Particle accelerator

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 12 صور
الموسوعة الحرة
The Tevatron (background circle), a synchrotroncollider type particle accelerator at Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Batavia, Illinois, USA. Shut down in 2011, it was the most powerful particle accelerator in the world until 2007, accelerating protons to an energy of over 1 TeV (tera electron volts). Beams of protons and antiprotons, circulating in opposite directions in the rear ring, collided at two magnetically induced intersection points.
Animation showing the operation of a linear accelerator, widely used in both physics research and cancer treatment.

A particle accelerator is a machine that uses electromagnetic fields to propel ions to very high speeds and energies to contain them in well-defined beams.[1][2] Small accelerators are used for fundamental research in particle physics. Accelerators are also used as synchrotron light sources for the study of condensed matter physics. Smaller particle accelerators are used in a wide variety of applications, including particle therapy for oncological purposes, radioisotope production for medical diagnostics, ion implanters for the manufacture of semiconductors, and accelerator mass spectrometers for measurements of rare isotopes such as radiocarbon.

Large accelerators include the Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven National Laboratory in New York and the largest accelerator, the Large Hadron Collider near Geneva, Switzerland, operated by CERN. It is a collider accelerator, which can accelerate two beams of protons to an energy of 6.5 TeV and cause them to collide head-on, creating center-of-mass energies of 13 TeV. There are more than 30,000 accelerators in operation around the world.[3][4]

توجد فئتان أساسيتان من المُسرّعات: المُسرّعات الكهروستاتيكية والمُسرّعات الكهروديناميكية (أو الكهرومغناطيسية). [ 5 ] تستخدم مُسرّعات الجسيمات الكهروستاتيكية مجالات كهربائية ساكنة لتسريع الجسيمات. ومن أكثر أنواعها شيوعًا مولد كوكروفت-والتون ومولد فان دي غراف . ومن الأمثلة الصغيرة على هذه الفئة أنبوب أشعة الكاثود في أجهزة التلفزيون القديمة العادية. وتُحدد طاقة الحركة التي يُمكن للجسيمات الوصول إليها في هذه الأجهزة بجهد التسريع ، والذي يكون محدودًا بالانهيار الكهربائي . أما المُسرّعات الكهروديناميكية أو الكهرومغناطيسية ، فتستخدم مجالات كهرومغناطيسية متغيرة (إما الحث المغناطيسي أو مجالات الترددات الراديوية المتذبذبة ) لتسريع الجسيمات. وبما أن الجسيمات في هذه الأنواع يُمكنها المرور عبر مجال التسريع نفسه عدة مرات، فإن طاقة الخرج لا تكون محدودة بقوة مجال التسريع. وتُعد هذه الفئة، التي طُوّرت لأول مرة في عشرينيات القرن الماضي، أساسًا لمعظم المُسرّعات الحديثة واسعة النطاق.

يُعتبر كلٌّ من رولف وايدرو، وغوستاف إيزينغ، وليو زيلارد، وماكس ستينبيك، وإرنست لورانس روادًا في هذا المجال، إذ ابتكروا وبنوا أول مُسرِّع جسيمات خطي تشغيلي ، [6] وهو البيتاثرون، بالإضافة إلى السيكلوترون . ولأن هدف حزم الجسيمات في المُسرِّعات المبكرة كان عادةً ذرات المادة ، بهدف إحداث تصادمات مع أنويتها لدراسة التركيب النووي، فقد شاع استخدام مصطلح " مُحطِّمات الذرات" في القرن العشرين. [ 7 ] ولا يزال هذا المصطلح مستخدمًا على الرغم من أن العديد من المُسرِّعات الحديثة تُحدث تصادمات بين جسيمين دون ذريين ، بدلًا من جسيم ونواة ذرية. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

الاستخدامات

خطوط الحزم المؤدية من مسرع فان دي غراف إلى تجارب مختلفة، في الطابق السفلي من حرم جوسيو الجامعي في باريس .
مبنى يغطي أنبوب شعاع يبلغ طوله ميلين (3.2 كم) لمسرع ستانفورد الخطي (SLAC) في مينلو بارك، كاليفورنيا، وهو ثاني أقوى مسرع خطي في العالم.

تُعدّ حزم الجسيمات عالية الطاقة مفيدةً للبحوث الأساسية والتطبيقية في العلوم، وكذلك في العديد من المجالات التقنية والصناعية غير المرتبطة بالبحوث الأساسية. [ 11 ] يوجد ما يقارب 30,000 مُسرِّع جسيمات حول العالم؛ منها حوالي 1% فقط أجهزة بحثية بطاقات تزيد عن 1 جيجا إلكترون فولت ، بينما تُستخدم حوالي 44% منها في العلاج الإشعاعي ، و41% في زرع الأيونات ، و9% في المعالجة الصناعية والبحث العلمي، و4% في البحوث الطبية الحيوية وغيرها من البحوث منخفضة الطاقة. [ 12 ]

فيزياء الجسيمات

في أبسط الاستفسارات حول ديناميكيات وبنية المادة والفضاء والزمن، يسعى الفيزيائيون إلى دراسة أبسط أنواع التفاعلات عند أعلى الطاقات الممكنة. وتشمل هذه التفاعلات عادةً طاقات جسيمات تبلغ عدة جيجا إلكترون فولت ، وتفاعلات أبسط أنواع الجسيمات: اللبتونات (مثل الإلكترونات والبوزيترونات ) والكواركات للمادة، أو الفوتونات والغلوونات لكمات المجال . ونظرًا لعدم إمكانية الحصول على الكواركات المعزولة تجريبيًا بسبب الحصر اللوني ، فإن أبسط التجارب المتاحة تتضمن تفاعلات اللبتونات فيما بينها، ثم تفاعلات اللبتونات مع النيوكليونات ، التي تتكون من الكواركات والغلوونات. ولدراسة تصادمات الكواركات فيما بينها، يلجأ العلماء إلى تصادمات النيوكليونات، التي يمكن اعتبارها عند الطاقات العالية تفاعلات ثنائية بين الكواركات والغلوونات المكونة لها. يميل علماء فيزياء الجسيمات الأولية إلى استخدام آلات تقوم بإنشاء حزم من الإلكترونات والبوزيترونات والبروتونات والبروتونات المضادة ، تتفاعل مع بعضها البعض أو مع أبسط النوى (مثل الهيدروجين أو الديوتيريوم ) عند أعلى الطاقات الممكنة، والتي تبلغ عمومًا مئات الجيجا إلكترون فولت أو أكثر.

أكبر مسرع جسيمات وأعلى طاقة يستخدم في فيزياء الجسيمات الأولية هو مصادم الهادرونات الكبير (LHC) في CERN ، والذي يعمل منذ عام 2009. [ 13 ]

الفيزياء النووية وإنتاج النظائر

قد يستخدم علماء الفيزياء النووية وعلماء الكونيات حزمًا من نوى ذرية مجردة ، منزوعة الإلكترونات، لدراسة بنية النوى نفسها وتفاعلاتها وخصائصها، بالإضافة إلى المادة المكثفة عند درجات حرارة وكثافات عالية للغاية، كما كان يُعتقد في اللحظات الأولى للانفجار العظيم . غالبًا ما تتضمن هذه الدراسات تصادمات نوى ثقيلة - ذرات مثل الحديد أو الذهب - بطاقات تصل إلى عدة جيجا إلكترون فولت لكل نيوكليون . يُعد مصادم الأيونات الثقيلة النسبية (RHIC) في مختبر بروكهافن الوطني أكبر مسرع جسيمات من هذا النوع .  

يمكن لمسرعات الجسيمات أيضًا إنتاج حزم من البروتونات، والتي بدورها تُنتج نظائر غنية بالبروتونات تُستخدم في المجال الطبي أو البحثي ، على عكس النظائر الغنية بالنيوترونات التي تُنتج في مفاعلات الانشطار . ومع ذلك، فقد أظهرت دراسات حديثة كيفية إنتاج الموليبدينوم -99 ، الذي يُنتج عادةً في المفاعلات، عن طريق تسريع نظائر الهيدروجين [ 14 ]، على الرغم من أن هذه الطريقة لا تزال تتطلب مفاعلًا لإنتاج التريتيوم . ومن الأمثلة على هذا النوع من الأجهزة جهاز LANSCE في مختبر لوس ألاموس الوطني .

