بزرگترین شتابدهنده دنیا

بزرگترین شتابدهنده دنیا

 در این پروژه جهانی 2000 مهندس و فیزیكدان از سراسر دنیا مشاركت دارند كه ایران نیز از جمله كشورهای فعال است .

 واژه سرن-CERN را اولین بار شاید حدود دو سال پیش از زبان معاون پژوهش وزارت علوم، تحقیقات و فناوری شنیدم. «سرن»، مركز تحقیقات هسته ای اروپا، و پروژه «سرن» طرح ساخت بزرگترین شتاب دهنده دنیا توسط این مركز است.

در پروژه سرن، حدود 2000 مهندس و فیزیكدان از بیش از 30 كشور جهان، منجمله جمهوری اسلامی ایران پیرامون انجام یك فعالیت آزمایشگاهی مشترك گردهم آمده اند، كه اگر در پرتو این همكاری مشترك، دانشمندان به كشفی جدید نائل شوند، برنامه همه كشورهای مشاركت كننده پروژه ثبت خواهد شد.بسیاری از صاحبنظران و متخصصان امر تجربه مشاركت در این پروژه عظیم جهانی را برای كشورمان، یك افتخار بزرگ علمی دانسته و به نتایج آن امیدوارند.

شتابدهنده «سرن»

شتابدهنده سرن یكی از بزرگترین شتاب دهنده های دنیاست كه هم اكنون به میزبانی كشور سوئیس در حال ساخت است و قرار است تا سال 2007 كار احداث آن با 27 كیلومتر محیط، به پایان رسد. در این پروژه كشورهای آمریكا، ژاپن و ممالكی چون هند، تركیه، ایران و پاكستان پیرامون انجام یك فعالیت آزمایشگاهی مشترك گردهم آمده اند.

هزینه ساختمانی كه این شتابدهنده در آن نصب می شود. به تنهایی حدود 500 میلیون فرانك سوئیس و كل هزینه های ساخت و سایر آزمایش های مربوطه، به رقمی حدود 10 میلیارد یورو بالغ می شود.

در حال حاضر آزمایشگاه های لازم برای مطالعات ذرات نیازمند شتاب دهنده های عظیمی است كه ساخت آنها چه از نظر زمانی و چه از لحاظ فنی از توان یك كشور خارج است.

دستگاهی كه در سرن ساخته می شود، ال.اچ.سی(Large Hadron Collider) با برخورددهنده بزرگ درون ها است و هدف آن شناخت اجرام ماده در حدفاصل 10 به توان منفی 23 سانتیمتر، آزمون نظریه استاندارد ذرات، كشف اجزای یافت نشده مدل استاندارد، آزمون نظریه های ابرتقان و نظریه های وحدت بزرگ است.

دو آشكارساز بسیار بزرگ سی.ام.اس(Compact Muon solonoid) و اتلس(ATLas) نیز در حال ساخته شدن هستند تا بر روی ال.اچ.سی نصب شوند. آشكارساز سی.ام.اس به منظور مطالعه در خواص ذرات در انرژی بالا طراحی شده است.

ذرات پروتون و پادپروتون توسط آهنربایی بسیار قوی به صورت باریك های شتاب می گیرند و با هم برخورد می كنند. در این فرایند، علاوه بر ذراتی كه آنها را می شناسیم، ممكن است ذرات جدیدی تولید شود كه براساس نظریات موجود انتظارشان را داشته ایم. البته در مراحل بعدی می توانیم خواص این ذرات، جرم یا بار الكتریكی آنها را اندازه گیری كنیم.

انرژی به وجود آمده از این عمل می توان باعث تولید مواد جدید و ذرات بنیادی باشد كه یا ما آنها را می شناسیم و از وجودشان آگاه هستیم و یا می توانیم به دنبال ذرات جدیدی باشیم كه شاید وجود داشته باشند. چراكه نظریه های مختلف موجودات كه احتمال وجود ذرات بنیادی مختلف را نشان می دهند. این ذرات را می توان با تصادم این دو ذره پروتون به وجود آورد و تلاش كرد تا آنها را كشف، جرمشان را اندازه گیری و اگر دارای بار مغناطیسی باشند آنها را نیز اندازه گیری كرد.

روی این شتابگر چهارم آزمایش مختلف صورت می گیرد كه یكی از آنهاC.M.S است.

شتابگر L.H.C ، كه بزرگترین شتابگر دنیا محسوب می شود در مركز تحقیقات هسته ای اروپا، در حال ساخت است. هدف از ساخت این شتابگر عظیم، كشف یك ذره بنیادی به نام «هیگز» است كه فیزیكدانان ذرات بنیادی آن را پیشگویی كردند. تمامی ذرات بنیادی دیگر، از جمله كوارك ها، از این ذره به وجود آمده است.

