مسرعات الجسيمات، أي الأجهزة التي تُسرِع الجسيمات الأولية، تعد بالغة الأهمية في عدة قطاعات متضمنةً العلوم، وتطوير المنتجات، والصحة، والأمن القومي؛ إذ تُستخدم فيما يزيد عن 30 ألف عملية في جميع أنحاء العالم، وقد شكلت هذه المسرعات فهمنا العميق للجسيمات والفيزياء النووية أيضًا.

سواء أكان بحثاً طبيًّا أو علميًا، أم تطوير منتجٍ استهلاكيّ، أم متعلقًا بالأمن القومي، فإن مسرعات الجسيمات تمس تقريبًا كلّ جزءٍ من حياتنا اليومية؛ فمنذ بدايات أنبوب أشعة المهبط في تسعينيات القرن 19 قد قدمت مسرعات الجسيمات مساهمات مهمة في الابتكار العلمي والتقني، ويوجد اليوم ما يزيد عن 30 ألف مسرع جسيمات قيد التشغيل حول العالم.

ما هو مسرع الجسيمات؟

إن مسرع الجسيمات هو آلة تُسرّع الجسيمات الأولية، مثل الإلكترونات أو البروتونات حتى طاقات هائلة. على مستوىً أساسيّ، تنتج مسرعات الجسيمات حزمًا من الجسيمات المشحونة والتي يمكن أن تُستخدم لعدة أغراض بحثية. هناك نوعان أساسيّان من مسرعات الجسيمات، وهما: المسرّعات الخطية، والمسرّعات الدائرية. تدفع المسرعات الخطية الجسيمات على امتداد شعاعٍ خطي أو مستقيم، أما المسرّعات الدائرية فتدفع الجسيمات في مسارٍ دائري تقريبًا.

تُستخدم المسرعات الخطية في تجارب الهدف المثبت، في حين أن المسرّعات الدائرية يُمكن أن تُستخدم بكلٍ من تجارب تصادم الأشعة، وتجارب الهدف المثبت.

كيف يعمل مسرع الجسيمات؟

يستخدم مسرع الجسيمات المجالات الكهربائية لتسريع وزيادة طاقة حزم من الجسيمات تُوجَّه وتُركَّز بواسطة المجالات المغناطيسية. يمّد مصدر الجسيمات بجسيماتٍ مثل البروتونات أو الإلكترونات التي ستُسرّع، ثم تنتقل حزم الجسيمات عبر فراغٍ في الأنبوب المعدني؛ إذ أن الفراغ ضروري للحفاظ على بيئة خالية من الهواء والغبار لكي تنتقل حزمة الجسيمات دون عوائق. تُوّجِهها الكهرومغناطيسية وتركزها بينما تنتقل عبر الأنبوب المفرغ.

تتبدل المجالات الكهربائية المتباعدة حول الأنبوب من إيجابية إلى سلبية عند ترددٍ محددٍ، مشكلةً بذلك موجات راديو تُسرّع الجسيمات ضمن مجموعات. يمكن أن توَّجه الجسيمات نحو هدف مُثبت، مثل قطعة رقيقة من المعدن لتتصادم معها ثم ترصدها كاشفات الجسيمات هي والإشعاعات الناتجة عن التصادم بين حزمة الجسيمات والهدف.

كيف ساهمت المسرعات في العلوم البحتة؟

إن مسرعات الجسيمات أدوات ضرورية لاكتشاف الجسيمات، والفيزياء النووية، والعلوم التي تستخدم الأشعة السينية والنيوترونات التي تعد نوعًا من الجسيمات دون الذرية المتعادلة.

تطرح فيزياء الجسيمات، والتي تُدعى أيضًا فيزياء الطاقة المرتفعة، أسئلةً حول أساسيات الكون. وبواسطة مسرّعات الجسيمات كأدواتهم العلمية الأساسية، قد شكل علماء فيزياء الجسيمات فهمًا عميقًا حول الجسيمات والقوانين الفيزيائية الأساسية التي تحكم كل من المادة، والطاقة، والفضاء، والزمن.

على مدار العقود الأربعة الماضية، قد حققت مصادر الضوء أو المسرعات المُنتجة للفوتونات، والجسيمات دون الذرية المسؤولة عن الإشعاع الكهرومغناطيسي، والعلوم القائمة عليها تقدمات هائلة شملت العديد من مجالات البحث. وفي يومنا هذا هناك ما يقارب 10 آلاف عالم في الولايات المتحدة يستخدمون حزم الأشعة السينية لأغراض البحث في الفيزياء، والكيمياء، والعلوم الحياتية، والطب، وعلوم الأرض، والكثير من جوانب علوم المواد والتطوير.