إشعاع السنكروترون

تُصدر الإلكترونات المنتشرة عبر مجال مغناطيسي حزمًا ضوئية شديدة السطوع والتماسك عبر إشعاع السنكروترون . وله استخدامات عديدة في دراسة التركيب الذري، والكيمياء، وفيزياء المادة المكثفة، وعلم الأحياء، والتكنولوجيا. يوجد عدد كبير من مصادر ضوء السنكروترون حول العالم. ومن الأمثلة عليها في الولايات المتحدة: SSRL في مختبر SLAC الوطني للمسرعات ، وAPS في مختبر أرغون الوطني، وALS في مختبر لورانس بيركلي الوطني ، و NSLS-II في مختبر بروكهافن الوطني . أما في أوروبا، فتوجد MAX IV في لوند، السويد، و BESSY في برلين، ألمانيا، وDiamond في أوكسفوردشاير، المملكة المتحدة، وESRF في غرونوبل ، فرنسا، وقد استُخدم الأخير لاستخراج صور ثلاثية الأبعاد مفصلة للحشرات المحفوظة في الكهرمان. [ 15 ]

تُعدّ ليزرات الإلكترون الحر (FELs) فئةً خاصةً من مصادر الضوء تعتمد على إشعاع السنكروترون ، وتُنتج نبضات أقصر ذات تماسك زمني أعلى . ويُعتبر ليزر الإلكترون الحر المصمم خصيصًا ألمع مصدر للأشعة السينية في الكون المرئي. [ 16 ] ومن أبرز الأمثلة على ذلك ليزر LCLS في الولايات المتحدة الأمريكية، وليزر XFEL الأوروبي في ألمانيا. ويتزايد الاهتمام حاليًا بليزر الأشعة السينية اللينة ، الذي يفتح، جنبًا إلى جنب مع تقصير النبضات، آفاقًا جديدةً لعلم الأتوثانية . [ 17 ] وإلى جانب الأشعة السينية، تُستخدم ليزرات الإلكترون الحر لإصدار ضوء تيراهيرتز ، مثل ليزر FELIX في نيميغن بهولندا، وليزر TELBE في دريسدن بألمانيا، وليزر NovoFEL في نوفوسيبيرسك بروسيا.

وبالتالي هناك طلب كبير على مسرعات الإلكترون ذات الطاقة المعتدلة ( GeV ) والشدة العالية وجودة الحزمة العالية لتشغيل مصادر الضوء.

الأجهزة منخفضة الطاقة والعلاج بالجسيمات

من الأمثلة الشائعة لمسرعات الجسيمات أنابيب أشعة الكاثود الموجودة في أجهزة التلفاز ومولدات الأشعة السينية . تستخدم هذه المسرعات منخفضة الطاقة زوجًا واحدًا من الأقطاب الكهربائية بجهد مستمر يبلغ بضعة آلاف من الفولتات بينهما. في مولد الأشعة السينية، يكون الهدف نفسه أحد الأقطاب الكهربائية. يُستخدم مسرع جسيمات منخفض الطاقة يُسمى غرس الأيونات في تصنيع الدوائر المتكاملة .

عند الطاقات المنخفضة، تُستخدم حزم النوى المتسارعة أيضًا في الطب كعلاج بالجسيمات ، لعلاج السرطان.

أنواع مسرعات التيار المستمر القادرة على تسريع الجسيمات إلى سرعات كافية لإحداث تفاعلات نووية هي مولدات كوكروفت-والتون أو مضاعفات الجهد ، التي تحول التيار المتردد إلى تيار مستمر عالي الجهد، أو مولدات فان دي غراف التي تستخدم الكهرباء الساكنة المحمولة بواسطة الأحزمة.

تعقيم الأجهزة الطبية بالإشعاع

تُستخدم معالجة الحزم الإلكترونية بشكل شائع في التعقيم. وتُعدّ الحزم الإلكترونية تقنية تشغيل وإيقاف، توفر معدل جرعة أعلى بكثير من أشعة غاما أو الأشعة السينية المنبعثة من النظائر المشعة مثل الكوبالت-60 ( 60Co ) أو السيزيوم-137 ( 137Cs ). وبفضل معدل الجرعة الأعلى، يقل وقت التعرض المطلوب، ويقل تحلل البوليمر. ولأن الإلكترونات تحمل شحنة كهربائية، فإن الحزم الإلكترونية أقل اختراقًا من أشعة غاما والأشعة السينية. [ 18 ]

مسرعات الجسيمات الكهروستاتيكية

A Cockcroft–Walton generator (Philips, 1937), residing in Science Museum (London).
A 1960s single stage 2 MeV linear Van de Graaff accelerator, here opened for maintenance

Historically, the first accelerators used simple technology of a single static high voltage to accelerate charged particles. The charged particle was accelerated through an evacuated tube with an electrode at either end, with the static potential across it. Since the particle passed only once through the potential difference, the output energy was limited to the accelerating voltage of the machine. While this method is still extremely popular today, with the electrostatic accelerators greatly out-numbering any other type, they are more suited to lower energy studies owing to the practical voltage limit of about 1 MV for air insulated machines, or 30 MV when the accelerator is operated in a tank of pressurized gas with high dielectric strength, such as sulfur hexafluoride. In a tandem accelerator the potential is used twice to accelerate the particles, by reversing the charge of the particles while they are inside the terminal. This is possible with the acceleration of atomic nuclei by using anions (negatively charged ions), and then passing the beam through a thin foil to strip electrons off the anions inside the high voltage terminal, converting them to cations (positively charged ions), which are accelerated again as they leave the terminal.

The two main types of electrostatic accelerator are the Cockcroft–Walton accelerator, which uses a diode-capacitor voltage multiplier to produce high voltage, and the Van de Graaff accelerator, which uses a moving fabric belt to carry charge to the high voltage electrode. Although electrostatic accelerators accelerate particles along a straight line, the term linear accelerator is more often used for accelerators that employ oscillating rather than static electric fields.

Electrodynamic (electromagnetic) particle accelerators

نظراً للحد الأقصى للجهد العالي الذي يفرضه التفريغ الكهربائي، تُستخدم تقنيات تعتمد على المجالات الديناميكية بدلاً من المجالات الثابتة لتسريع الجسيمات إلى طاقات أعلى. يمكن أن ينشأ التسارع الكهروديناميكي من آليتين: الحث المغناطيسي غير الرنيني ، أو الدوائر أو التجاويف الرنانة المُثارة بواسطة مجالات الترددات الراديوية المتذبذبة . [ 19 ] يمكن أن تكون مسرعات الكهروديناميكية خطية ، حيث تتسارع الجسيمات في خط مستقيم، أو دائرية ، باستخدام المجالات المغناطيسية لثني الجسيمات في مدار دائري تقريباً.

مسرعات الحث المغناطيسي

تعمل مسرعات الحث المغناطيسي على تسريع الجسيمات عن طريق الحث الناتج عن مجال مغناطيسي متزايد، كما لو كانت الجسيمات هي الملف الثانوي في محول كهربائي. يُولّد المجال المغناطيسي المتزايد مجالًا كهربائيًا دائريًا يمكن ضبطه لتسريع الجسيمات. يمكن أن تكون مسرعات الحث خطية أو دائرية.

مسرعات الحث الخطي

تستخدم مسرعات الحث الخطي تجاويف حث غير رنانة محملة بالفريت. يمكن اعتبار كل تجويف بمثابة قرصين كبيرين على شكل حلقات متصلة بأنبوب أسطواني خارجي. يوجد بين القرصين ملف حلقي من الفريت. يؤدي تطبيق نبضة جهد بين القرصين إلى زيادة المجال المغناطيسي الذي ينقل الطاقة حثيًا إلى حزمة الجسيمات المشحونة. [ 20 ]

اخترع كريستوفيلوس معجل الحث الخطي في ستينيات القرن العشرين. [ 21 ] تتميز معجلات الحث الخطي بقدرتها على تسريع تيارات شعاعية عالية جدًا (>1000  أمبير) في نبضة قصيرة واحدة. وقد استُخدمت لتوليد الأشعة السينية للتصوير الإشعاعي الوميضي (مثل جهاز DARHT في مختبر لوس ألاموس الوطني )، كما تم النظر في استخدامها كحاقنات جسيمات للاندماج النووي بالحصر المغناطيسي، وكمحركات لأشعة الليزر الإلكترونية الحرة .

بيتاترون

البيتاثرون هو مُسرِّع حث مغناطيسي دائري، اخترعه دونالد كيرست عام 1940 لتسريع الإلكترونات . يعود أصل الفكرة إلى العالم النرويجي الألماني رولف ويدرو . [ 22 ] [ 23 ] تستخدم هذه الأجهزة، مثل السنكروترونات، مغناطيسًا حلقيًا على شكل كعكة (انظر أدناه) مع مجال مغناطيسي متزايد دوريًا، لكنها تُسرِّع الجسيمات بالحث الناتج عن المجال المغناطيسي المتزايد، كما لو كانت الملف الثانوي في محول كهربائي، وذلك بسبب تغير التدفق المغناطيسي عبر المدار. [ 24 ] [ 25 ]

Achieving constant orbital radius while supplying the proper accelerating electric field requires that the magnetic flux linking the orbit be somewhat independent of the magnetic field on the orbit, bending the particles into a constant radius curve. These machines have in practice been limited by the large radiative losses suffered by the electrons moving at nearly the speed of light in a relatively small radius orbit.

