معجل(مسرع) السيكلترون

شاهد الفيديو التوضيحي: مسرع الجسيمات النووية السيكلترون 

المعجل (المسرع ) الدوراني السيكلترون The Cyclotron

المسرع الدوراني او السيكلترون هو عبارة عن جهاز يعمل على تسريع الجسيمات المشحونة إلى سرعات عالية جدا. تستخدم الجسيمات المسرعة الناتجة في التصادم مع انوية الذرات لاحداث تفاعلات نووية هامة للمجال البحثي. كما تستخدم العديد من المستشفيات أجهزة السيكلترون في انتاج مواد مشعة للتشخيص والعلاج.

يقوم الحقلل الكهربائي والحقل المغناطيسي بدور هام في فكرة عمل السيكلترون.

يوضح الشكل 4 a مخطط يشرح فكرة عمل السيكلترون. 

تتحرك الشحنات في داخل حاويتين نصف دائريتين لها شكل حرف  D ولهذا يطلق عليها اسم D1 لنصف الدائرة الأولى واسم D2 لنصف الدائرة الثانية. 

يطبق فرق كمون ذو تواتر عالي على نصفي الدائرتين D1 وD22 في وجود حقل مغناطيسي منتظم عمودي عليهما. 

عند وجود ايون عند النقطة PP بالقرب من مركز المغناطيس في احد نصفي الدائرتين وليكن عند D1 فان الايون يتحرك في مسار نصف دائري والموضح بالخط الأسود المنقط في الشكل 4 a، وعندما يصل الايون إلى الفراغ بين نصفي الدائرتين يكون قد استغرق فترة زمنية مقدارها T/2 حيث ان T هو الفترة الزمنية اللازمة لعمل دورة كاملة حول نصفي الدائرتين والتي تعطى بالمعادلة (2)

T= 2 π m / q . B (2)

يتم ضبط تواتر فرق الكمون بحيث ان قطبية نصفي الدائرتين تكون معكوسة في خلال الفترة الزمنية التي ينتقل فيها الايون من احد نصفي الدائرتين إلى الأخرى.

اذا تم ضبط تواتر فرق الكمون بحيث يكون D1عند كمون كهربائي اقل من D2 بمقدار V، فان الايون يتسارع عبر الفراغ إلى D1 وتزداد طاقة حركته بمقدار qV. بعد ذلك يتحرك الايون حول D1 في مسار نصف دائري نصف قطره اكبر لان سرعة الايون قد ازدادت. بعد مرور فترة زمنية قدرها T/2 فان الايون يصل مرة أخرى إلى الفراغ بين نصفي الدائرتين. لحظة انقضاء هذه الفترة الزمنية تعكس القطبية على نصفي الدائرتين مرة أخرى ويتلقى الايون تعجيل اخر خلال الفراغ بينهما. تستمر الحركة بحيث انه في كل نصف دائرة يكتسب الايون طاقة حركية إضافية تساوي qV. عندما يصبح نصف قطر المسار مساويا تقريبا لنصف قطر الوعاء نصف الدائري فان الايونات المسرعة تترك النظام وتخرج من خلال فتحة الخروج.

تعتمد فكرة عمل السيكلترون على الفترة الزمنية T المستقلة عن سرعة الايون ونصف قطر المسار الدائري كما هو موضح في المعادلة (2).

يمكننا الحصول على صيغة رياضية للطاقة الحركية التي يكتسبها الايون عندما يخرج من السيكلترون بدلالة نصف قطر الوعاء نصف دائري R. من المعادلة نعلم ان v = qBR/m وعليه فان الطاقة الحركية تكون على النحو التالي:

E k = 1/2 m. V^2 = q^2 .B^2 .R^2 / 2m

عندما تزيد طاقة الايونات في السيكلترون عن 20 MeV تقريبا فان سرعتها تصبح قريبة من سرعة الضوء وتظهر الخصائص النسبية عليها. 

اثبتت الملاحظات العلمية ان TT تزداد وحركة الايونات لا تبقى في نفس الطور مع فرق الكمون المطبق. بعض المسرعات تتغلب على هذه المشكلة من خلال تعديل الفترة الزمنية لفرق الكمون المطبق حتى تبقى الايونات مع فرق الكمون المطبق في نفس الطور.

ملاحظة: لا يعتبر مسرع السيكلترون من المسرعات المتطورة. يعد السيكلترون من المسرعات الهامة من الناحية التاريخية لانه اول مسرع جسيمات تم استخدامه للحصول على جسيمات تتحرك بسرعات كبيرة. لا يزال السيكلترون مستخدما في المستشفيات للتطبيقات الطبية ولكن معظم المسرعات المستخدمة في البحوث العلمية لا تعتمد فكرة عملها على السيكلترون. 

 المسرعات الحديثة تعمل من خلال مبدأ مختلف وتعرف عامة باسم المسرع الدرواني التزامني او السينكروترون synchrotrons.

عن الدكتور حازم سكيك