معجل البروتون التوافقي

يمكن تعجيل البروتونات إلى طاقات أعلى من طاقات الإلكترونات وذلك لأن معدل الفقد الإشعاعي هنا أقل كثيراً من حالة الإلكترونات وذلك بسبب كتلة البروتون الهائلة بالنسبة لكتلة الإلكترون. لقد بينت الدراسات أن معدل الفقد الإشعاعي يصبح ذا بال عندما تصل طاقة البروتون إلى 210 ج. أ. ف. وبالرغم من أن معجل البروتون يعمل على نفس المبدأ الذي يعمل عنده معجل الإلكترون إلا أنهما يختلفان جوهرياً عن بعضهما البعض.

فإذا ما أردنا للجسيم أن يتحرك في مدار ثابت بينما يتسارع فإنه يمكننا الاستغناء عن جزء كبير من المغناطيس المستخدم في السيكلوترون مثلاً، ومن ثم فإن المغناطيس المستخدم هنا يكون على شكل حلقة. ومن ثم فإن هذا المغناطيس سيحتاج إلى حديد وطاقة كهربية أقل من مثيله المستخدم في حالة السيكلوترون الذيله نفس قطر المسار. نبين في الشكل (1) نظرية عمل السيتكروترون أو معجل البروتونات التوافقي.

الشكل (1)

تتم زيادة شدة المجال المغناطيسي بينما تتسارع الجسيمات ومن ثم تتحرك في مدار بنصف قطر ثابت. وعندما تصل مجموعة من الجسيمات إلى أقصى طاقة يتم قطع التيار عن المغناطيس وتبدأ مجموعة أخرى من الجسيمات رحلة التعجيل التالية.

تنتج البروتونات من مصدر الإيونات خارج الجهاز حيث يتم تعجيلها إلى عدة مليون الكترون فولت في معجل مستقل ثم تحقن إلى المعجل التوافقي. في الشكل (1) نبين البيفاترون حيث تعجل البروتونات أولاً باستخدام معجل مستمر إلى 0.5 م.أ.ف. ثم نستخدم معجل خطي للوصول إلى 10 م. أ. ف. ثم تحقن البروتونات داخل المعجل التوافقي (كما بالشكل) باستخدام الموجه الكهروستاتيكي. الذي يعمل على حني مسار البروتون ليصبح مماسا لحلقة المغناطيس. وأثناء عملية الحقن يتم بدء شغيل المغناطيس وتبدأ شدته في النمو وتبدأ البروتونات في أخذ مساراتها الدائرية وعند دورتها التالية تنفصل عن طرف الموجة الكهروستاتيكي وتبدأ في أخذ مسارها المبين بالشكل. يتم بعد ذلك تشغيل المغذي الراديوي وتبدأ البروتونات في التقاط طاقة من هذا المغذي وتبدأ في التسارع وبينما تتسارع الجسيمات تستمر شدة المجال المغناطيسي في التزايد بحيث يظل نصف قطر مسار البروتونات ثابتاً. كما ويجب هنا أن يتزايد تردد المذبذب الذي يغذي الكترودات التعجيل (المغذي الراديوي) وذلك لأنه عندما تزداد سرعة الجسيم فإن الزمن الذي يستغرقه لعمل دورة كاملة (في المسار الثابت) يقل ويستمر هذا التناقص في الزمن حتى تقترب سرعة البروتون من سرعة الضوء وهنا يثبت زمن المسار (ومن ثم تردد المصدر) عند قيمة معينة. تستغرق دورة التعجيل الكلية حوالي عدة ثواني تكون عندها البروتونات قد عملت عدة ملايين من الدورات.

عندما تصل شدة المجال المغناطيسي إلى قيمتها العظمى يتم قطع تيار المذبذب ويقرب الهدف من مسار الشعاع الدوار. أما شدة المجال فتستمر في التزايد قليلاً وينتج عن ذلك تناقص مدار البروتون وأخيراً يصدم الشعاع الهدف. كما ويمكن استخلاص شعاع خارجي من البروتونات (كما بالشكل) أو نواتج التفاعل مع الهدف كالميزونات المختلفة وضديدات البروتونات (أنظر الجسيمات الأولية) حيث تحول هذه الجسيمات إلى مناطق التجارب المختلفة.

وأخيراً يتم قطع تيار المغناطيس وتهبط شدة المجال إلى قيمتها الابتدائية. ويستعد الجهاز لبدء عملية تسريع لمجموعة جديدة من البروتونات . وهكذا فإننا نحصل على نبضات من البروتونات بها حوالي 10¹² بروتونا. وفي حالة الشكل (1) فإننا نحصل على نبضة كل 6 ثانية.

هناك عدة معجلات عاملة على وجه المعمورة أقواها في دوبنا بروسيا يدعى Synchrophasotron أو سينكروفيزوترون بطاقة قدرها 10 .ج.أ.ف. وهناك الكوزموترون Cosmotron العامل في بروكهافن الذي نبينه في الشكل (2) والذي يعجل البروتونات إلى طاقة قدرها 3.ج. أ. ف ويحتوي مغناطيس هذا الجهاز على 2000 طن من الحديد وهو عبارة عن حلقة إبعادها 2.8 × 2.8 متراً ومقسم إلى أربعة قطاعات يفصل كل منهما فجوة عرضها 3.3 متراً. ويبلغ القطر الأقصى للجهاز حوالي 25 متراً.

الشكل (2)

أما مصدر التغذية الراديوي فيتغير تردده من 0.37 إلى 4.2 ميجاهيرتز ويوفر جهداً قدره 3000 فولت لكل دورة. وعندما تصل طاقة البروتونات إلى قيمتها العظمى تكون قد أتمت حوالي 3 مليون دورة.