغستن ). يمكن استخدام الإلكترونات أو الأشعة السينية لعلاج كل من الأمراض الحميدة والخبيثة. ينتج المسرع الخطي شعاع إشعاع موثوق ومرن ودقيق. تعد تعدد استخدامات المسرع الخطي ميزة محتملة على العلاج بالكوبالت كأداة علاج. بالإضافة إلى ذلك، يمكن إيقاف تشغيل الجهاز ببساطة عند عدم استخدامه؛ لا يوجد مصدر يتطلب حماية شديدة - على الرغم من أن غرفة العلاج نفسها تتطلب حماية كبيرة للجدران والأبواب والسقف وما إلى ذلك لمنع تسرب الإشعاع المتناثر. يمكن أن يؤدي الاستخدام المطول للأجهزة عالية الطاقة (>18 ميجا إلكترون فولت) إلى إحداث كمية كبيرة من الإشعاع داخل الأجزاء المعدنية لرأس الجهاز بعد إزالة الطاقة عن الجهاز (أي أنها تصبح مصدرًا نشطًا ويجب مراعاة الاحتياطات اللازمة).

في عام 2019، تم تطوير مجموعة نموذجية صغيرة من المعجل الخطي تحتوي على 82 كتلة بناء للأطفال الذين يخضعون للعلاج الإشعاعي للسرطان. والأمل هو أن يخفف بناء النموذج بعض الضغوط التي يعاني منها الطفل قبل الخضوع للعلاج من خلال مساعدته على فهم ما يستلزمه العلاج. تم تطوير المجموعة من قبل البروفيسور ديفيد بريتل، معهد الفيزياء والهندسة في الطب (IPEM) بالتعاون مع الشركة المصنعة Best-Lock Ltd. ويمكن رؤية النموذج في متحف العلوم، لندن .

كما ألقى النقص المتوقع في الموليبدينوم-99 ، والنظير الطبي تكنيشيوم-99م المستخرج منه، الضوء على تقنية المعجل الخطي لإنتاج الموليبدينوم-99 من اليورانيوم غير المخصب من خلال القصف النيوتروني. وهذا من شأنه أن يمكن صناعة النظائر الطبية من تصنيع هذا النظير الحاسم من خلال عملية دون الحرجة. يمكن استبدال المرافق القديمة، على سبيل المثال مختبرات تشالك ريفر في أونتاريو، كندا، والتي لا تزال تنتج الآن معظم الموليبدينوم-99 من اليورانيوم عالي التخصيب، بهذه العملية الجديدة. وبهذه الطريقة، سيتم تحقيق التحميل دون الحرج لأملاح اليورانيوم القابلة للذوبان في الماء الثقيل مع القصف النيوتروني الضوئي اللاحق واستخراج المنتج المستهدف، الموليبدينوم-99. ^{[31] [ مصدر أفضل مطلوب ]}

This section does not cite any sources. Please help improve this section by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. (June 2017) (Learn how and when to remove this message)

• يحدد طول الجهاز المواقع التي يمكن وضعه فيها.
• هناك حاجة إلى عدد كبير من أجهزة التشغيل وإمدادات الطاقة المرتبطة بها، مما يزيد من تكاليف إنشاء وصيانة هذا الجزء.
• إذا كانت جدران تجاويف التسارع مصنوعة من مادة موصلة بشكل طبيعي وكانت حقول التسارع كبيرة، فإن مقاومة الجدار تحول الطاقة الكهربائية إلى حرارة بسرعة. من ناحية أخرى، تحتاج الموصلات الفائقة أيضًا إلى تبريد مستمر لإبقائها أقل من درجة حرارتها الحرجة، وتكون حقول التسارع محدودة بالإخماد . لذلك، يتم تشغيل مسرعات الطاقة العالية مثل SLAC ، والتي لا تزال الأطول في العالم (في أجيالها المختلفة)، في نبضات قصيرة، مما يحد من متوسط ​​خرج التيار ويجبر الكواشف التجريبية على التعامل مع البيانات الواردة في دفعات قصيرة.

• رسوم متحركة لمسرع الجسيمات الخطي (LINAC) بواسطة Ionactive
• مسرع الجسيمات الخطية تانديترون 2MV في ليوبليانا، سلوفينيا