Linear accelerators

Modern superconducting radio frequency, multicell linear accelerator component.

In a linear particle accelerator (linac), particles are accelerated in a straight line with a target of interest at one end. They are often used to provide an initial low-energy kick to particles before they are injected into circular accelerators. The longest linac in the world is the Stanford Linear Accelerator, SLAC, which is 3 km (1.9 mi) long. SLAC was originally an electron–positron collider but is now a X-ray Free-electron laser.

Linear high-energy accelerators use a linear array of plates (or drift tubes) to which an alternating high-energy field is applied. As the particles approach a plate they are accelerated towards it by an opposite polarity charge applied to the plate. As they pass through a hole in the plate, the polarity is switched so that the plate now repels them and they are now accelerated by it towards the next plate. Normally a stream of "bunches" of particles are accelerated, so a carefully controlled AC voltage is applied to each plate to continuously repeat this process for each bunch.

As the particles approach the speed of light the switching rate of the electric fields becomes so high that they operate at radio frequencies, and so microwave cavities are used in higher energy machines instead of simple plates.

Linear accelerators are also widely used in medicine, for radiotherapy and radiosurgery. Medical grade linacs accelerate electrons using a klystron and a complex bending magnet arrangement which produces a beam of energy 6–30 MeV. The electrons can be used directly or they can be collided with a target to produce a beam of X-rays. The reliability, flexibility and accuracy of the radiation beam produced has largely supplanted the older use of cobalt-60 therapy as a treatment tool.

Circular or cyclic RF accelerators

في المُسرِّع الدائري، تتحرك الجسيمات في مسار دائري حتى تصل إلى طاقة كافية. ويتم عادةً ثني مسار الجسيم على شكل دائرة باستخدام مغانط كهربائية . وتكمن ميزة المُسرِّعات الدائرية على المُسرِّعات الخطية في أن تصميمها الحلقي يسمح بالتسارع المستمر، حيث يمكن للجسيم أن ينتقل فيها إلى ما لا نهاية. ومن المزايا الأخرى أن المُسرِّع الدائري أصغر حجمًا من المُسرِّع الخطي ذي القدرة المُماثلة (أي أن المُسرِّع الخطي يجب أن يكون طويلًا جدًا ليُعادل قدرة المُسرِّع الدائري).

اعتمادًا على الطاقة ونوع الجسيم المُسرَّع، تعاني المُسرِّعات الدائرية من عيب يتمثل في انبعاث إشعاع السنكروترون من الجسيمات . فعند تسريع أي جسيم مشحون، ينبعث منه إشعاع كهرومغناطيسي وانبعاثات ثانوية . ولأن الجسيم الذي يتحرك في دائرة يتسارع دائمًا نحو مركزها، فإنه يشع باستمرار باتجاه مماس الدائرة. يُسمى هذا الإشعاع ضوء السنكروترون ، ويعتمد بشكل كبير على كتلة الجسيم المُسرَّع. لهذا السبب، فإن العديد من مُسرِّعات الإلكترونات عالية الطاقة هي مُسرِّعات خطية. مع ذلك، تُبنى بعض المُسرِّعات ( السينكروترونات ) خصيصًا لإنتاج ضوء السنكروترون ( الأشعة السينية ).

بما أن النظرية النسبية الخاصة تنص على أن المادة تتحرك دائمًا بسرعة أقل من سرعة الضوء في الفراغ ، ففي مسرعات الجسيمات عالية الطاقة، مع ازدياد الطاقة، تقترب سرعة الجسيمات من سرعة الضوء كحد أقصى، لكنها لا تبلغها أبدًا. لذلك، لا يفكر علماء فيزياء الجسيمات عادةً من منظور السرعة، بل من منظور طاقة الجسيم أو زخمه ، والذي يُقاس عادةً بوحدة الإلكترون فولت (eV). ومن المبادئ المهمة للمسرعات الدائرية، وحزم الجسيمات عمومًا، أن انحناء مسار الجسيم يتناسب طرديًا مع شحنة الجسيم والمجال المغناطيسي، ولكنه يتناسب عكسيًا مع الزخم (الذي يكون عادةً نسبيًا ) .

السيكلوترونات

في أغسطس 1939، كان السيكلوترون ذو الستين بوصة في مختبر لورانس للإشعاع بجامعة كاليفورنيا في بيركلي، والذي يبلغ قطر أقطابه المغناطيسية 60 بوصة (5 أقدام، 1.5 متر)، أقوى مسرّع جسيمات في العالم آنذاك. استخدمه غلين تي. سيبورغ وإدوين ماكميلان (على اليمين) لاكتشاف البلوتونيوم والنبتونيوم والعديد من العناصر والنظائر العابرة لليورانيوم الأخرى، وهو الاكتشاف الذي نالا عنه جائزة نوبل في الكيمياء عام 1951.

كانت السيكلوترونات ، التي اخترعها إرنست لورانس في جامعة كاليفورنيا، بيركلي عام 1929 ، أولى المسرعات الدائرية العاملة . تتكون السيكلوترونات من زوج واحد من الصفائح المجوفة على شكل حرف D لتسريع الجسيمات، ومغناطيس ثنائي القطب كبير واحد لثني مسارها في مدار دائري. من الخصائص المميزة للجسيمات المشحونة في مجال مغناطيسي منتظم وثابت B أنها تدور بفترة ثابتة، بتردد يُسمى تردد السيكلوترون ، طالما أن سرعتها صغيرة مقارنة بسرعة الضوء c . هذا يعني أنه يمكن تشغيل صفائح التسريع D في السيكلوترون بتردد ثابت بواسطة مصدر طاقة تسريع بترددات الراديو، حيث يتحرك الشعاع حلزونيًا للخارج باستمرار. تُحقن الجسيمات في مركز المغناطيس وتُستخرج من الحافة الخارجية عند أقصى طاقة لها.

تصل السيكلوترونات إلى حد أقصى للطاقة بسبب التأثيرات النسبية ، حيث تصبح الجسيمات أكثر كتلةً فعليًا، مما يؤدي إلى انخفاض ترددها السيكلوتروني وعدم تزامنها مع تردد الراديو المُسرِّع. لذلك، لا تستطيع السيكلوترونات البسيطة تسريع البروتونات إلا إلى طاقة تبلغ حوالي 15 مليون إلكترون فولت (15 ميجا إلكترون  فولت، ما يعادل سرعة تقارب 10% من سرعة الضوء )، لأن البروتونات تفقد طورها مع المجال الكهربائي المُحرِّك. إذا تم تسريعها أكثر، سيستمر الشعاع في الدوران حلزونيًا نحو الخارج إلى نصف قطر أكبر، لكن الجسيمات لن تكتسب سرعة كافية لإكمال الدائرة الأكبر بالتزامن مع تردد الراديو المُسرِّع. ولمراعاة التأثيرات النسبية، يجب زيادة المجال المغناطيسي إلى أنصاف أقطار أكبر، كما هو الحال في السيكلوترونات متساوية الزمن . ومن الأمثلة على السيكلوترونات متساوية الزمن سيكلوترون PSI Ring في سويسرا، الذي يُنتج بروتونات بطاقة 590  ميجا إلكترون فولت، ما يعادل حوالي 80% من سرعة الضوء. تتمثل ميزة هذا السيكلوترون في أقصى تيار بروتوني يمكن استخراجه، والذي يبلغ حاليًا 2.2  مللي أمبير. وتتوافق الطاقة والتيار مع  قدرة شعاع تبلغ 1.3 ميجاوات، وهي الأعلى بين جميع المسرعات الموجودة حاليًا.

السنكروترونات والسيكلوترونات المتزامنة

مغناطيس في السنكروترون في مركز أورساي للعلاج بالبروتونات

يمكن تعديل السيكلوترون الكلاسيكي لزيادة حد طاقته. وكان أول نهج تاريخي هو السنكروسيكلوترون ، الذي يُسرّع الجسيمات في حزم. ويستخدم مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا.ب{\displaystyle B}لكنها تقلل من تردد مجال التسارع للحفاظ على تزامن الجسيمات أثناء دورانها الحلزوني للخارج، بما يتوافق مع تردد رنين السيكلوترون الخاص بها والذي يعتمد على كتلتها . يعاني هذا النهج من انخفاض متوسط ​​شدة الحزمة بسبب التكتل، بالإضافة إلى الحاجة إلى مغناطيس ضخم ذي نصف قطر كبير ومجال ثابت على مدار أوسع يتطلبه استخدام طاقة عالية.

