Published in: الفيزياء

البيتاترون

Author د. هالة وتار

Published on: 4 مارس، 2024

د. هالة وتار

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

يُعتبر البيتاترون أحد أنواع المُسرّعات (المعجلات)، وقبل الانتقال للتعرُّف على البيتاترون سنتحدث عن المُسرّعات.

ما هو المُسرّع؟

تُعتبر المُسرّعات الأداة الرئيسة في علم فيزياء جسيمات الطاقة العالية، فهي أجهزةٌ تعمل على تسريع الجسيمات المشحونة بتأثير الحقول الكهربائية فيها. غالباً ما تكون الجسيمات المسرّعة هي الإلكترونات أو نوى العناصر الخفيفة، مثل: البروتونات، والديترونات، وجسيمات ألفا، وحالياً تسرع أيضاً النوى الثقيلة، مثل: نوى الكربون، والنيون، والأوكسجين.

يعتمد مبدأ المُسرّع على تسريع الجسيمات المشحونة الناتجة عن منبعٍ أيوني بوساطة تطبيق حقل كهربائي موازٍ لاتجاه حركتها، كما يطبق حقلاً مغناطيسياً بشكلٍ عمودي على اتجاه حركة الجسيمة، وهذا الحقل لا يغير من طاقة الجسيمة، لكنه يجعل مسارها دائرياً، مما يفيد في تصغير حجم المُسرّع. ^[1]

ما هي أنواع المُسرّعات؟

يمكن تصنيف المُسرّعات حسب نوع المسار الذي تتبعه الجسيمات المُسرّعة، وهناك نوعان رئيسيان من المُسرّعات هما: ^[2]

1- المُسرّعات الخطية (Linear Accelerators)

يدعى هذا المُسرّع باسم ليناك (Linac)، ويتمُّ فيه تسريع الجسيمات وفق خطٍّ مستقيم (أحياناً على مسافاتٍ كبيرةٍ جداً)، ومن ثم توجه هذه الجسيمات إلى هدفٍ موجودٍ في نهاية المُسّرع. تختلف المُسرّعات الخطية عن المُسرّعات المعتمدة على الكهرباء الساكنة باستخدامها حقولاً كهربائيةً متناوبةً عند تواتراتٍ راديوية عالية، لتسريع الجسيمات ودفعها على طول خط مستقيم بدلاً من استخدام جهد ٍعالٍ وحيد.

2- المُسرّعات الدائرية (Circular Accelerators)

تعتمد المُسرّعات الدائرية على تأثير حقلٍ مغناطيسي خطوطاً قواها معامدةً للمسارات الدائرية التي تلزم الجسيمات باتباعها، ويعتمد مبدأ تسريع الجسيمات في المُسرّعات الدائرية على ما يلي:

● يطبق فرق توترٍ عالٍ بين الأقطاب المُسرّعة للجسيمات، كحالة المُسرّعات الخطية.

● تطبق حقول مغناطيسية لجعل الإلكترونات تتحرك في مساراتٍ دائرية، كما في السيكلترون (Cyclotron) والبيتاترون (Betatron).

● استخدام حقولٍ مغناطيسية متغيرة وجهودٍ متناوبةٍ ذات تردّدٍ متغير، كحالة السينكروترون (Cynchrotron).

ما هو البيتاترون؟

بنى العالم كيرست Kerst عام 1940 في جامعة Illinios أول مسرّع بيتاترون، لتسريع الإلكترونات إلى طاقة 2.3 ميغا إلكترون فولت (الميغا إلكترون فولت يساوي مليون إلكترون فولت)، ويعتبر البيتاترون (Betatron) من المُسرّعات الدائرية الذي يتمّ فيه دوران الإلكترونات في مساراتٍ دائرية نتيجة تطبيق حقولِ مغناطيسية عليها. ^[3]

ما هي مكونات البيتاترون؟

يتكون البيتاترون من:

1- أنبوبة زجاجية مفرغةً من الهواء على شكل حلقة، تدور داخلها الإلكترونات.

2- فتيلة من التنغستين داخل الأنبوبة تعمل كمصدرٍ للإلكترونات.

3- قطبي مغناطيس كهربائي توضع ضمنه الأنبوبة، يعمل على تردّد 60 هرتز.

4- سلك من البلاتين يعمل كهدفٍ للإلكترونات المُسرّعة، فتتولد الأشعة السينية بطاقاتٍ عالية. 

ما هو مبدأ عمل البيتاترون؟

يعتمد مبدأ عمل البيتاترون على توليد حقلٍ كهربائي E بفعل تغيير التدفق لحقل مغناطيسي B أي يعتمد على نفس مبدأ عمل المحولة الكهربائية، ففي المحولة ملفان يحيطان بنواةٍ حديدية، فإذا طبق تيارٌ متناوبٌ في الملف الأول، نشأ حقلٌ مغناطيسيٌّ متناوبٌ يولد قوةً محركةً كهربائيةً تحريضية في الملف الثانوي يؤدي إلى مرور تيارٍ فيه.

