المصدر الوطني لضوء السنكروترون

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

كان مصدر الضوء السنكروتروني الوطني ( NSLS ) في مختبر بروكهافن الوطني (BNL) في أبتون، نيويورك، مرفقًا بحثيًا وطنيًا للمستخدمين ممولًا من قبل وزارة الطاقة الأمريكية . بُني NSLS في الفترة من 1978 إلى 1984، وأُغلق رسميًا في 30 سبتمبر 2014، [ 2 ] وكان يُعتبر من الجيل الثاني من السنكروترونات . [ 3 ]

تألفت أرضية التجارب في مرفق الإشعاع السنكروتروني الوطني (NSLS) من حلقتين لتخزين الإلكترونات: حلقة للأشعة السينية وحلقة للأشعة فوق البنفسجية الفراغية (VUV )، والتي وفرت ضوءًا مكثفًا ومركزًا يغطي الطيف الكهرومغناطيسي من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة السينية. وقد أتاحت خصائص هذا الضوء، بالإضافة إلى محطات التجارب المصممة خصيصًا، والتي تُسمى خطوط الحزم ، للعلماء في العديد من مجالات البحث إجراء تجارب لم تكن ممكنة في مختبراتهم الخاصة.

تاريخ

بدأ العمل في مشروع NSLS في 28 سبتمبر 1978. وبدأ تشغيل حلقة الأشعة فوق البنفسجية البعيدة في أواخر عام 1982، بينما تم تشغيل حلقة الأشعة السينية في عام 1984. وفي عام 1986، شهدت المرحلة الثانية من الإنشاءات توسعة NSLS بمقدار 4800 متر مربع (52000 قدم مربع ) ، مما أضاف مكاتب ومختبرات ومساحة لمعدات تجريبية جديدة. [ 3 ] بعد 32 عامًا من إنتاج ضوء السنكروترون، تم تفريغ آخر حزمة مخزنة في تمام الساعة 4:00 مساءً بتوقيت شرق الولايات المتحدة في 30 سبتمبر 2014، وأُغلق NSLS رسميًا. 

أثناء بناء مرفق الإشعاع السنكروتروني الوطني (NSLS)، ابتكر العالمان ريناتا تشاسمان وجورج كينيث غرين ترتيبًا دوريًا خاصًا للعناصر المغناطيسية ( شبكة مغناطيسية ) لتوفير انحناء وتركيز مثاليين للإلكترونات. [ 3 ] عُرف هذا التصميم باسم شبكة تشاسمان-غرين ، وأصبح أساس تصميم جميع حلقات تخزين السنكروترون . تتميز حلقات التخزين بعدد الأجزاء المستقيمة والمنحنية في تصميمها. تُنتج الأجزاء المنحنية ضوءًا أكثر من الأجزاء المستقيمة نظرًا لتغير الزخم الزاوي للإلكترونات. أخذ تشاسمان وغرين هذا الأمر في الحسبان عند تصميمهما بإضافة أجهزة إدخال، تُعرف باسم المذبذبات والمموجات ، في الأجزاء المستقيمة من حلقة التخزين. [ 3 ] تُنتج أجهزة الإدخال هذه أشد الضوء سطوعًا بين أجزاء الحلقة، ولذلك، تُبنى خطوط الحزم عادةً في اتجاه جريان الضوء منها.

حلقة الأشعة فوق البنفسجية

خط شعاعي لضوء السنكروترون في بروكهافن.

كانت حلقة الأشعة فوق البنفسجية الفراغية في المصدر الوطني للضوء السنكروتروني من أوائل مصادر الضوء من الجيل الثاني التي بدأت العمل في العالم. صُممت في البداية عام 1976 ودُشّنت عام 1983. [ 4 ] خلال المرحلة الثانية من التحديث عام 1986، أُضيف مُذبذبان/مُموجّمان إلى حلقة الأشعة فوق البنفسجية الفراغية، مما وفّر أعلى سطوع في منطقة الأشعة فوق البنفسجية الفراغية حتى ظهور مصادر الضوء من الجيل الثالث. [ 4 ]

حلقة الأشعة السينية

كانت حلقة الأشعة السينية في المصدر الوطني لضوء السنكروترون من أوائل حلقات التخزين المصممة كمصدر مخصص لإشعاع السنكروترون . [ 5 ] اكتمل تصميم الشبكة النهائي في عام 1978، وتم الحصول على أول حزمة مخزنة في سبتمبر 1982. وبحلول عام 1985، كان البرنامج التجريبي في مرحلة تطوير سريعة، وبحلول نهاية عام 1990، تم تشغيل خطوط الحزم وأجهزة الإدخال من المرحلة الثانية. [ 5 ]