النهج الثاني لحل مشكلة تسريع الجسيمات النسبية هو السيكلوترون المتزامن . في هذا النوع من الهياكل، يُحافظ على تردد مجال التسريع (وتردد رنين السيكلوترون) ثابتًا لجميع الطاقات عن طريق تشكيل أقطاب المغناطيس لزيادة المجال المغناطيسي مع نصف القطر. وبالتالي، تتسارع جميع الجسيمات في فترات زمنية متزامنة . تقطع الجسيمات ذات الطاقة الأعلى مسافة أقصر في كل دورة مقارنةً بما تقطعه في السيكلوترون التقليدي، مما يحافظ على تزامنها مع مجال التسريع. تتمثل ميزة السيكلوترون المتزامن في قدرته على توفير حزم مستمرة ذات شدة متوسطة أعلى، وهو أمر مفيد لبعض التطبيقات. أما عيوبه الرئيسية فتتمثل في حجم وتكلفة المغناطيس الكبير المطلوب، وصعوبة تحقيق قيم المجال المغناطيسي العالية اللازمة عند الحافة الخارجية للهيكل.

لم يتم بناء أجهزة السنكروترون منذ تطوير السيكلوترون المتزامن.

السنكروترونات

صورة جوية لحلقة تيفاترون (الحلقة الخلفية) وحلقة الحقن الرئيسية (الحلقة الأمامية غير الدائرية تمامًا) في مختبر فيرميلاب . تحتوي حلقة تيفاترون أيضًا على الحلقة الرئيسية، ولا يزال جزء منها يُستخدم لإجراء تجارب لاحقة. أما حلقة الحقن الرئيسية في الأسفل (بقطر يُقارب نصف قطر تيفاترون) فهي مُخصصة للتسريع الأولي وتبريد الحزمة وتخزينها، وما إلى ذلك.

للوصول إلى طاقات أعلى، بكتلة نسبية تقترب من كتلة سكون الجسيمات أو تتجاوزها (بالنسبة للبروتونات، مليارات الإلكترون فولت أو GeV )، من الضروري استخدام السنكروترون . وهو مُسرِّع تُسرَّع فيه الجسيمات في حلقة ذات نصف قطر ثابت. ومن مزاياه المباشرة على السيكلوترونات أن المجال المغناطيسي لا يحتاج إلا أن يكون موجودًا فوق المنطقة الفعلية لمدارات الجسيمات، وهي أضيق بكثير من منطقة الحلقة. (كان قطر قطب المغناطيس في أكبر سيكلوترون بُني في الولايات المتحدة 4.7 متر ، بينما يبلغ قطر السنكروترونات مثل مصادم الإلكترونات والبوزيترونات الكبير (LEP ) ومصادم الهادرونات الكبير (LHC) حوالي 10 كيلومترات. ويبلغ قطر فتحة شعاعي مصادم الهادرونات الكبير سنتيمترًا واحدًا تقريبًا). يحتوي مصادم الهادرونات الكبير على 16 تجويفًا بترددات الراديو، و1232 مغناطيسًا ثنائي القطب فائق التوصيل لتوجيه الحزمة، و24 مغناطيسًا رباعي الأقطاب لتركيز الحزمة. [ 26 ] حتى مع هذا الحجم، فإن مصادم الهادرونات الكبير محدود بقدرته على توجيه الجسيمات دون أن تنحرف عن مسارها. ويُفترض نظرياً أن هذا الحد يحدث عند طاقة 14 تيرا إلكترون فولت. [ 27 ]   

مع ذلك، ولأن زخم الجسيمات يزداد أثناء التسارع، فمن الضروري زيادة شدة المجال المغناطيسي B بما يتناسب مع ذلك للحفاظ على انحناء ثابت للمدار. ونتيجة لذلك، لا تستطيع السنكروترونات تسريع الجسيمات بشكل مستمر، كما تفعل السيكلوترونات، بل يجب أن تعمل بشكل دوري، حيث تُزود الجسيمات في حزم، تُنقل إلى هدف أو حزمة خارجية على شكل دفعات شعاعية كل بضع ثوانٍ عادةً.

بما أن السنكروترونات عالية الطاقة تقوم بمعظم عملها على الجسيمات التي تتحرك بالفعل بسرعة تقارب سرعة الضوء c ، فإن الوقت اللازم لإكمال دورة واحدة للحلقة ثابت تقريبًا، وكذلك تردد رنانات تجويف الترددات الراديوية المستخدمة لدفع التسارع.

في السنكروترونات الحديثة، تكون فتحة الحزمة صغيرة، ولا يغطي المجال المغناطيسي كامل مساحة مدار الجسيم كما هو الحال في السيكلوترون، مما يسمح بفصل العديد من الوظائف الضرورية. فبدلاً من مغناطيس ضخم واحد، يوجد خط من مئات المغناطيسات المنحنية، تحيط (أو محاطة) بأنابيب توصيل مفرغة من الهواء. شهد تصميم السنكروترونات ثورة في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي مع اكتشاف مفهوم التركيز القوي . [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] يتم تركيز الحزمة بشكل مستقل بواسطة مغناطيسات رباعية الأقطاب متخصصة ، بينما يتم تسريع الجسيمات في أقسام ترددات راديوية منفصلة، ​​على غرار المسرعات الخطية القصيرة. [ 31 ] كما أنه ليس من الضروري أن تكون الآلات الدورية دائرية، بل قد يحتوي أنبوب الحزمة على أقسام مستقيمة بين المغناطيسات حيث يمكن أن تتصادم الحزم، أو تُبرد، وما إلى ذلك. وقد تطور هذا إلى مجال مستقل تمامًا، يُسمى "فيزياء الحزم" أو "بصريات الحزم". [ 32 ]

قد تقوم مسرعات الجسيمات الحديثة الأكثر تعقيدًا، مثل تيفاترون وإل إي بي وإل إتش سي، بنقل حزم الجسيمات إلى حلقات تخزين مغناطيسية ذات مجال مغناطيسي ثابت، حيث يمكنها الاستمرار في الدوران لفترات طويلة لإجراء التجارب أو لمزيد من التسريع. وتُعدّ أجهزة الطاقة العالية، مثل تيفاترون وإل إتش سي، في الواقع مجمعات تسريع، تتألف من سلسلة من العناصر المتخصصة المتصلة على التوالي، بما في ذلك مسرعات خطية لتكوين الحزمة الأولية، ومسرع جسيمات واحد أو أكثر منخفض الطاقة للوصول إلى طاقة متوسطة، وحلقات تخزين حيث يمكن تجميع الحزم أو "تبريدها" (مما يقلل من فتحة المغناطيس المطلوبة ويسمح بتركيز أدق؛ انظر تبريد الحزمة )، وحلقة كبيرة أخيرة للتسريع النهائي وإجراء التجارب.

جزء من مسرع الإلكترونات في مركز أبحاث الإلكترونات المتزامنة (DESY)
مسرعات الإلكترون

تراجعت شعبية مسرعات الإلكترونات الدائرية في فيزياء الجسيمات تقريبًا في نفس الفترة التي بُني فيها مسرع الجسيمات الخطي في مركز SLAC ، وذلك لأن خسائر السنكروترون فيها كانت تُعتبر باهظة التكلفة، ولأن شدة حزمتها كانت أقل من شدة حزم المسرعات الخطية غير النبضية. وكان مسرع الإلكترونات السنكروتروني في جامعة كورنيل ، الذي بُني بتكلفة منخفضة في أواخر سبعينيات القرن الماضي، أول مسرع في سلسلة من مسرعات الإلكترونات الدائرية عالية الطاقة التي بُنيت لفيزياء الجسيمات الأساسية، وكان آخرها مسرع الإلكترونات والإلكترونات الكبير (LEP ) الذي بُني في مركز CERN، والذي استُخدم من عام 1989 حتى عام 2000.

تم بناء عدد كبير من السنكروترونات الإلكترونية في العقدين الماضيين، كجزء من مصادر ضوء السنكروترون التي تصدر ضوءًا فوق بنفسجيًا وأشعة سينية؛ انظر أدناه.

