مختبر ماكس الرابع

يُعدّ MAX IV مرفقًا لمصدر ضوء السنكروترون في مدينة لوند السويدية، تحديدًا في حي برونشوغ الشمالي الشرقي، ضمن منطقة ابتكار تضمّ مركز علوم الأرض (ESS) وقرية العلوم. يستخدم MAX IV ضوء السنكروترون لفحص المواد على مستوى الميكرومتر والنانومتر، وعلى مستوى النانوثانية والبيكوثانية لفهم خصائصها الكيميائية والفيزيائية. تُطبّق أبحاث المواد التي تُجرى في MAX IV على نطاق واسع في المجالات الطبية والتقنية والبيولوجية والزراعية والصناعية والثقافية. بدأ تشغيله عام 2016، وهو أول مصدر ضوء سنكروترون من الجيل الرابع في العالم. يضمّ MAX IV مُسرّعًا خطيًا واحدًا (linac) بخط شعاع واحد، وحلقتين تخزينيتين تحتويان على 5 و11 خط شعاع على التوالي. يصطدم الإشعاع بالعينات في محطات تجريبية في نهاية كل خط شعاع، ويتم فحصها باستخدام تقنيات الحيود أو التحليل الطيفي أو التصوير لتحديد البنية الفيزيائية والتركيب الكيميائي والديناميكيات وغيرها من خصائص العينات.

تُسهم الأبحاث التي تُجرى في مركز MAX IV في مساعدة الباحثين والشركات على تطوير أدوية ومواد جديدة، ويمكن تتبع العديد من براءات الاختراع إلى الأبحاث والنتائج التي أُجريت في المركز. يبلغ عدد موظفي المركز حوالي 300 موظف بدوام كامل. وقد ازداد عدد الباحثين الزائرين ومقالاتهم المنشورة سنويًا بشكل مطرد منذ افتتاح المركز، ويبلغ حاليًا حوالي 2000 باحث زائر و300 مقالة منشورة سنويًا، بمتوسط ​​معامل تأثير يبلغ حوالي 7.5. ولا يُطلب من الباحثين الزائرين الذين ينشرون أبحاثهم دفع أي رسوم مقابل استخدام وقت شعاع MAX IV، وذلك بهدف زيادة عدد المتقدمين. تُقدّم الطلبات مرتين سنويًا عبر موقع MAX IV الإلكتروني.

يهدف مشروع MAX IV إلى جمع معلومات حول المواد والأشياء في المجتمع والطبيعة، مما يُسهم في فهم العالم بشكل أفضل وكيفية الاستفادة منه. تشمل تطبيقاته تطوير مواد جديدة، ومستحضرات تجميل، وإلكترونيات، وأدوية، وأغذية. ويمكن فحص جميع المواد والأشياء التي يُمكن تصنيع عينة بحجم 1 مليمتر تقريبًا. ويتم ذلك باستخدام إشعاع السنكروترون (SR) لدراسة العينات على مستوى الميكرومتر والنانومتر، وعلى مستوى النانوثانية والبيكوثانية، تمامًا كالمجهر أو "النانوسكوب" في نطاق زمني قصير جدًا. وبهذه الطريقة، يُمكن الكشف عن التركيب الجزيئي والذري، وبالتالي معظم المعلومات المتاحة عن العينات. ويمكن أن تكون العينات فيزيائية، أو كيميائية، أو بيولوجية، أو تقنية، أو طبية، أو من أنواع أخرى.

بالنسبة لمقياس الطول، تُقاس الحلقة الصغيرة R1 بالميكرومتر باستخدام الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية اللينة، بينما تُقاس الحلقة الكبيرة R3 بالنانومتر باستخدام الأشعة السينية اللينة والصلبة في الغالب، وكلاهما يعملان على مقياس زمني نانوثانية بفضل حزم الإلكترونات التي يبلغ طولها الزمني 0.1 نانوثانية. أما جهاز النبضات القصيرة (SPF)، فيعمل على مقياس طول نانومتري باستخدام الأشعة السينية اللينة والصلبة، وعلى مقياس زمني بيكوثانية بفضل حزم الإلكترونات التي يصل طولها الزمني إلى حوالي 0.1 بيكوثانية. تُستخدم الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية اللينة لفحص الجسيمات الدقيقة والخلايا وغيرها من التراكيب على مقياس طول ميكرومتري. ونظرًا لعمق اختراقها المنخفض، تُستخدم أيضًا لفحص التراكيب السطحية للعينات. بينما تُستخدم الأشعة السينية اللينة والصلبة لفحص الجسيمات النانوية والجزيئات والذرات المفردة وغيرها من التراكيب على مقياس طول نانومتري. نظراً لقدرة الأشعة السينية اللينة والصلبة على اختراق عميق، تُستخدم هذه الأشعة لفحص البنية الداخلية للعينات. فعلى نطاق زمني نانوي، يمكن رصد حركة البنى داخل العينة أو على سطحها نتيجةً لتغيرات درجة الحرارة والضغط. أما على نطاق زمني بيكوثانية، فيمكن رصد الاهتزازات الجزيئية والتفاعلات الكيميائية داخل العينة.