اقرأ أيضًا: تطوير مسرعات جديدة من أيونات عالية الطاقة باستخدام الليزر

كيف حسنت مسرعات الجسيمات منتجات المستهلك؟

تستخدم مئات العمليات الصناعية حول العالم مسرعات الجسيمات، بدءً من تصنيع شرائح الحاسوب الإلكترونية وصولاً إلى التشابك المتقاطع للبلاستيك لأغراض التغليف المنكمش وما بعده من مراحل.

تركز تطبيقات حزم الإلكترونات على تعديل خواص المواد، مثل: تحوير البلاستيك لتشطيب الأسطح، ولأجل تدمير مسببات المرض في التعقيم الطبي، وعند تعريض الأغذية للأشعة المؤينة. تستخدم المسرعات المشعة للأيون التي تُسرّع جسيمات أثقل استخدامًا مكثفًا في مجال أشباه الموصلات الخاص بتصنيع الشرائح الإلكترونية وتصليب أسطح المواد كتلك المُستخدَمة في الأطراف الصناعية.

ما دور مسرعات الجسيمات في المجال الطبي؟

يتلقى عشرات ملايين المرضى التشخيصات والعلاجات المُعتمدة على المسرّعات سنويًا في المستشفيات والعيادات حول العالم؛ حيث يوجد دوران أساسيان لمسرّعات الجسيمات في المجال الطبي، وهما: إنتاج النظائر المشعة للتشخيص الطبي والعلاج، والتزويد بحزم الإلكترونات، والبروتونات، وجسيمات مشحونة أثقل للعلاج الطبي.

يسمح النطاق الواسع لنصف عمر النظائر المشعة وأنواع إشعاعاتها المختلفة بتطوير استخدامات معينة، ويمكن للنظائر الباعثة للأشعة السينية أو أشعة جاما أو البوزِترونات أن تعمل بمثابة مجسات تشخيصية بوجود أدوات خارج جسد المريض لتصوير التوزيع الإشعاعي ومنه البنى البيولوجية وحركة السوائل أو انقباض الأوعية، مثل مراقبة تدفق الدم. تترك بواعث أشعة بيتا أي الإلكترونات، وبواعث أشعة ألفا أي نوى الهيليوم معظم طاقاتها قرب موقع النواة الباعثة، وتعمل بمثابة علاج لتدمير الخلايا السرطانية.

لقد تطور العلاج الإشعاعي بالحزم الخارجية إلى وسيلة فعالة جدًا لعلاج مرضى السرطان، حيث تُجرى حاليًا الغالبية العظمى لعمليات العلاج الإشعاعي بواسطة مسرعات موجات مُصغرة خطية مُنتجةً حزم إلكترونات وأشعة سينية.

وقد حسنّت كل من تكنولوجيا المسرعات، وتقنيات التشخيص والعلاج على مدار 50 عام الماضية النتائج السريرية جذريًا، وفي يومنا هذا يعمل حول العالم 30 مركز علاجي يعتمد على البروتون و3 مراكز علاجية تعتمد على حزم أيون الكربون، بالإضافة لعدة مراكز جديدة على الطريق.

أدت المختبرات الوطنية لقسم الطاقة دورًا مهمًا في بدايات تطوير هذه التقنيات؛ إذ ساعد مخبر لوس ألاموس الوطني على تطوير المسرعات الخطية للإلكترونات، وهي الآن عماد عمل العلاج بالإشعاع الخارجي، وساهمت مختبرات أوك ريدج وبروكهيفن بمعظم التجارب الحالية على استخدام النظائر في التشخيص والعلاج، أما مختبر لورنس بيركلي الوطني بادر في استخدام البروتونات، وجسيمات ألفا- أي نوى الهيليوم- وغيرها من أيونات الضوء في العلاج وعلم الأحياء الإشعاعي.

كيف أفادت مسرعات الجسيمات الأمن القومي؟

تؤدي مسرعات الجسيمات دورًا هامًا في الأمن القومي، بما في ذلك تفتيش البضائع، والإشراف على مخزون الطوارئ، وتوصيف المواد.

استخدمت المسرعات لأول مرة في البحث عن الوقود النووي حيث استخدمت مسرعات خطية لإلكترونات تجارية منخفضة الطاقة لتحفيز تفاعلات الانشطار النووي، توسعت تقنيات التفتيش المذكورة لتشمل تفتيش براميل النفايات في الثمانينات وصولاً إلى تفتيش البضائع، ثم قاد اختراع ليزر الإلكترون الحر في السبعينات إلى إشعاع كهرومغناطيسي مرتفع الطاقة باستخدام إلكترونات مرتفعة الطاقة للاستخدام في التطبيقات الأمنية والدفاعية؛ بما في ذلك اعتماد القوات البحرية على ليزر الإلكترون الحر في الدفاع على متن السفن.

المصدر: https://scitechdaily.com

ترجمة: وسن نجادات

مراجعة وتدقيق: زينب محمد