ما هو السنكروترون

السنكروترون هو العلم المتخصص في مصدر قوى الأشعة السينية، حيث يتم إنتاج الأشعة السينية بواسطة إلكترونات ذات طاقة عالية أثناء دورانها حول السنكروترون، يعتمد عالم علوم السنكروترون بأكمله على ظاهرة فيزيائية واحدة والتي تقول إنه عندما يغير الإلكترون المتحرك باتجاهه، فإنه يبعث طاقة عند تحركه بسرعة كافية، وتكون هذه الطاقة المنبعثة في الطول الموجي للأشعة السينية.

آلية عمل سنكروترون

تعمل آلة سنكروترون لتسريع الإلكترونات إلى طاقة عالية للغاية ثم يتم تغيير اتجاهها بشكل دوري، حيث تنبعث الأشعة السينية التي تتكون من عشرات من الحزم الرقيقة، يتم توجيه كل منها نحو خط شعاع بجانب المسرع، وتعمل هذه الماكينة ليلاً ونهاراً، مع إغلاقات دورية قصيرة وطويلة للصيانة.

الهيكل الرئيسي لآلة السنكروترون

حلقة التخزين

حلقة التخزين عبارة عن محيط يبلغ طوله 844 متراً حيث تدور الإلكترونات لساعات قريبة من سرعة الضوء، يتم الحفاظ على الأنبوب عند ضغط منخفض جداً (حوالي 10 إلى 9 ميجا بايت)، وبينما تتحرك الإلكترونات حول الحلقة، فإنها تمر عبر أنواع مختلفة من المغناطيس وفي هذه العملية تنتج الأشعة السينية، تقوم الوحدات المسماة بتجاويف الترددات اللاسلكية بإعادة تزويد إلكترونات الطاقة بالأشعة السينية.

معززة السنكروترون

هو عبارة عن مسرع مسبق طوله 300 متر حيث يقوم بتسريع الإلكترونات إلى طاقة تبلغ 6 مليارات فولت إلكتروني (6 GeV) قبل حقنها في حلقة التخزين، ويعمل السنكروترون الداعم فقط عدة مرات في اليوم لبضع دقائق، عند إعادة تعبئة حلقة التخزين كل 50 مللي ثانية، بحيث يمكن أن ترسل مجموعة من 6 إلكترونات GeV في حلقة التخزين.

Linac

هنا، يتم إنتاج إلكترونات حلقة التخزين في مسدس إلكتروني، وهو جهاز يشبه أنابيب أشعة الكاثود الموجودة في أجهزة التلفزيون أو شاشات الكمبيوتر القديمة، يتم تعبئة هذه الإلكترونات في “مجموعات” ثم يتم تسارعها إلى 200 مليون فولت إلكتروني، وهو ما يكفي للحقن في السنكروترون الداعم.

Beamlines

وهي خطوط الشعاع، حيث يتم توجيه الأشعة السينية المنبعثة من الإلكترونات نحو “Beamlines” التي تحيط بحلقة التخزين في القاعة التجريبية، ويتم تصميم كل خط شعاع للاستخدام مع تقنية محددة أو لنوع معين من البحث، وتجري التجارب طوال النهار والليل.

كيف يعمل السنكروترون

السنكروترون هو تحسين أو تطوير من السيكلوترون والذي تم تصميمه في الثلاثينيات، ففي السيكلوترونات تتحرك حزمة من الجسيمات المشحونة عبر مجال مغناطيسي ثابت يوجه الحزمة في مسار حلزوني، ثم يمر عبر مجال كهرومغناطيسي ثابت يوفر زيادة في الطاقة في كل مرور عبر الحقل، هذا النتوء في الطاقة الحركية يعني أن الشعاع يتحرك عبر دائرة أوسع قليلاً عبر الممر عبر المجال المغناطيسي للحصول على نتوء آخر، وهكذا حتى يصل إلى مستويات الطاقة المطلوبة.

التحسين الذي أدى إلى عمل السنكروترون هو أنه بدلاً من استخدام الحقول الثابتة، فإن السنكروترون يطبق حقلاً يتغير مع الوقت، فعندما تكتسب الحزمة طاقة يضبط الحقل وفقاً لذلك لعقد الحزمة في وسط الأنبوب الذي يحتوي على الحزمة، ويتيح ذلك الحصول على درجات أكبر من التحكم في الحزمة، ويمكن تصميم الجهاز لتوفير زيادات أكبر في الطاقة طوال الدورة.

يسمى نوع واحد من تصميم السنكروترون حلقة التخزين، وهو السنكروترون الذي صمم لغرض وحيد هو الحفاظ على مستوى ثابت للطاقة في الشعاع، وتستخدم العديد من مسرعات الجسيمات هيكل التسريع الرئيسي لتسريع الحزمة حتى مستوى الطاقة المطلوب، ثم نقلها إلى حلقة التخزين ليتم صيانتها حتى يمكن اصطدامها بحزمة أخرى تتحرك في الاتجاه المعاكس، ويعمل هذا على مضاعفة طاقة التصادم دون الحاجة إلى بناء معجلين كاملين للحصول على عمودين مختلفين يصلان إلى مستوى الطاقة الكامل.