تصميم

تُنتج الإلكترونات إشعاع السنكروترون الذي استُخدم في المحطات النهائية لخطوط الحزم. تُنتَج الإلكترونات أولًا بواسطة مدفع إلكتروني ثلاثي الأقطاب بقوة 100 كيلو إلكترون فولت . [ 6 ] ثم تمر هذه الإلكترونات عبر مُسرِّع خطي (ليناك)، حيث تصل طاقتها إلى 120 ميجا إلكترون فولت . [ 6 ] بعد ذلك، تدخل الإلكترونات حلقة مُعزِّزة، حيث تُرفع طاقتها إلى 750 ميجا إلكترون فولت، [ 6 ] ثم تُحقن إما في حلقة الأشعة فوق البنفسجية البعيدة أو حلقة الأشعة السينية. في حلقة الأشعة فوق البنفسجية البعيدة، تُرفع طاقة الإلكترونات تدريجيًا إلى 825 ميجا إلكترون فولت، بينما تُرفع طاقة الإلكترونات في حلقة الأشعة السينية تدريجيًا إلى 2.8 جيجا إلكترون فولت .

بمجرد دخولها إلى الحلقة، سواءً كانت أشعة فوق بنفسجية أو أشعة سينية، تدور الإلكترونات حول نفسها وتفقد طاقتها نتيجة لتغيرات في زخمها الزاوي ، مما يؤدي إلى انبعاث الفوتونات. تُعتبر هذه الفوتونات ضوءًا أبيض، أي متعدد الألوان ، وهي مصدر إشعاع السنكروترون. قبل استخدامها في محطة نهاية خط الحزمة، يتم تجميع الضوء قبل وصوله إلى أحادي اللون أو سلسلة من أحاديات اللون للحصول على طول موجي واحد وثابت.

أثناء التشغيل العادي، تفقد الإلكترونات في حلقات التخزين طاقتها، ولذلك، يُعاد حقن الحلقات كل 12 ساعة (حلقة الأشعة السينية) و4 ساعات (حلقة الأشعة فوق البنفسجية). ويعود هذا الاختلاف في التوقيت إلى أن ضوء الأشعة فوق البنفسجية يتميز بطول موجي أكبر وبالتالي طاقة أقل، مما يؤدي إلى اضمحلال أسرع، بينما تتميز الأشعة السينية بطول موجي قصير جدًا وطاقة عالية.

كان هذا أول جهاز سنكروترون يتم التحكم فيه باستخدام المعالجات الدقيقة. [ 7 ]

مرافق

احتوت حلقة الأشعة فوق البنفسجية على 19 خطًا شعاعيًا، بينما احتوت حلقة الأشعة السينية على 58 خطًا شعاعيًا. [ 8 ] تم تشغيل وتمويل الخطوط الشعاعية بطرق متعددة. ومع ذلك، نظرًا لأن مرفق NSLS كان مرفقًا للمستخدمين، فإنه يُمكن منح أي عالم يقدم مقترحًا وقتًا لاستخدام الخطوط الشعاعية بعد مراجعة الأقران. كان هناك نوعان من الخطوط الشعاعية في NSLS: خطوط شعاعية خاصة بالمرفق (FBs)، والتي كان يُشغلها موظفو NSLS ويخصصون ما لا يقل عن 50% من وقتها للمستخدمين، وخطوط شعاعية خاصة بفرق البحث المشاركة (PRT)، والتي كانت تُشغل وتُدار من قبل مجموعات خارجية وتخصص ما لا يقل عن 25% من وقتها للمستخدمين.

كان لكل خط شعاع للأشعة السينية محطة طرفية تُسمى " الكابينة ". وهي عبارة عن حاويات كبيرة مصنوعة من مواد واقية من الإشعاع ، مثل الفولاذ والزجاج المُرصّع بالرصاص ، لحماية المستخدمين من الإشعاع المؤين للشعاع. في قسم الأشعة السينية، استُخدمت في العديد من التجارب تقنيات مثل حيود الأشعة السينية ، وحيود المساحيق عالي الدقة (PXRD)، وامتصاص الأشعة السينية (XAFS)، وبنية حيود الأشعة السينية الشاذة ( DAFS ) ، وتشتت الأشعة السينية واسع الزاوية ( WAXS ) ، وتشتت الأشعة السينية بزوايا صغيرة (SAXS ) .

في حلقة VUV، كانت المحطات النهائية عادةً عبارة عن غرف UHV ( فراغ فائق العلو ) والتي كانت تستخدم لإجراء التجارب باستخدام طرق مثل XPS و UPS و LEEM و NEXAFS .