في البيتاترون يستبدل الملف الثانوي بحجرةٍ حلقية الشكل من الزجاج أو الخزف مخلاة من الهواء (الضغط فيها تقريب ا10^-4 ميلي متر زئبقي) موضوعة بين قطبي المغنطيس، حيث تقذف الإلكترونات من فتيلةٍ متوهجةٍ في الحجرة الحلقية لتسرّع أولياً بوساطة تطبيق فرق في الجهد.

تتحرك الإلكترونات داخل الحجرة بتأثير الحقل الكهربائي الناتج عن تغيير التدفق لحقل مغناطيسي B، على مساراتٍ دائرية ذات نصف قطرٍ ثابت، حيث تتساوى قوة لورنتز مع القوة النابذة لشحنة متحركة في هذا المدار. وفقاً لقانون فارادي (Faraday) للتحريض المغناطيسي، تعمل القوة المحركة الكهربائية الناشئة عن تغير تدفُّق الحقل المغناطيسي على تسريع الإلكترونات، وجعلها تدور في مسارٍ دائري.

بتغير شدة الحقل المغنطيسي يحدث تسارعٌ للإلكترون فقط مع تزايد التدفق (الفترة التي يزداد خلالها التدفق من صفر إلى قيمةٍ أعظمية)، مثال: الربع الأول من الدورة (T/4) ثانية بعدها يبدأ التدفق بالتناقص، مما يؤدي إلى تناقص السرعة، وبالتالي يبقى الإلكترون في الحجرة فقط (T/4) ثانية، خلال هذه الفترة تكتسب الإلكترونات سرعةً وطاقةً تصل إلى قيمةٍ عظمى في نهاية الربع الأول من الدورة.

تزداد سرعة الإلكترونات بازدياد عدد الدورات التي تنجزها عند توقف الحقل الكهربائي عن الزيادة، تبلغ الإلكترونات طاقةً تقدر بعدة مليون إلكترون فولت، وعندها توجه هذه الإلكترونات المُسرّعة إلى هدفٍ من البلاتين، وينتج عن اصطدامها بهذا الهدف أشعةً سينيةً عالية الطاقة. تتسارع الإلكترونات كلما ازدادت شدة الحقل المغناطيسي، وتصبح سرعتها قريبةً من سرعة الضوء، عندئذٍ يمكن حساب طاقة الإلكترونات استناداً للمعادلة النسبية.

بما أن عمل البيتاترون لا يتأثر بتزايد كتلة الإلكترون عندما يكتسب طاقة، فإنه من المحتمل التفكير بأنه لا توجد هناك قيمة أعظمية محددة للطاقة نحصل عليها بواسطة البيتاترون، لكن في الحقيقة يوجد هناك قيمة محددة نصل إليها ليس بسبب تزايد الكتلة، بل بسبب الضياع الإشعاعي (حيث يصدر الإلكترون إشعاعاً نتيجة دورانه بفعل القوة الجاذبة المركزية). ^[4]

ما هي استخدامات البيتاترون؟

هناك العديد من استخدامات البيتاترون منها: ^[5]

1- يستخدم في مجال تجارب الفيزياء النووية، حيث إن الإلكترونات المُسرّعة بواسطة جهاز البيتاترون تصطدم بمادةٍ هدف، فينتج عن ذلك أشعةً سينيةً عالية الطاقة، تستخدم في إنجاز العديد من التفاعلات النووية، وفي الكثير من التطبيقات الصناعية والطبية.

2- تستخدم أشعة غاما الناتجة عن مسرّع البيتاترون في شطر نوى اليورانيوم.

3- لدراسة فيزياء الجسيمات نحتاج إلى إلكتروناتٍ عالية الطاقة، كتلك الناتجة من مسرّع البيتاترون.

4- يمكن أن تستخدم الإلكترونات الناتجة من مسرّع البيتاترون في فهم آلية التوهُّج الشمسي.

5- يعتبر مسرّع البيتاترون من الأجهزة المستخدمة في العلاج الإشعاعي داخل الأنسجة والتجاويف، وقد نجحت هذه التقنية في معالجة السرطانات، وإيقاف تطورها.

6- استخدام الإلكترونات المُسرّعة أو الأشعة السينية الناتجة في البيتاترون في عمليات تعقيم المعدات الطبية، كالسرنكات، والأدوية، والضمادات، وتعقيم الدم قبل نقله للمريض.

ما هي ميزات تقنية التعقيم بالإشعاع المؤين؟

● قليلة التكاليف.

● لا يؤدي التعقيم بالإشعاع إلى رفع درجة حرارة المادة، لذلك تستخدم هذه التقنية في تعقيم المواد الحساسة للحرارة والبخار.

● توضع المواد المراد تعقيمها ضمن غلافٍ غير منفذٍ للهواء، والبكتيريا، والفيروسات، ثم تعرض المواد المغلفة إلى جرعاتٍ إشعاعية، فتقتل الفيروسات والبكتريا.