مصادر إشعاع السنكروترون

تم بناء بعض المسرعات الدائرية لتوليد إشعاع (يُسمى ضوء السنكروترون ) على شكل أشعة سينية، تُعرف أيضًا باسم إشعاع السنكروترون، على سبيل المثال مصدر ضوء الماس الذي تم بناؤه في مختبر رذرفورد أبليتون في إنجلترا ، أو مصدر الفوتونات المتقدم في مختبر أرغون الوطني في إلينوي ، الولايات المتحدة الأمريكية. تُعد الأشعة السينية عالية الطاقة مفيدة في التحليل الطيفي للأشعة السينية للبروتينات أو بنية الامتصاص الدقيقة للأشعة السينية (XAFS)، على سبيل المثال.

ينبعث إشعاع السنكروترون بقوة أكبر من الجسيمات الأخف، لذا فإن هذه المسرعات هي بالضرورة مسرعات إلكترونية . يتيح إشعاع السنكروترون تصويرًا أفضل، كما تم بحثه وتطويره في جهاز SPEAR التابع لمختبر SLAC .

معجلات التدرج المتناوب ذات المجال الثابت

تُتيح مُسرّعات التدرج المتناوب ذات المجال الثابت (FFA) ، التي تستخدم مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا زمنيًا مع تغير شعاعي لتحقيق تركيز قوي ، تسريع الحزمة بمعدل تكرار عالٍ ولكن بانتشار شعاعي أصغر بكثير من حالة السيكلوترون. وتُحقق مُسرّعات التدرج المتناوب متساوية الزمن، مثل السيكلوترونات متساوية الزمن، تشغيلًا مستمرًا للحزمة، ولكن دون الحاجة إلى مغناطيس انحناء ثنائي القطب ضخم يُغطي نصف قطر المدارات بالكامل. وتُغطى بعض التطورات الجديدة في مُسرّعات التدرج المتناوب في المرجع [ 33 ] .

رودوترون

رسم تخطيطي لجهاز رودوترون. شعاع الإلكترون باللون الأحمر. E هو مدفع الإلكترون، L هي عدسة إلكترونية، C هو تجويف الترددات الراديوية، وM هو مغناطيس الانحناء.

A Rhodotron is an industrial electron accelerator first proposed in 1987 by J. Pottier of the French Atomic Energy Agency (CEA),[34] manufactured by Belgian company Ion Beam Applications. It accelerates electrons by recirculating them across the diameter of a cylinder-shaped radiofrequency cavity. A Rhodotron has an electron gun, which emits an electron beam that is attracted to a pillar in the center of the cavity. The pillar has holes the electrons can pass through. The electron beam passes through the pillar via one of these holes and then travels through a hole in the wall of the cavity, and meets a bending magnet, the beam is then bent and sent back into the cavity, to another hole in the pillar, the electrons then again go across the pillar and pass through another part of the wall of the cavity and into another bending magnet, and so on, gradually increasing the energy of the beam until it is allowed to exit the cavity for use. The cylinder and pillar may be lined with copper on the inside.[35][36][37]

History

Ernest Lawrence's first cyclotron was a mere 4 inches (100 mm) in diameter. Later, in 1939, he built a machine with a 60-inch diameter pole face, and planned one with a 184-inch diameter in 1942, which was, however, taken over for World War II-related work connected with uranium isotope separation; after the war it continued in service for research and medicine over many years.

The first large proton synchrotron was the Cosmotron at Brookhaven National Laboratory, which accelerated protons to about 3 GeV (1953–1968). The Bevatron at Berkeley, completed in 1954, was specifically designed to accelerate protons to enough energy to create antiprotons, and verify the particle–antiparticle symmetry of nature, then only theorized. The Alternating Gradient Synchrotron (AGS) at Brookhaven (1960–) was the first large synchrotron with alternating gradient, "strong focusing" magnets, which greatly reduced the required aperture of the beam, and correspondingly the size and cost of the bending magnets. The Proton Synchrotron, built at CERN (1959–), was the first major European particle accelerator and generally similar to the AGS.

بدأ تشغيل مسرع ستانفورد الخطي (SLAC) عام 1966، حيث يقوم بتسريع الإلكترونات إلى طاقة 30 جيجا إلكترون  فولت في  موجه طوله 3 كيلومترات، مدفون داخل نفق، ويعمل بواسطة مئات من الكليسترونات الضخمة . ولا يزال أكبر مسرع خطي موجود، وقد تم تحديثه بإضافة حلقات تخزين ومرفق مصادم إلكترون-بوزيترون. كما أنه مصدر لأشعة سينكروترون فوق البنفسجية وأشعة سينكروترون.

يحتوي مسرع تيفاترون في مختبر فيرميلاب على حلقة يبلغ طول مسار شعاعها 6.4 كيلومترات . وقد خضع لعدة تحديثات، وعمل كمصادم بروتون-مضاد بروتون حتى تم إغلاقه بسبب تخفيضات الميزانية في 30 سبتمبر 2011. أما أكبر مسرع دائري تم بناؤه على الإطلاق فهو مسرع إلكترون فولت-بوزيترون (LEP) في مركز سيرن، بمحيط يبلغ 26.6 كيلومترًا، وكان مصادمًا للإلكترونات/ البوزيترونات . وقد حقق طاقة قدرها 209 جيجا إلكترون فولت قبل تفكيكه في عام 2000 لاستخدام نفق المصادم الهادروني الكبير (LHC). يُعد المصادم الهادروني الكبير مصادمًا للبروتونات، وهو حاليًا أكبر مسرع في العالم وأعلاها طاقة، حيث يحقق طاقة قدرها 6.5 تيرا إلكترون فولت لكل شعاع (13 تيرا إلكترون فولت إجمالًا).    

كان من المقرر أن يبلغ محيط مصادم الجسيمات الفائق التوصيل (SSC) الذي أُجهض في تكساس 87  كيلومترًا. بدأ بناؤه عام 1991، لكن تم التخلي عنه عام 1993. تُبنى مسرعات الجسيمات الدائرية الضخمة عادةً داخل أنفاق لا يتجاوز عرضها بضعة أمتار لتقليل الاضطراب والتكلفة المصاحبة لبناء مثل هذا الهيكل على السطح، ولتوفير الحماية من الإشعاعات الثانوية الشديدة التي تحدث، والتي تتميز بقدرة اختراق عالية للغاية عند الطاقات العالية.

تستخدم المسرعات الحالية، مثل مصدر النيوترونات بالتفتت ، وحدات تبريد فائقة التوصيل . كما يستخدم مصادم الأيونات الثقيلة النسبية ومصادم الهادرونات الكبير مغناطيسات فائقة التوصيل ورنانات تجويف الترددات الراديوية لتسريع الجسيمات.

الأهداف

يمكن توجيه مخرجات مسرع الجسيمات عمومًا نحو عدة مسارات تجريبية، مسار واحد في كل مرة، باستخدام مغناطيس كهربائي مُحوِّل . وهذا يُتيح إجراء تجارب متعددة دون الحاجة إلى تغيير مواقع المكونات أو إيقاف شعاع المسرع بالكامل. وباستثناء مصادر إشعاع السنكروترون، فإن الغرض من المسرع هو توليد جسيمات عالية الطاقة للتفاعل مع المادة.

عادةً ما يكون هذا هدفًا ثابتًا، مثل طبقة الفوسفور الموجودة على ظهر شاشة أنبوب التلفزيون؛ أو قطعة من اليورانيوم في مُسرِّع مُصمَّم كمصدر للنيوترونات؛ أو هدف من التنجستن لمولد الأشعة السينية. في المُسرِّع الخطي، يُركَّب الهدف ببساطة في نهاية المُسرِّع. أما مسار الجسيمات في السيكلوترون فهو حلزوني الشكل، وينطلق من مركز الجهاز الدائري، لذا تخرج الجسيمات المُسرَّعة من نقطة ثابتة كما هو الحال في المُسرِّع الخطي.

أما بالنسبة للمسرعات السنكروترونية، فالوضع أكثر تعقيداً. يتم تسريع الجسيمات إلى الطاقة المطلوبة. بعد ذلك، يُستخدم مغناطيس ثنائي القطب سريع الاستجابة لتحويل مسار الجسيمات خارج أنبوب السنكروترون الدائري ونحو الهدف.

يُعدّ المصادم ، أو ما يُعرف أيضًا بمصادم حلقة التخزين ، أحد أنواع المصادمات الشائعة الاستخدام في أبحاث فيزياء الجسيمات . يُبنى مسرعان دائريان متقاربان ، عادةً فوق بعضهما البعض، باستخدام نفس المغناطيسات (التي تكون ذات تصميم أكثر تعقيدًا لاستيعاب أنبوبي الحزمة). تتحرك حزم الجسيمات في اتجاهين متعاكسين حول المسرعين وتصطدم عند نقاط التقاطع بينهما. يُمكن لهذا أن يزيد الطاقة بشكل هائل؛ فبينما تتناسب الطاقة المتاحة لإنتاج جسيمات جديدة في تجربة الهدف الثابت مع الجذر التربيعي لطاقة الحزمة، فإن الطاقة المتاحة في المصادم تكون خطية. 

