Published in: الفيزياء

السيكلوترون – استخداماته، ميزاته وعيوبه

Author د. هالة وتار

Published on: 25 أبريل، 2024

د. هالة وتار

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

يعتبر السيكلوترون أحد أنواع المُسرّعات الدائرية.

ما هو مبدأ عمل المسرعات الدائرية

تعتمد المسرعات الدائرية (Circular Accelerators) على تأثير حقلٍ مغناطيسي خطوط قواه معامدةً للمسارات الدائرية التي تلزم الجسيمات باتباعها، ويعتمد مبدأ تسريع الجسيمات في المسرعات الدائرية على ما يلي:

● يطبق فرق توتر عالٍ بين الأقطاب المسرعة للجسيمات، كحالة المسرعات الخطية.

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

● استخدام حقولٍ مغناطيسية متغيرة وجهود متناوبة ذات تردّدٍ متغير، كحالة السينكروترون (Cynchrotron).

ما هو السيكلوترون؟

تمّ إنشاء مسرع السيكلوترون في عام 1929 من قبل العالم أرنست لورانس، وفي عام 1939 حصل أرنست على جائزة نوبل في الفيزياء على اختراعه للسيكلوترون. السيكلوترون: عبارةٌ عن مسرّعٍ يقوم بتسريع الجسيمات المشحونة (كالبروتونات، والديترونات، وجسيمات ألفا) وفق مسارٍ منحن، وإكسابها طاقةً عالية، وذلك بواسطة تطبيق حقلٍ مغناطيسي عمودي على المسرع (أي على الجسيمات المشحونة).

يعتمد شكل المسار المنحني على كل من سرعة الجسيمة وشدة الحقل المغناطيسي، وتقوم المسرعات الدائرية بشكلٍ جوهري بنفس وظائف المسرعات الخطية، ولكن بدلاً من استخدام أسطواناتٍ متدرجة التزايد في الطول، فإنه يمكن تسريع الجسيمات باستخدام زوجٍ واحدٍ من المسارين، فتعبر هذه الجسيمات نفس فجوة التسريع عدة مرات بواسطة تطبيق حقلٍ مغناطيسي، وعندما تصل الجسيمات إلى طاقتها العليا أو طاقتها المطلوبة، فإنه يتمّ وضع هدفٍ في مسار هذه الحزمة، وذلك بالقرب من الكواشف أو في داخلها. ^[1]

ممّ يتكون السيكلوترون؟

يتكون السيكلوترون من حجرتين معدنيتين مفرغتين لهما شكل حرف D، وتشكل هاتان الحجرتان وعاءً أسطواني الشكل مقسوماً إلى قسمين، بحيث يكون الحقل المغناطيسي المنتظم B متجهاً باتجاه محور الأسطوانة. توصل الحجرتان اللتان تعملان كمسريين إلى مصدرٍ لفرق جهدٍ متردد ذي تردّدٍ راديوي. تنتج الجسيمات بشكل عام بواسطة تشرد غاز ما (هيدروجين، ديترون أو هليوم)، وعادةً تقذف هذه الجسيمات من مركز الجهاز J (الذي يعتبر مصدر إنتاج الجسيمات). ^[2]

كيف يعمل السيكلوترون؟

لنفرض في لحظة ما كان المسرى D₁ موجباً والمسرى D₂ سالباً، فإذا انطلق في هذه اللحظة أيون موجب ذا شحنة q والكتلة m من المنبع J، فإنه سينجذب إلى المسرى D₂، وإن الحقل المغناطيسي المنتظم B المطبق والعمودي على D سيجعل مسار الجسيم دائرياً.

إن نصف قطر المسار الدائري للجسيم المشحون يتناسب طردياً مع كل من كتلة وسرعة هذا الجسيم، وعكسياً مع كل من شحنته وشدة الحقل المغناطيسي المطبق على المسرع، وبالتالي فإن سرعة الجسيم المشحون تتناسب عكسياً مع كتلة هذا الجسيم، وطردياً مع كل من شحنته وشدة الحقل المغناطيسي المطبق على المسرع، ونصف قطر المسار الدائري للجسيم المشحون.

بعد أن تدور الأيونات نصف دورة (T/2) تدخل ثانية الفجوة بين المسريين، وعندها يكون كمون D₁ سالباً وكمون D₂ موجباً، وبالتالي يكتسب الجسيم الموجب تسارعاً جديداً خلال عبوره الفجوة بين المسريين، وبالتالي تزداد سرعته وطاقته الحركية، وكذلك نصف مساره الذي يصبح أكبر، ويستمر الجسيم في التحرك في نصف دائرة ذات نصف قطر أكبر في كل مرة يعبر فيها الجسيم الفجوة من D₁ إلى D₂، ومن D₂ إلى D₁.

