ما هو السنكروترون

يتخصص العلم المعروف باسم السنكروترون في إنتاج الأشعة السينية، حيث يتم إنتاجها بواسطة إلكترونات ذات طاقة عالية أثناء دورانها حول السنكروترون، ويستند هذا العلم بشكل كامل على ظاهرة فيزيائية واحدة، وهي أن تغيير اتجاه الإلكترون المتحرك يؤدي إلى إطلاق طاقة عندما يتحرك بسرعة كافية، وتكون هذه الطاقة بطول موجي ينتج عنه الأشعة 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

تتكون حلقة التخزين من محيط يبلغ طوله 844 مترا، حيث تدور الإلكترونات لساعات قريبة من سرعة الضوء، ويتم الحفاظ على الأنبوب عند ضغط منخفض جدا (حوالي 10^-9 ميغاباسكال). وبينما تتحرك الإلكترونات حول الحلقة، فإنها تمر عبر أنواع مختلفة من المغناطيس، وتنتج الأشعة السينية في هذه العملية. وتقوم الوحدات الترددية غير الموصلة بتزويد الإلكترونات بالطاقة اللازمة لإنتاج الأشعة 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

يتم إنتاج إلكترونات حلقة التخزين هنا في مسدس إلكتروني، وهو جهاز يشبه أنابيب أشعة الكاثود الموجودة في أجهزة التلفزيون أو الحواسيب القديمة، وتعبأ هذه الإلكترونات في “مجموعات” ثم تسرع إلى 200 مليون فولت إلكتروني، وهو ما يكفي لحقنها في السينكروترون الداعم.

Beamlines

تتمثل خطوط الشعاع في توجيه الأشعة السينية من الإلكترونات نحو “Beamlines” المحيطة بحلقة التخزين في القاعة التجريبية، ويتم تصميم كل خط شعاع للاستخدام مع تقنية محددة أو لنوع معين من البحث، ويتم إجراء التجارب على مدار 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 كان استخدام حقل متغير مع الزمن بدلا من استخدام حقول ثابتة. عندما تكتسب الحزمة طاقة، يتم ضبط الحقل وفقا لذلك لتجميع الحزمة في وسط الأنبوب الذي يحتوي عليه الحزمة. هذا يتيح التحكم بالحزمة بشكل أكبر، ويمكن تصميم الجهاز لتحقيق زيادات أكبر في الطاقة طوال الوقت.

نوعا واحدا من تصميم السنكروترون يطلق عليه اسم حلقة التخزين، وهو السنكروترون المصمم لهدف واحد وهو الحفاظ على مستوى ثابت للطاقة في الشعاع. يستخدم هيكل التسريع الرئيسي في العديد من مسرعات الجسيمات لتسريع الحزمة إلى المستوى المطلوب من الطاقة، ثم يتم نقلها إلى حلقة التخزين للصيانة، حتى يتمكنوا من تصادمها مع حزمة أخرى تتجه في الاتجاه المعاكس. يؤدي ذلك إلى زيادة طاقة التصادم بدون الحاجة إلى بناء مسرعين كاملين للوصول إلى طاقتين مختلفتين في نفس المستوى.

السنكروترونات الرئيسية

تم إنشاء بني سينكروترون بروتون في مختبر بروكهافن الوطني في الولايات المتحدة الأمريكية، وتم تشغيله في عام 1948، وبلغ قوته الكاملة في عام 1953. وفي ذلك الوقت، كان أقوى جهاز تم بناؤه، وكان على وشك الوصول إلى طاقات تصل إلى حوالي 3.3 جي في، وظل يعمل حتى عام 1968.

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

في عام 1955، استخدم بيفاترون لاكتشاف البروتون المضاد، وهذا الإنجاز حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1959.

كان مسرع الجسيمات تيفاترون في فيرميلاب هو أسرع سينكروترون، حيث كان قادرا على تسريع البروتونات والبروتونات المضادة إلى مستويات طاقة حركية تقارب 1 تيرا إلكترون فولت قليلا، وكان أقوى مسرع جسيمات في العالم حتى عام 2008 عندما تم تجاوزه بواسطة مصادم الهادرونات الكبير. المسرع الرئيسي الآخر في مشعاع الهادرونات الكبير، الذي يبلغ طوله 27 كيلومترا، كان أيضا سينكروترون وقادرا على تحقيق طاقات تسارع تبلغ حوالي 7 تيرا إلكترون فولت لكل شعاع، مما يؤدي إلى حدوث 14 تصادما تيفاترون.

ضوء السينكروترون

يمكن العثور على عدة أنواع من الضوء 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 كهرومغناطيسية تشبه أشعة الشمس. ومع ذلك، يكون ضوء السنكروترون الموجة الكهرومغناطيسية التي تنبعث من جسيم مشحون مثل الإلكترونات والتي تتحرك بسرعات تقترب من سرعة الضوء. يتم ذلك بإجبارها على تغيير اتجاهها من خلال تأثير المجال المغناطيسي. تفقد هذه الإلكترونات كمية محددة من الطاقة وتتحول إلى موجات كهرومغناطيسية تسمى ضوء السنكروترون.

معهد سينكروترون لايت في تايلند

يقع “معهد سينكروترون لايت للأبحاث” في جامعة “سوراناري للتكنولوجيا” بمقاطعة “ناخون راتشاسيما” في تايلاند، وهو المؤسسة الوحيدة في تايلاند والأكبر في آسيا التي تنتج ضوء السنكروترون، وهي آلة علمية كبيرة تستخدم للتحليل والبحث وتطوير المنتجات ذات القيمة المضافة. تعتبر هذه التقنية أساسية للتنمية العلمية والتكنولوجية في تايلاند والعالم.

يستجيب الجهاز للأسئلة المتعلقة بالمواد على مستوى الذرة والجزيئات، ويمكن استخدامه في تطبيقات مختلفة مثل الزراعة والطب والصيدلة والصناعة.

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

نفذ المعهد جميع مهامه بعد مبادرة صاحبة السمو الملكي الأميرة مها شاكري سيريندهورن لإضافة قيمة اقتصادية وتحسين نوعية حياة الشعب التايلاندي إلى المستوى الدولي.

بالإضافة إلى ذلك، يتم تصميم المعهد لتنفيذ أنشطته وفقا لسياسة التنمية الوطنية التي تهدف إلى إنشاء أبحاث تلبي احتياجات الصناعة وتساهم في دفع النمو الاقتصادي الوطني.