أجهزة الكشف

تجمع أجهزة الكشف معلوماتٍ عن الجسيمات، بما في ذلك سرعتها وشحنتها. وباستخدام هذه المعلومات، يستطيع العلماء دراسة الجسيمات. وتُعدّ عملية الكشف معقدة للغاية، إذ تتطلب مغانط كهربائية ومسرعات قوية لتوليد معلومات كافية قابلة للاستخدام.

طاقات أعلى

في الوقت الحالي، تُعدّ جميع مسرعات الجسيمات ذات الطاقة الأعلى عبارة عن مصادمات دائرية، ولكن كلاً من مسرعات الهادرونات ومسرعات الإلكترونات تواجه حدودًا قصوى. وستتطلب مسرعات الهادرونات والأيونات الدورية ذات الطاقة الأعلى أنفاقًا للمسرعات ذات حجم مادي أكبر نظرًا لزيادة صلابة الحزمة .

بالنسبة لمسرعات الإلكترونات الدورية، يحدّ فقدان الإشعاع السنكروتروني من نصف قطر الانحناء العملي، ومن المرجح أن يكون الجيل القادم من هذه المسرعات خطيًا بطول عشرة أضعاف الطول الحالي. ومن الأمثلة على هذا الجيل من مسرعات الإلكترونات مشروع المصادم الخطي الدولي  المقترح بطول 40 كيلومترًا .

It is believed that plasma wakefield acceleration in the form of electron-beam "afterburners" and standalone laser pulsers might be able to provide dramatic increases in efficiency over RF accelerators within two to three decades. In plasma wakefield accelerators, the beam cavity is filled with a plasma (rather than vacuum). A short pulse of electrons or laser light either constitutes or immediately precedes the particles that are being accelerated. The pulse disrupts the plasma, causing the charged particles in the plasma to integrate into and move toward the rear of the bunch of particles that are being accelerated. This process transfers energy to the particle bunch, accelerating it further, and continues as long as the pulse is coherent.[38]

Energy gradients as steep as 200 GeV/m have been achieved over millimeter-scale distances using laser pulsers[39] and gradients approaching 1 GeV/m are being produced on the multi-centimeter-scale with electron-beam systems, in contrast to a limit of about 0.1 GeV/m for radio-frequency acceleration alone. Existing electron accelerators such as SLAC could use electron-beam afterburners to greatly increase the energy of their particle beams, at the cost of beam intensity. Electron systems in general can provide tightly collimated, reliable beams; laser systems may offer more power and compactness. Thus, plasma wakefield accelerators could be used – if technical issues can be resolved – to both increase the maximum energy of the largest accelerators and to bring high energies into university laboratories and medical centres.

Higher than 0.25 GeV/m gradients have been achieved by a dielectric laser accelerator,[40] which may present another viable approach to building compact high-energy accelerators.[41] Using femtosecond duration laser pulses, an electron accelerating gradient 0.69 GeV/m was recorded for dielectric laser accelerators.[42] Higher gradients of the order of 1 to 6 GeV/m are anticipated after further optimizations.[43]

Advanced Accelerator Concepts

تشمل مفاهيم المسرعات المتقدمة أساليب تسريع الحزم باستخدام تدرجات تتجاوز أحدث التقنيات في المنشآت التشغيلية. ويشمل ذلك أساليب التشخيص، وتقنية التوقيت، والاحتياجات الخاصة للحاقنات، ومطابقة الحزم، وديناميكيات الحزم، وتطوير عمليات محاكاة مناسبة. تُعقد ورش عمل مخصصة لهذا الموضوع في الولايات المتحدة (في مواقع متناوبة) وفي أوروبا، وخاصة في جزيرة إلبا . بدأت سلسلة ورش عمل مفاهيم المسرعات المتقدمة، التي تُعقد في الولايات المتحدة، [ 44 ] كسلسلة دولية في عام 1982. [ 45 ] وبدأت سلسلة ورش عمل مفاهيم المسرعات المتقدمة الأوروبية في عام 2019. [ 46 ] المواضيع المتعلقة بمفاهيم المسرعات المتقدمة:

وفقًا لمسألة التشتت العكسي ، يمكن عكس أي آلية ينتج بها الجسيم إشعاعًا (حيث تنتقل الطاقة الحركية للجسيم إلى المجال الكهرومغناطيسي )، بحيث تؤدي آلية الإشعاع نفسها إلى تسريع الجسيم (حيث تنتقل طاقة مجال الإشعاع إلى الطاقة الحركية للجسيم). وينطبق العكس أيضًا، إذ يمكن عكس أي آلية تسريع لإيداع طاقة الجسيم في مجال مُبطئ، كما هو الحال في نظام استعادة الطاقة الحركية . هذه هي الفكرة التي تُمكّن مُسرّع الجسيمات الخطي لاستعادة الطاقة . وقد أدى هذا المبدأ، الذي يقوم عليه أيضًا مُسرّعات البلازما أو مُسرّعات المجال الكهربائي العازل، إلى بعض التطورات الأخرى المهمة في مفاهيم المُسرّعات المتقدمة.

إنتاج الثقوب السوداء ومخاوف السلامة العامة

في المستقبل، قد تظهر إمكانية إنتاج ثقوب سوداء في مسرعات الجسيمات ذات الطاقة العالية إذا كانت بعض تنبؤات نظرية الأوتار الفائقة دقيقة. [ 50 ] [ 51 ] وقد أدت هذه الإمكانية، إلى جانب احتمالات أخرى، إلى مخاوف تتعلق بالسلامة العامة ، والتي تم الإبلاغ عنها على نطاق واسع فيما يتعلق بمصادم الهادرونات الكبير (LHC )، الذي بدأ تشغيله في عام 2008. وقد تم تقييم السيناريوهات الخطرة المحتملة المختلفة على أنها "لا تشكل أي خطر يُتصور" في أحدث تقييم للمخاطر أعدته مجموعة تقييم السلامة الخاصة بمصادم الهادرونات الكبير. [ 52 ] إذا تم إنتاج ثقوب سوداء، فمن المتوقع نظريًا أن تتبخر هذه الثقوب السوداء الصغيرة بسرعة فائقة عبر إشعاع بيكنشتاين-هوكينغ ، ولكن هذا لم يتم تأكيده تجريبيًا حتى الآن. إذا كانت المصادمات قادرة على إنتاج ثقوب سوداء، فلا بد أن الأشعة الكونية (وخاصة الأشعة الكونية فائقة الطاقة ، UHECRs) كانت تنتجها منذ أزمنة سحيقة، لكنها لم تُلحق الضرر بأحد حتى الآن. [ 53 ] لقد طُرحت فكرة أنه للحفاظ على الطاقة والزخم، فإن أي ثقوب سوداء تتكون في تصادم بين أشعة كونية فائقة الطاقة ومادة محلية ستتحرك بالضرورة بسرعة نسبية بالنسبة للأرض، ومن المفترض أن تهرب إلى الفضاء، نظرًا لأن معدل تراكمها ونموها سيكون بطيئًا للغاية. في المقابل، فإن الثقوب السوداء المتكونة في المصادمات (بمكونات متساوية الكتلة) ستكون لديها فرصة ما لأن تكون سرعتها أقل من سرعة الإفلات من جاذبية الأرض، البالغة 11.2  كم/ثانية، وستكون عرضة للالتقاط والنمو اللاحق. ومع ذلك، حتى في مثل هذه السيناريوهات، فإن تصادمات الأشعة الكونية فائقة الطاقة مع الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية ستؤدي إلى تدميرها السريع، ولكن هذه الأجرام تُعتبر من الأجرام الفلكية الشائعة. وبالتالي، إذا كان من المفترض أن تتكون ثقوب سوداء مجهرية مستقرة، فيجب أن تنمو ببطء شديد بحيث لا تُحدث أي تأثيرات ماكروسكوبية ملحوظة خلال العمر الطبيعي للنظام الشمسي. [ 52 ]