بدأ تاريخ مسرعات الجسيمات في لوند في خمسينيات القرن الماضي، وشمل مسرعات MAX I وII وIII وIV، بالإضافة إلى مسرعات أخرى. بُني أول مسرع سنكروتروني في جامعة لوند، والذي يُعرف الآن باسم Ur-MAX، في المعهد الملكي للتكنولوجيا (KTH) بطاقة إلكترونية تبلغ 35 ميغا إلكترون فولت (MeV)، وتم تركيبه عام 1953. استُخدم حتى عام 1962، حين استُبدل بمسرع جامعة لوند السنكروتروني (LUSY) بطاقة إلكترونية تبلغ 1.2 غيغا إلكترون فولت. استُخدم LUSY في ستينيات القرن الماضي، وجرى تحديثه عام 1971، واستمر تشغيله حتى عام 1977. كان الهدف الرئيسي من Ur-MAX وLUSY هو أبحاث الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات، مع استخدام الإشعاع السنكروتروني كمنتج ثانوي. يُطلق على هذا النوع من السنكروترونات اسم مصدر الإشعاع السنكروتروني من الجيل الأول. بالتوازي مع استخدام LUSY، طُوّر مسرع السنكروترون ذو الشكل الحلزوني في المعهد الملكي للتكنولوجيا (KTH). استلهامًا من ذلك، قررت جامعة لوند في عام 1974 بناء مسرع إلكتروني بطاقة 100 ميغا إلكترون فولت، اكتمل بناؤه في عام 1979. سُمي هذا المسرع بمسرع الميكروترون للأشعة السينية (MAX)، ويُعرف الآن باسم ماكسين (Maxine). وفي عام 1981، أُنشئ مختبر الأبحاث الدولي MAX-lab بهدف بناء حلقة تخزين بطاقة 550 ميغا إلكترون فولت تُسمى MAX I، مع استخدام ماكسين كحاقن مخصص لأبحاث السنكروترون. يُطلق على هذا النوع من السنكروترون اسم مصدر السنكروترون من الجيل الثاني.

تم تجهيز قاعة الآلات في مختبر LTH للانتقال إليها عام 1983، ودارت أولى الإلكترونات في الحلقة عام 1985، وبدأ البحث عام 1987. احتوت الحلقة على 8 مغناطيسات ثنائية القطب للانحناء مرتبة في 4 أزواج تُعرف باسم "المغناطيسات اللونية ذات الانحناء المزدوج" (DBA). بلغ محيطها 32 مترًا، وانبعاثها 40 نانومترًا راديانًا، وأقصى تيار مخزن فيها 0.2 أمبير، وضمت في البداية 4 خطوط شعاعية، ثم توسعت لاحقًا إلى 7. بالتوازي، بدأ مختبر MAX ببناء MAX II عام 1991، واكتمل بناؤه عام 1995. كانت حلقة تخزين بطاقة إلكترونية 1.5 جيجا إلكترون فولت، و10 مغناطيسات لونية ذات انحناء مزدوج (DBA)، ومحيطها 90 مترًا، وانبعاثها 9 نانومترات راديانًا، وأقصى تيار مخزن فيها 0.35 أمبير، وضمت في البداية 7 خطوط شعاعية. في أربعة من خطوط الحزم، زُوِّد جهاز MAX II بأجهزة إدخال تُسمى المُموجات أو المُذبذبات لإنتاج الإشعاع السنكروتروني بدلاً من المغناطيسات المنحنية، مما زاد من سطوع الإشعاع. يُطلق على هذا النوع من السنكروترون اسم مصدر الإشعاع السنكروتروني من الجيل الثالث.