إن الجسيم المشحون يعود إلى الفجوة الفاصلة بين المسريين في فترةٍ زمنيةٍ قدرها T /2، حيث T الزمن الدوري يتعلق بكتلة الجسيم المشحون، وكتلته، وشدة الحقل المغناطيسي المطبق على المسرع. يضبط تردد الجهد المطبق بين الحجرتين لقلب قطبيتهما ليتوافق مع وصول الجسيم المشحون للفجوة بين المسريين، حيث يكوّن مجالاً كهربائياً يكسب الجسيم دفعةً لتزيد من سرعته، وبالتالي يزداد نصف قطره، ويكون مساره شبه لولبي.

في النهاية، يصل الجسيم إلى المحيط الخارجي للسيكلوترون، ويمرُّ خارجاً من خلال نافذة، ويصطدم بالهدف، وتكون الطاقة الحركية للجسيم المشحون عند مغادرته السيكلوترون أعظميةً، وتتناسب طرداً مع مربع نصف قطر المسرى الدائري الأخير من المسرع، ومربع شحنة الجسيم المشحون، ومربع  شدة الحقل المغناطيسي المطبق على المسرع، وتتناسب عكساً مع كتلة الجسيم المشحون. ^[3]

ما هي استخدامات السيكلوترون؟

للسيكلوترون استخدامات عديدة نذكر منها: ^{[3] [4]}

1- قذف النوى الذرية بجسيماتٍ عالية السرعة لدراسة سلوك الجسيمات دون الذرية الناتجة عن التفاعلات النووية.

2- تستخدم العقاقير المشعّة في معالجة أمراض السرطان عن طريق اختراق الإشعاع المنبعث منها للنسج الخبيثة.

3- استخدامه في إنتاج النظائر المُشعّة: إن الجسيمات المشحونة التي تمّ تسريعها بواسطة السيكلوترون إلى سرعاتٍ عاليةٍ جداً يتمُّ توجيهها إلى مادة الهدف، فتتفاعل مع أنوية ذرات العناصر المستقرة، وتحولها إلى نظائر مشعّة ذات أعمارٍ نصف قصيرة. من هذه النظائر المشعّة الكربون (C-11) الذي يمتلك عمر نصف مساوي (20.2) دقيقة، والفلور (F-18) الذي يمتلك عمر نصف مساوي (109.8) دقيقة.

تضمحل هذه النظائر مصدرةً البوزيترون، وهذه النظائر مناسبة من أجل تقنية التصوير المقطعي البوزيتروني، وهي التقنية التي تنتج صورةً ثلاثية الأبعاد للعمليات الوظيفية في الجسم، وغالباً ما يستخدم الفلور في تطبيقات التصوير المقطعي البوزيتروني نظراً لعمره النصفي القصير، مما يسمح بتخلص الجسم منه بعد فترةٍ وجيزةٍ من إجراء التصوير.

البوزيترون هو إلكترون موجب، يتحرك بسرعة الضوء، يصدر عن النواة عندما تحتوي على فائضٍ من البروتونات، وله خصائص مشابه للإلكترون، ويصنّف من الأجسام المضادة للإلكترون، حيث تكون فترة حياته قصيرةً جداً، سرعان ما يتفاعل مع إلكترون، ويشكلان مع بعضهما مجموعةً تسمّى البوزيتيريوم، يدوم هذا الارتباط فترةً زمنيةً قصيرة حوالي 140 جزءاً من الثانية، ويُفني كلاً منهما الآخر، ويُنتج فوتونين من غاما طاقة كل منهما 511 كيلو إلكترون فولت.

إن النظائر المُشعّة المنتجة في مسرع السيكلوترون يتمُّ تحويلها إلى عقاقير مشعّة لتستخدم في التشخيص والعلاج عن طريق تتبع العمليات الحيوية داخل جسم الإنسان. العقاقير المُشعّة (المستحضرات الصيدلانية المُشعّة): هي مستحضرات صيدلانية تمتلك خصائص إشعاعية لارتباطها بنظيرٍ مشع.

ما هي مزايا السيكلوترون؟

1- يُنتج السيكلوترون شعاع الجسيمات بشكلٍ مستمر.

2- يستخدم نفس فجوة التسريع، مما يقلّل حجمه.

3- تكلفة بنائه وتكاليف إجراءات الوقاية الإشعاعية منخفضةٌ نسبياً.

ما هي عيوب السيكلوترون؟

1- صعوبة إبقاء المجال المغناطيسي ثابتاً في كل أجزاء السيكلوترون.

2- يتمّ في السيكلوترون تسريع الجسيمات فقط، التي تتبع قانون نيوتن للحركة.