مشغل مسرع

يشكل استخدام التقنيات المتقدمة، مثل الموصلية الفائقة، والتبريد الفائق، ومضخمات الترددات الراديوية عالية الطاقة، بالإضافة إلى وجود الإشعاع المؤين، تحدياتٍ أمام التشغيل الآمن لمرافق المسرعات. [ 54 ] [ 55 ] يتحكم مشغل المسرع في تشغيل مسرع الجسيمات، ويضبط معايير التشغيل مثل نسبة العرض إلى الارتفاع ، وشدة التيار، وموقع المسرع على الهدف. ويتواصل مع موظفي صيانة المسرع ويساعدهم لضمان جاهزية أنظمة الدعم، مثل أنظمة التفريغ ، والمغناطيسات ، ومصادر الطاقة المغناطيسية والترددات الراديوية وأجهزة التحكم، وأنظمة التبريد. كما يحتفظ مشغل المسرع بسجل للأحداث المتعلقة بالمسرع.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ تشاو، ألكسندر و؛ تشو، ويرن (2008). مراجعات لكتاب علوم وتكنولوجيا المسرعات: المجلد 1. سنغافورة: وورلد ساينتيفيك. Bibcode : 2008rast.book.....C . doi : 10.1142/7037 . ISBN 978-981-283-520-8.
  2. ↑ ليفينغستون، إم إس ؛ بلوويت، جيه. (1969). مسرعات الجسيمات . نيويورك: ماكجرو هيل . ISBN 978-1-114-44384-6.
  3. ↑ "معلومات أساسية إضافية حول المسرعات" . www.iaea.org . ١٢ أكتوبر ٢٠١٦. تاريخ الاطلاع: ١٠ نوفمبر ٢٠٢٣ .
  4. ↑ ويتمان، سارة (15 أبريل 2014). "عشرة أشياء قد لا تعرفها عن مسرعات الجسيمات" . مجلة سيمتري . مختبر فيرمي الوطني للمسرعات . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 أبريل 2014 .
  5. ↑ همفريز ، ستانلي (1986). مبادئ تسريع الجسيمات المشحونة . وايلي-إنترساينس . ص 4. ISBN  978-0-471-87878-0.
  6. ↑ سيسلر، أندرو؛ ويلسون، إدموند (2014). محركات الاكتشاف: قرن من مسرعات الجسيمات، طبعة منقحة وموسعة . وورلد ساينتيفيك. Bibcode : 2014edcp.book.....S . doi : 10.1142/8552 . ISBN 978-981-4417-18-1.
  7. ↑ "محطم ذرات بقوة ستة ملايين فولت يخلق عناصر جديدة" . مجلة Popular Mechanics : 580. أبريل 1935.
  8. ↑ هيغينز، أ.ج. (18 ديسمبر 2009). "محطم الذرات يستعد لإعادة انطلاق العلوم الجديدة في عام 2010" . يو إس نيوز آند وورلد ريبورت .
  9. ↑ تشو، أ. (2 يونيو 2006). "مصادم الذرات المتقدم في السن يبذل قصارى جهده في سباق الحصول على الجسيم الأكثر طلبًا". مجلة ساينس . 312 (5778): 1302-1303 . doi : 10.1126/science.312.5778.1302 . PMID 16741091. S2CID 7016336 .  
  10. ↑ "محطم الذرات" . قاموس التراث الأمريكي للعلوم . هوتون ميفلين هاركورت . 2005. ص 49. ISBN  978-0-618-45504-1.
  11. ↑ مولر، سورين (2020). تكنولوجيا المسرعات: تطبيقات في العلوم والطب والصناعة . تسريع الجسيمات والكشف عنها. تشام: دار نشر سبرينغر الدولية. doi : 10.1007/978-3-030-62308-1 . ISBN 978-3-030-62307-4. S2CID 229610872 . 
  12. ↑ فيدر، ت. (2010). "مدرسة المسرعات تجوب الجامعات" (ملف PDF) . فيزياء اليوم . 63 (2): 20-22 . Bibcode : 2010PhT....63b..20F . doi : 10.1063/1.3326981 .
  13. ↑ «شعاعان دائريان يُحدثان أول تصادمات في مصادم الهادرونات الكبير» (بيان صحفي). المكتب الإعلامي لمركز سيرن . 23 نوفمبر/تشرين الثاني 2009. تاريخ الاطلاع: 23 نوفمبر /تشرين الثاني 2009 .
  14. ↑ ناغاي، ي.؛ هاتسوكاوا، ي. (2009). "إنتاج 99Mo للطب النووي بواسطة 100Mo ( n ,2n ) 99Mo " . مجلة الجمعية الفيزيائية اليابانية . 78 (3) 033201. Bibcode : 2009JPSJ...78c3201N . doi : 10.1143/JPSJ.78.033201 .
  15. ↑ آموس، ج. (1 أبريل 2008). "الكشف عن 'حشرات الديناصورات' السرية" . بي بي سي نيوز . تم الاسترجاع في 11 سبتمبر 2008 .
  16. ↑ أولريش، يواكيم؛ رودينكو، أرتيم؛ موشامر، روبرت (4 أبريل 2012). "ليزر الإلكترون الحر: آفاق جديدة في الفيزياء الجزيئية والكيمياء الضوئية" . المراجعة السنوية للكيمياء الفيزيائية . 63 (1): 635-660 . Bibcode : 2012ARPC...63..635U . doi : 10.1146/annurev-physchem-032511-143720 . ISSN 0066-426X . PMID 22404584 .  
  17. ^ ماك ، آلان. شامويلوف، جورجي؛ سالين، بيتر؛ دانينغ، ديفيد؛ هيبلنج، يانوس؛ كيدا، يويشيرو؛ كينجو، ريوتا؛ ماكنيل، بريان دبليو جيه؛ تاناكا، تاكاشي؛ طومسون، نيل. تيباي ، زولتان (2019-02-01). "الضوء المموج ذو الدورة الواحدة للأتوثانية: مراجعة" . تقارير عن التقدم في الفيزياء . 82 (2): 025901. بيب كود : 2019RPPh...82b5901M . دوى : 10.1088/1361-6633/aafa35 . ISSN 0034-4885 . بميد 30572315 . S2CID 58632996 .   
  18. ↑ "ورشة عمل تعقيم الأجهزة الطبية في الغرب الأوسط لعام 2019: التقرير الموجز" (ملف PDF) . وزارة الطاقة الأمريكية . نوفمبر 2019.
  19. ↑ همفريز ، ستانلي (1986). مبادئ تسريع الجسيمات المشحونة . وايلي-إنترساينس . ص 6. ISBN  978-0-471-87878-0.
  20. ↑ همفريز، ستانلي (1986). "مسرعات الحث الخطي" . مبادئ تسريع الجسيمات المشحونة . وايلي-إنترساينس . ص 283-325 . ISBN  978-0-471-87878-0.
  21. ↑ كريستوفيلوس، ن. س . وآخرون (1963). "مسرع حثي خطي عالي التيار للإلكترونات". وقائع المؤتمر الدولي الرابع حول مسرعات الطاقة العالية (HEACC63) (ملف PDF) . الصفحات 1482-1488 .  
  22. ↑ سورهايم، آشيلد (5 نوفمبر 2019). مهووس بحلم: الفيزيائي رولف وايدرو - عملاق في تاريخ المسرعات . سلسلة سير سبرينغر. تشام: دار نشر سبرينغر الدولية. doi : 10.1007/978-3-030-26338-6 . ISBN 978-3-030-26337-9. S2CID 211929538 . 
  23. ↑ بيدرو والوشيك (محرر): طفولة مسرعات الجسيمات: حياة وعمل رولف ويدرو ، فيويغ، 1994
  24. ↑ تشاو، أ. و.؛ ميس، ك. هـ.؛ تينير، م.؛ وآخرون ، محررون. (2013). دليل فيزياء وهندسة المسرعات ( الطبعة الثانية). وورلد ساينتيفيك. doi : 10.1142/8543 . ISBN   978-981-4417-17-4. S2CID 108427390 . 
  25. ↑ همفريز، ستانلي (1986). "بيتاثرونات" . مبادئ تسريع الجسيمات المشحونة . وايلي-إنترساينس . ص 326 وما بعدها . ISBN  978-0-471-87878-0.
  26. ↑ ["التقارب: المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل" CERN؛ https://home.cern/science/engineering/pulling-together-superconducting-electromagnets مؤرشف بتاريخ 23-04-2020 في Wayback Machine ]
  27. ↑ ["إعادة تشغيل مصادم الهادرونات الكبير: لماذا 13 تيرا إلكترون فولت؟" سيرن؛ https://home.cern/science/engineering/restarting-lhc-why-13-tev مؤرشف بتاريخ 2018-10-07 في أرشيف الإنترنت ]
  28. ↑ كورانت، إي دي ؛ ليفينغستون، إم إس ؛ سنايدر، إتش إس (1952). "المسرع السنكروتروني ذو التركيز القوي - مسرع جديد عالي الطاقة". مجلة Physical Review . 88 (5): 1190-1196 . Bibcode : 1952PhRv...88.1190C . doi : 10.1103/PhysRev.88.1190 . hdl : 2027/mdp.39015086454124 .