تم تحديث جهاز MAX I بإضافة خطين شعاعيين إضافيين مزودين بمموجات، ثم تم تحديث جهاز MAX II لاحقًا بإضافة خطين شعاعيين إضافيين مزودين بمموجات، بالإضافة إلى مموج آخر لأحد الخطوط الشعاعية القديمة. بالتوازي مع ذلك، تم استبدال جهاز Maxine بمسرع خطي بطول 9 أمتار وطاقة 250 ميجا إلكترون فولت، والذي كان يُستخدم مرتين لتزويد MAX I وMAX II بطاقة إلكترونية تبلغ 500 ميجا إلكترون فولت لحقنها. بعد ذلك، بدأ مختبر MAX ببناء جهاز MAX III، الذي اكتمل بناؤه عام 2007، بالتزامن مع التخطيط لجهاز MAX IV المستقبلي. احتوى جهاز MAX III على 8 خلايا مغناطيسية تتكون من مغانط ثنائية القطب للانحناء مع مغانط تركيز متعددة الأقطاب مدمجة، كنموذج أولي لجهاز MAX IV. وقد صمم هذا النموذج ميكائيل إريكسون، الأستاذ الأول في فيزياء المسرعات بجامعة لوند، ومدير الجهاز ومنسق التصميم في جهاز MAX IV. كان جهاز MAX III يتمتع بطاقة إلكترونية تبلغ 700 ميغا إلكترون فولت، ومحيط يبلغ 36 مترًا، وانبعاثية تبلغ 13 نانومترًا راديانًا، وأقصى تيار مخزن يبلغ 0.4 أمبير، ومُموجَين، و3 خطوط شعاعية. في عام 1988، كان مختبر MAX يستقبل 100 باحث زائر سنويًا. وقد ازداد هذا العدد تدريجيًا ليصل إلى 1000 باحث سنويًا في عام 2014.

اتخذ مجلس البحوث السويدي قرارًا ببناء MAX IV في عام 2009. بدأ البناء في عام 2010، واكتمل في عام 2016، حيث تم تركيب مُسرِّع خطي، وSPF، وحلقة جديدة R3، وإعادة استخدام MAX II المُطوَّرة كحلقة R1. بالتوازي مع ذلك، تم إغلاق مختبر MAX في عام 2015. احتوت MAX I وII وIII على مغناطيسات انحناء ثنائية القطب، ومغناطيسات تركيز رباعية وسداسية القطب. تحتوي R1 أيضًا على هذه الميزات، ولكنها مُدمجة كما في MAX III، مع الحفاظ على طاقة إلكترونية تبلغ 1.5 جيجا إلكترون فولت، وتم ترقيتها إلى 12 ديسيبل، ومحيط 96 مترًا، وانبعاثية 6 نانومتر راديان، وأقصى تيار مُخزَّن 0.5 أمبير. تحتوي حاليًا على 5 خطوط شعاعية مع 5 مُموجات، ولديها إمكانية بناء 5 خطوط أخرى من كل نوع. تحتوي R3 أيضًا على هذه المغناطيسات، مُدمجة كما في MAX III، بالإضافة إلى مغناطيسات تركيز ثمانية القطب. بدلاً من الأزواج، يتم ترتيب المغناطيسات ثنائية القطب المنحنية في مجموعات من 7 تسمى متعددة الانحناءات اللونية، MBA.

إضافةً إلى تكوينات MBA المزودة بمغناطيسات مدمجة، بما في ذلك المغناطيسات ثمانية الأقطاب، يتميز R3 بطبقة داخلية كاملة من مادة ماصة غير قابلة للتبخر (NEG) لخلق والحفاظ على فراغ فائق العلو (UHV) داخل الحلقة. تعمل تقنية MBA والفراغ الفائق على زيادة سطوع الإشعاع. يُطلق على هذا النوع من السنكروترون اسم مصدر SR من الجيل الرابع. عند اكتمال R3، كان أول مصدر SR من الجيل الرابع، والوحيد من بين حوالي 50 مصدر SR في العالم. حاليًا، تم دمج تقنية MBA وتقنية الطلاء الكامل بمادة NEG في معظم مرافق مسرعات الجسيمات في العالم. يتميز R3 بطاقة إلكترونية تبلغ 3 جيجا إلكترون فولت، و20 MBA، ومحيط 528 مترًا، وانبعاثية تتراوح بين 0.2 و0.33 نانومتر راديان، وأقصى تيار مخزن يبلغ 0.5 أمبير. يحتوي حاليًا على 11 خطًا شعاعيًا، أحدثها TomoWISE الذي تمت الموافقة عليه، مع 11 مموجًا وإمكانية بناء 8 مموجات أخرى من كل نوع.