السنكروترونات الرئيسية

بني سينكروترون بروتون في مختبر بروكهافن الوطني في الولايات المتحدة الأمريكية، وتم تشغيله في عام 1948 ووصل إلى قوته الكاملة في عام 1953، في ذلك الوقت، كان الجهاز الأقوى الذي تم بناؤه، وكان على وشك الوصول إلى طاقات تبلغ حوالي 3.3 جي في، وظل يعمل حتى عام 1968.

بدأ بناء بيفاترون في مختبر لورنس بيركلي الوطني في عام 1950 واكتمل في عام 1954.

في عام 1955، تم استخدام بيفاترون لاكتشاف البروتون المضاد، وهو إنجاز حصل على جائزة نوبل للفيزياء عام 1959.

كان مسرع الجسيمات Tevatron في Fermilab هو أسرع سنكروترون، حيث كان قادر على تسريع البروتونات والبروتونات المضادة لمستويات الطاقة الحركية أقل بقليل من 1 TeV، وكان أقوى مسرع جسيمات في العالم حتى عام 2008، فعندما تم تجاوزه بواسطة مصادم هادرون الكبير، كان المسرع الرئيسي الذي يبلغ طوله 27 كيلومتراً في Large Hadron Collider هو أيضاً سينكروترون وكان قادراً على تحقيق طاقات تسارع تبلغ حوالي 7 TeV لكل شعاع، مما ينتج عنه 14 تصادم TeV.

ضوء السينكروترون

هناك عدة أنواع من الضوء يمكن العثور عليها على الأرض، مثل ضوء الشمس خلال النهار، أو الضوء القادم من القمر والنجوم في الليل، أو ضوء المصابيح الكهربائية أو حتى من الحيوانات التي ترسل إشاراتها مثل اليراعات.

هذه الأنوار هي إما أضواء طبيعية أو من صنع الإنسان، هل تعلم أن هناك نوعاً آخر من الضوء له خصائص فريدة خاصة عن أي ضوء آخر مذكور أعلاه، هذا الضوء أكثر إشراقا من ضوء النهار بمليون مرة، شعاعه هو فقط في مقياس ميكرومتر (1 في 1،000،000 متر)، ويتراوح الطول الموجي لمثل هذا الضوء على 4 أطوال موجية، وهي الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية، يطلق العلماء على هذا النوع من الضوء “ضوء السنكروترون”.

ضوء السنكروترون هو موجة كهرمغنطيسية تشبه أشعة الشمس، ومع ذلك فإن ضوء السنكروترون هو الموجة الكهرومغناطيسية المشعة من جسيم مشحون مثل الإلكترونات التي تتحرك بسرعات تقترب من سرعة الضوء، بعد إجبارها على تغيير الاتجاه من خلال أفعال مجال مغناطيسي، وتفقد هذه الإلكترونات قدراً معيناً من الطاقة والتفريغ في شكل موجات كهرومغناطيسية تسمى “ضوء السنكروترون”.

معهد سينكروترون لايت في تايلند

في تايلاند هناك مؤسسة لديها القدرة على إنتاج ضوء السنكروترون من أجل التحليل، والبحث وتطوير المنتجات ذات القيمة المضافة وتسمى المؤسسة “معهد سينكروترون لايت للأبحاث “، وهي تقع في جامعة سوراناري للتكنولوجيا بمقاطعة ناخون راتشاسيما، وهي المؤسسة الوحيدة في تايلاند والأكبر في منطقة آسيا، وهو عبارة عن آلة تعمل كمصدر ضوء السنكروترون، فهي جهاز علمي كبير يعمل بتكنولوجيا هندسية معقدة وهو أمر أساسي للتنمية العلمية والتكنولوجية في البلاد.

إن الجهاز يستجيب للأسئلة المتعلقة بالمواد وصولاً إلى المستويات الذرية والجزيئية مع تطبيقات تتراوح بين الزراعة والطب والصيدلة والصناعة.

معهد سينكروترون لايت للأبحاث هو مؤسسة مستقلة ذاتياً تابعة لوزارة العلوم والتكنولوجيا، وتتمثل مهمتها في إجراء البحوث المتعلقة بضوء السنكروترون، وتوفير خدمات وتكنولوجيا السنكروترون، وهو يعمل على تعزيز الفهم والتعلم المتعلقين بتكنولوجيا ضوء السنكروترون.

لقد نفذ المعهد جميع مهامه في أعقاب المبادرة الملكية لصاحبة السمو الملكي الأميرة مها شاكري سيريندهورن لإضافة قيمة اقتصادية، وتحسين نوعية حياة الشعب التايلاندي إلى المستوى الدولي.

بالإضافة إلى ذلك، فإن المعهد مصمم لتنفيذ عملياته وفقاً لسياسة التنمية الوطنية للحكومة، والتي تهدف إلى إنشاء أبحاث تلبي احتياجات الصناعة للمساعدة في دفع النمو الاقتصادي الوطني.