في بعض خطوط الحزم ، استُخدمت أدوات تحليلية أخرى بالتزامن مع إشعاع السنكروترون، مثل مطياف الكتلة ، أو الليزر عالي الطاقة ، أو مطياف الكتلة بالكروماتوغرافيا الغازية . وقد ساعدت هذه التقنيات في استكمال التجارب التي أُجريت في المحطة النهائية وتحسين قياسها الكمي.

الإنجازات والإحصائيات

جوائز نوبل

في عام 2003، فاز رودريك ماكينون بجائزة نوبل في الكيمياء لاكتشافه بنية قناة الأيونات العصبية . وقد أُجري جزء من عمله في مرفق الإشعاع السنكروتروني الوطني (NSLS). [ 9 ] وفي عام 2009، فاز كل من فينكاترامان راماكريشنان وتوماس أ. ستيتز ، وآدا إي. يونات بجائزة نوبل في الكيمياء لتصويرهم الريبوسوم بدقة ذرية باستخدام تقنية علم البلورات بالأشعة السينية في مرفق الإشعاع السنكروتروني الوطني (NSLS) ومصادر أخرى للضوء السنكروتروني. [ 10 ]

إحصائيات المستخدم

استضاف المصدر الوطني لضوء السنكروترون أكثر من 2200 مستخدم من 41 ولاية أمريكية و30 دولة أخرى في عام 2009. [ 11 ] وفي عام 2009، نُشر 658 بحثًا في المجلات العلمية، وبلغ إجمالي المنشورات 764 منشورًا، بما في ذلك منشورات المجلات والكتب وبراءات الاختراع والرسائل العلمية والتقارير. [ 12 ]

NSLS-II

أُغلقت خدمة NSLS نهائيًا في 30 سبتمبر 2014، بعد أكثر من 30 عامًا من الخدمة. [ 2 ] وقد استُبدلت بخدمة NSLS-II ، التي صُممت لتكون أكثر سطوعًا بعشرة آلاف مرة. [ 13 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "العلوم اليومية من خدمة المسح الطيفي الوطني" . bnl.gov. مؤرشف من الأصل في 21 مارس 2012. تم الاطلاع عليه في 28 مارس 2011 .
  2. 1 2 آخر ضوء في NSLS
  3. 1 2 3 4 "نبذة تاريخية عن نظام NSLS" . BNL.gov. مؤرشف من الأصل في 6 أكتوبر 2016. تم الاطلاع عليه في 4 أغسطس 2010 .
  4. 1 2 "حلقة تخزين الأشعة فوق البنفسجية البعيدة" . BNL.gov. مؤرشف من الأصل في 6 أكتوبر 2016. تم الاطلاع عليه في 4 أغسطس 2010 .
  5. 1 2 "حلقة تخزين الأشعة السينية" . BNL.gov. مؤرشف من الأصل في 6 أكتوبر 2016. تم الاطلاع عليه في 4 أغسطس 2010 .
  6. 1 2 3 "حلقة المعزز والمسرع الخطي" . BNL.gov. مؤرشف من الأصل في 12 أبريل 2018. تم الاطلاع عليه في 4 أغسطس 2010 .
  7. ↑ "نظام التحكم الموزع لمصدر ضوء السنكروترون الوطني" (ملف PDF) . معاملات IEEE في العلوم النووية . تم الاطلاع عليه في 13 ديسمبر 2015 .
  8. ↑ "قائمة خطوط الحزم حسب الرقم" . BNL.gov. مؤرشف من الأصل في 6 أكتوبر 2016. تم الاطلاع عليه في 4 أغسطس 2010 .
  9. ↑ "جائزة نوبل | جائزة الكيمياء لعام 2003، رودريك ماكينون" . Bnl.gov . تم الاطلاع عليه في 17 مارس 2010 .
  10. ↑ "جائزة نوبل | جائزة الكيمياء لعام 2009، فينكاترامان راماكريشنان وتوماس أ. ستيتز" . Bnl.gov . تم الاطلاع عليه في 25 يوليو 2012 .
  11. ↑ "مرافق المستخدمين الوطنية في مختبر بروكهافن" (ملف PDF) . BNL.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 أغسطس 2010 .
  12. ↑ "تقرير أنشطة خدمة الإشعاع الشمسي الوطني لعام 2009" . BNL.gov. مؤرشف من الأصل في 6 أكتوبر 2016. تم الاطلاع عليه في 4 أغسطس 2010 .
  13. ↑ "حول مشروع NSLS-II" . BNL.gov . تم الاطلاع عليه في 4 أغسطس 2010 .

40°52′05″ شمالاً 72°52′35″ غرباً / 40.86806° شمالاً 72.87639° غرباً / 40.86806؛ -72.87639 ( NSLS )