يحتوي جهاز MAX IV على مصدرين للإلكترونات تحت سطح الأرض، أحدهما حراري ذو مهبط ساخن، والآخر كهروضوئي ذو مهبط ضوئي. يرسل المصدر الحراري الإلكترونات عبر المعجل الخطي الذي يبلغ طوله 300 متر إلى حلقتي التخزين R1 وR3 لبضع ثوانٍ كل 10 دقائق بشكل مستمر للحفاظ على إجمالي عدد الإلكترونات في حلقتي التخزين عند مستوى ثابت. يُعرف هذا باسم حاقن التعبئة. يحتوي المعجل الخطي على حوالي 6000 تجويف بترددات في نطاق الترددات الراديوية يبلغ 3  جيجاهرتز. بعد نصف المعجل الخطي، أي حوالي 150 مترًا (500  قدم)، ينقل خط نقل قطري حوالي ربع الإلكترونات بطاقة 1.5 جيجا إلكترون فولت إلى سطح الأرض لحلقة التخزين الصغيرة R1. بعد المعجل الخطي بأكمله، ينقل خط نقل قطري ثانٍ باقي الإلكترونات بطاقة 3 جيجا إلكترون فولت إلى سطح الأرض لحلقة التخزين الكبيرة R3. يُرسل المصدر الكهروضوئي الإلكترونات في باقي الأوقات عبر المعجل الخطي، حيث تُقسّم إلى حزم بمدة زمنية تصل إلى حوالي 0.1 بيكو ثانية، وتُهتز بواسطة مُذبذبات لإصدار أشعة سينية عالية الكثافة، سواءً كانت ناعمة أو صلبة. تُرسل هذه الأشعة إلى خط شعاع في مركز SPF، وتُستخدم لفحص العينات التي تُظهر اهتزازات جزيئية وتفاعلات كيميائية على هذا النطاق الزمني.

يبلغ محيط الحلقة R1 96 مترًا (315  قدمًا). وهي تتكون من 12  قسمًا مستقيمًا، طول كل منها 3.5 متر (حوالي 11 قدمًا)، مرقمة من 1 إلى 12، ويتبع كل قسم منها  زاوية مستديرة طولها 4.5 متر (15 قدمًا)، تُسمى العدسات اللا لونية ذات الانحناء المزدوج (DBA)، أي أن كل زاوية تحتوي على زوجين من مغانط الانحناء ثنائية القطب. يتجه المجال المغناطيسي نحو الأسفل بقوة تقارب 1 تسلا، جاذبًا الإلكترونات الواردة إلى اليمين، مما يجعلها تدور في اتجاه عقارب الساعة داخل الحلقة. دُمجت مغانط الانحناء ثنائية القطب مع مغانط تركيز رباعية وسداسية الأقطاب، مما يُعطي حزمة الإلكترونات حجم شعرة بشرية مضغوطة. في 5 من الأقسام المستقيمة الـ 12، تعمل مُذبذبات على تذبذب حزمة الإلكترونات، مما يؤدي إلى انبعاث أشعة فوق بنفسجية عالية الكثافة وأشعة سينية ناعمة، تُرسل من الحلقة إلى خطوط الحزمة حيث تصطدم بالعينات. إن استخدام أجهزة التموج يجعل الحلقة R1 مصدراً من الجيل الثالث للأشعة السينية. ويتم فحص العينات باستخدام تقنيات الحيود أو التحليل الطيفي أو التصوير.

القسم المستقيم 1 هو مدخل الإلكترونات إلى R1. يحتوي هذا القسم على مغناطيس حاجز لتوجيه الإلكترونات من خط النقل القطري إلى R1. القسم 2 فارغ لزيادة تركيز الحزمة بعد مغناطيس الحاجز. الأقسام من 3 إلى 6 و9 هي مواقع مستقبلية للمموجات مع خطوط حزم لاحقة، ويحتوي القسم 4 منها على 4 تجاويف تسريع بتردد 100  ميجاهرتز في نطاق الترددات الراديوية، والتي تعوض فقدان طاقة حزمة الإلكترونات الناتج عن مضخم الحزمة الموزع والمموجات. يضع هذا التردد الإلكترونات في حزم طولها 3 سنتيمترات (حوالي 1.2 بوصة)  تفصل بينها مسافة 3 أمتار (حوالي 10 أقدام). تحتوي الأقسام من 7 إلى 8 ومن 10 إلى 12 على المموجات الحالية مع خطوط حزم لاحقة.