  29. ↑ بلوويت، جيه بي (1952). "التركيز الشعاعي في المعجل الخطي". مجلة المراجعة الفيزيائية . 88 (5): 1197-1199 . رمز Bibcode : 1952PhRv...88.1197B . doi : 10.1103/PhysRev.88.1197 .
  30. ↑ "مفهوم التدرج المتناوب" . مختبر بروكهافن الوطني . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2013-04-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2009-04-29 .
  31. ↑ إيفيموف، إس بي؛ كورينيف، آي إل؛ يودين، إل إيه (1990). "رنين حزمة الإلكترونات المركزة بواسطة مجال مغناطيسي حلزوني رباعي الأقطاب". الفيزياء الإشعاعية والإلكترونيات الكمية . 33 (1): 88-95 . doi : 10.1007/BF01037825 . S2CID 123706289 . 
  32. ↑ "الصفحة الرئيسية لعالم الحزم" . مختبر لورانس بيركلي الوطني . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2005-03-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2009-04-29 .
  33. ↑ كليري، د. (2010). "الشعاع الكبير التالي؟". مجلة ساينس . 327 (5962): 142-144 . Bibcode : 2010Sci...327..142C . doi : 10.1126/science.327.5962.142 . PMID 20056871 . 
  34. ↑ تشاو، ألكسندر وو؛ ميس، كارل هوبرت (31 ديسمبر 2013). دليل فيزياء وهندسة المسرعات . وورلد ساينتيفيك. ISBN 978-981-4415-85-9– عبر كتب جوجل.
  35. ↑ مراجعات لكتاب "علوم وتكنولوجيا المُسرِّعات: تطبيقات المُسرِّعات في الصناعة والبيئة" . دار النشر العالمية. 20 فبراير 2012. رقم ISBN 978-981-4383-98-1.
  36. ↑ مسرعات الجسيمات الصناعية وتطبيقاتها . دار النشر العالمية. 27 يونيو 2012. رقم ISBN 978-981-4434-61-4.
  37. ↑ جونغين، ي.؛ أبس، م.؛ كابديلا، ج.م.؛ ديفريز، د.؛ جينين، ف.؛ نغوين، أ. (1994). "الرودوترون، مُسرِّع إلكتروني جديد عالي الطاقة وعالي القدرة يعمل بموجة مستمرة". مجلة الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم ب . 89 ( 1-4 ): 60-64 . رمز Bibcode : 1994NIMPB..89...60J . doi : 10.1016/0168-583X(94)95146-2 .
  38. ↑ رايت، م. إي. (أبريل 2005). "ركوب موجة البلازما المستقبلية" . مجلة التناظر . 2 (3): 12. مؤرشف من الأصل في 2006-10-02 . تم الاسترجاع في 2005-11-10 .
  39. ↑ بريزمان، بي إن؛ وآخرون (1997). "محركات حزم الجسيمات ذاتية التركيز لمسرعات البلازما ذات المجال الموجي" (ملف PDF) . وقائع مؤتمر AIP . 396 : 75-88 . رمز Bibcode : 1997AIPC..396...75B . doi : 10.1063/1.52975 . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 23-05-2005 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13-05-2005 . 
  40. ↑ بيرالتا، إي. أ. وآخرون (2013). "إثبات تسارع الإلكترونات في بنية دقيقة عازلة تعمل بالليزر". مجلة نيتشر . 503 (7474): 91-94 . Bibcode : 2013Natur.503...91P . doi : 10.1038 / nature12664 . PMID 24077116. S2CID 4467824 .   
  41. ↑ إنجلاند، آر جيه؛ نوبل، آر جيه؛ فهيميان، بي؛ لو، بي؛ أبيل، إي؛ هانوكا، آدي؛ شاختر، إل. (2016). "تصميم مفاهيمي لمسرع ليزر عازل على مستوى الرقاقة" . وقائع مؤتمر AIP . 1777 : 060002. doi : 10.1063/1.4965631 .
  42. ↑ إنجلاند، ر. جويل؛ باير، روبرت ل.؛ سونغ، كين؛ بيرالتا، إدغار أ.؛ ماكاسيوك، إيغور ف.؛ هانوكا، آدي؛ كوان، بنجامين م.؛ وو، زيران؛ ووتون، كينت ب. (15 يونيو 2016). "إثبات تسارع الإلكترونات النسبية عند بنية دقيقة عازلة باستخدام نبضات ليزرية فيمتوثانية". رسائل البصريات . 41 (12): 2696-2699 . Bibcode : 2016OptL...41.2696W . doi : 10.1364/OL.41.002696 . ISSN 1539-4794 . OSTI 1313076. PMID 27304266 .   
  43. ^ هانوكا، عدي؛ شيشتر ، ليفي (2018/04/21). “أنظمة تشغيل مسرع الليزر العازل الكهربائي”. الأدوات والأساليب النووية في أبحاث الفيزياء القسم أ . 888 : 147– 152. بيب كود : 2018NIMPA.888..147H . دوى : 10.1016/j.nima.2018.01.060 . ISSN 0168-9002 . 
  44. ↑ "ورشة عمل مفاهيم المسرعات" .
  45. ↑ "AAC22 - تاريخ AAC" . 4 يناير 2016.
  46. ↑ "Eaac2013" .
  47. ↑ دبليو دي كيمورا، جي إتش كيم، آر دي روميا، وآخرون، تسريع الإلكترونات النسبية بالليزر باستخدام تأثير تشيرينكوف العكسي، مجلة Physical Review Letters، المجلد 74 ، الصفحة 546 - نُشر في 23 يناير 1995
  48. ↑ WD Kimura, A. van Steenbergen, M. Babzien, et al, First Staging of Two Laser Accelerators, Physical Review Letters 86 no. 18, 4041 (2001)
  49. ↑ سامر بنا، وفاليري بيريزوفسكي، وليفي شاختر، الملاحظة التجريبية للتسارع المباشر للجسيمات بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع، مجلة Physical Review Letters، المجلد 97 ، 134801 - نُشر في 28 سبتمبر 2006
  50. ↑ "مقابلة مع الدكتور ستيف غيدينغز" . مواضيع خاصة من ESI . تومسون رويترز . يوليو 2004. مؤرشف من الأصل بتاريخ 16 أكتوبر 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 أغسطس 2014 .
  51. ↑ تشامبلين، أ.؛ ناياك، ج. س. (2002). "إنتاج الثقوب السوداء في مصادم الهادرونات الكبير في سيرن: كرات الأوتار والثقوب السوداء الناتجة عن تصادمات البروتون-بروتون والرصاص-الرصاص". مجلة Physical Review D. 66 ( 9) 091901. arXiv : hep-ph/0206060 . Bibcode : 2002PhRvD..66i1901C . doi : 10.1103/PhysRevD.66.091901 . S2CID 119445499 . 
  52. 1 2 إليس، ج. ، مجموعة تقييم سلامة مصادم الهادرونات الكبير ؛ وآخرون . (5 سبتمبر 2008). "مراجعة سلامة تصادمات مصادم الهادرونات الكبير" ( ملف PDF) . مجلة الفيزياء G. 35 ( 11) 115004. arXiv : 0806.3414 . Bibcode : 2008JPhG...35k5004E . doi : 10.1088/0954-3899/35/11/115004 . S2CID 53370175. سجل CERN .  
  53. ↑ جافي، ر.؛ بوسزا، و.؛ ساندويس، ج.؛ ويلكزك، ف. (2000). "مراجعة لسيناريوهات الكوارث التخمينية في مصادم الأيونات الثقيلة النسبية". مراجعات الفيزياء الحديثة . 72 (4): 1125-1140 . arXiv : hep-ph/9910333 . Bibcode : 2000RvMP...72.1125J . doi : 10.1103/RevModPhys.72.1125 . S2CID 444580 . 
  54. ↑ أوتو، توماس (2021). السلامة في مسرعات الجسيمات . تسريع الجسيمات والكشف عنها. تشام: دار نشر سبرينغر الدولية. Bibcode : 2021spa..book.....O . doi : 10.1007/978-3-030-57031-6 . ISBN 978-3-030-57030-9. S2CID 234329600 . 
  55. ↑ كوسيرت، ج. دونالد؛ كوين، ماثيو (2019). فيزياء إشعاع المسرعات لحماية الأفراد والبيئة ( الطبعة الأولى). بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي، مجموعة تايلور وفرانسيس، [2019]. doi : 10.1201/9780429491634 . ISBN  978-0-429-49163-4. S2CID 189160205 .