يبلغ محيط الحلقة R3 528 مترًا (1732 قدمًا). وهي تتألف من 20 قسمًا مستقيمًا، طول كل منها  حوالي 5 أمتار (16 قدمًا)، مرقمة من 1 إلى 20، ويتبع كل قسم منها زاوية مستديرة طولها حوالي 22 مترًا (71 قدمًا)، تُسمى "العدسات اللونية متعددة الانحناء" (MBA)، أي أن كل زاوية تحتوي على 7 أزواج من مغانط ثنائية القطب. وكما هو الحال في الحلقة R1، يتجه المجال المغناطيسي نحو الأسفل بقوة تقارب 1 تسلا، جاذبًا الإلكترونات الواردة إلى اليمين، مما يجعلها تدور في اتجاه عقارب الساعة داخل الحلقة. وتُدمج مغانط ثنائية القطب مع مغانط تركيز رباعية وسداسية وثمانية الأقطاب، لتُعطي حزمة الإلكترونات حجم شعرة بشرية مضغوطة.  

يحتوي جهاز R3 أيضًا على طبقة داخلية كاملة من مادة ماصة غير قابلة للتبخر (NEG) لإنشاء والحفاظ على فراغ فائق العلو (UHV) داخل الحلقة. في 11 قسمًا من أصل 20 قسمًا مستقيمًا، تعمل أجهزة التموج على تذبذب حزمة الإلكترونات، مما يؤدي إلى انبعاث أشعة سينية عالية الكثافة (SR) تُرسل من الحلقة إلى خطوط الحزمة حيث تصطدم بالعينات. في 3 من خطوط الحزمة، تكون الأشعة السينية لينة وحساسة. أما في بقية خطوط الحزمة، فتكون الأشعة السينية حساسة وقوية. إن استخدام تقنية MBA والطبقة الكاملة من مادة NEG يجعل الحلقة R3 مصدرًا للأشعة السينية من الجيل الرابع. عند اكتمالها، كانت أول مصدر للأشعة السينية من الجيل الرابع في العالم. وكما هو الحال في R1، تُفحص العينات باستخدام تقنيات الحيود أو التحليل الطيفي أو التصوير.

القسم المستقيم 1 هو مدخل الإلكترونات إلى R3. يحتوي هذا القسم على مغناطيس حاجز لتوجيه الإلكترونات من خط النقل القطري إلى R3. الأقسام 2، 5-6، 13-15، و19-20 هي مواقع مستقبلية للمموجات مع خطوط حزم لاحقة. الأقسام 3-4، 7-12، و16-18 تحتوي على المموجات الحالية مع خطوط حزم لاحقة، حيث تُنتج الأقسام 16-18 أشعة سينية لينة وحساسة، بينما تُنتج الأقسام المتبقية أشعة سينية حساسة وقوية. نهاية مضخم الحزم الست (MBA) بعد الأقسام 16-20 و1 تحتوي على تجاويف تسريع، كما هو الحال في R1، بتردد نطاق الترددات الراديوية 100  ميجاهرتز، والتي تعوض فقدان طاقة حزمة الإلكترونات الناتج عن مضخم الحزم الست والمموجات. هذا التردد يُجمّع الإلكترونات في حزم طولها 3 سنتيمترات (حوالي 1.2 بوصة)  تفصل بينها مسافة 3 أمتار (حوالي 10 أقدام).

للمقارنة، تبلغ طاقة الفوتون للأشعة فوق البنفسجية 3.1-124 إلكترون فولت. أما الأشعة السينية اللينة واللينة والصلبة فتبلغ طاقتها 0.124-1.24 و1.24-12.4 و12.4-124 كيلو إلكترون فولت على التوالي.

• قائمة مرافق إشعاع السنكروترون
• المصدر الأوروبي للتشظي

• موقع مختبر ماكس الرابع
• موقع Lightsources.org ، معلومات حول مرافق مصادر الضوء السنكروترونية وليزر الإلكترون الحر في العالم
• التقييم الدولي لمفهوم MAX IV (2006)، مؤرشف بتاريخ 4 مارس 2016 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine ) بصيغة PDF.
• حالة مختبر MAX IV، مقال نُشر بواسطة دار نشر تايلور وفرانسيس في مجلة أخبار إشعاع السنكروترون بتاريخ 1 فبراير 2016، متاح على الإنترنت: http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/08940886.2016.1124683
• MAX IV جاهز لجعل غير المرئي مرئيًا، مقال نُشر بواسطة Taylor & Francis في Synchrotron Radiation News بتاريخ 2 ديسمبر 2016، متاح على الإنترنت: http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/08940886.2016.1244463