برای كشف این ذره باید شرایطی نظیر ابتدای آفرینش عالم در آزمایشگاه به وجود آورد. درواقع در این شتابگر پروتونها به حدی شتاب می گیرند، كه انرژی كافی برای فراهم آوردن این شرایط را به دست آورند. سپس در محل آشكارسازی به نام سی.ام.اس، با یكدیگر برخورد می كنند و می شكنند تا ذره «هیگز» به وجود آید.

بتاترون

اصول کار بتاترون براین مبناست که الکترون ها در یک میدان مغناطیسی متغیر در یک مدار دایره ای شتاب پیدا می کنند.
تیوب شتاب دهنده به صورت یک فندق تو خالی می باشد که بین دوقطب یک مگنت متناوب واقع است. در لحظه شروع جریان متغیر یک پالس الکترونی به داخل محفظه خلاء، به وسیله تزریق کننده الکترونی تزریق می شود. 

با افزایش میدان مغناطیسی، الکترون ها شتاب پیدا نموده و اطراف محفظه حرکت نموده و سرعت آنها افزایش می یابد. تا موقع انتهای اولین ربع موج میدان مغناطیسی متغیر، الکترون ها چندین هزار چرخش در اطراف محفظه چرخیده و در این صورت ماکزیمم انرژی را به دست می آورد. در این لحظه یا زودتر الکترون ها به خارج پرتاب شده و در مسیر خود به یک هدف برخورد و تولید اشعه x     می نمایند و یا آنکه به یک صفحه نازک جهت پراکنده نمودن الکترونها برای درمان با الکترون برخورد می نمایند.
بتاترون ها اولین مرتبه در سال 1950 میلادی در رادیوتراپی بکار رفت. متعاقب آن شتابدهنده های خطی ساخته شدند. بتاترون ها قادر به تولید الکترون ویا اشعه    x  با انرژی های کمتر ازMev  6 و Mev 40 میباشند.
البته این سیستم ها قادر به ایجاد جریان الکترونی کمی می باشند. مقدار دز حاصله از بتاترون در مقایسه با شتابدهنده خطی و حتی کبالت های جدید، کم می باشد. درهر حالت مقداردزالکترون به حد کافی زیاد می باشد. علت اختلاف دز الکترونی و اشعه  x  آن است که معمولاً‌ مقدار دز الکترونی برای ایجاد مقدار مشابهی اشعه x  جهت تامین مقدار دز لازم برای درمان، بسیار زیادتر (حدود سه مرتبه ) می باشد.
 ساخته شدن و وجود شتابدهنده های با انرژی متوسط ومقدار دز زیاد، اندازه فیلد بزرگ و الکترون درمانی تا Mev 20 موجب آن شده که این سیستم ها به طور مناسب تر و وسیعتر به کار گرفته شوند. علاوه بر آن کم بودن مقدار دز و کوچکی اندازه فیلد بتاترون بعنوان مهمترین عیوب بتاترون ها می باشند. بنابراین به نظر می رسد که این سیستم ها دیگر مشتاق زیادی نداشته باشد.
در دستگاه های شتاب دهنده خطی باید برای سرعت بالاتر طول لوله هدایت کننده را زیاد کرد و در نتیجه حجم دستگاه زیاد می شود وفضای بیشتری نیاز دارد. البته حسن چنین دستگاه هایی تولید پرتوهایی با انرژی زیاد است. شتاب دهنده های خطی بعضی تک انرژی اند، بعضی دو انرژی اند. سیستم های جدیدتر سه نوع انرژی تولید میکنند که توسط اپراتور از قبل باید انتخاب شود. در نوع خطی طرز قرار گرفتن تیغه ها برای مقدار انرژی تغییر می کند ولی در نوع بتاترون مقدار دوزها مؤثر است.
بنابراین اساس کار در بتاترون به طور خلاصه این است که الکترون در یک میدان مغناطیسی متغیر به دوران در آید و سرعت گیرد و از میدان خارج کرد. الکترون با دور زدن انرژی اش بیشتر می شود. وقتی به حد مورد نظر رسید الکترود منحرف کننده ( هدایت کننده ) آن را تحت تاثیر قرار می دهد و در اثر انحرافی، مسیرش تغییر می کند و طوری طراحی شده است که از قسمت پنجره خارج می شود و به هدف برخورد می کند.
r  = mev / Bqe                                      شعاع حرکت الکترون   
V = Bqe r / me = KB.r                          سرعت الکترون  
شتاب دهنده های پرشکی، شتابدهنده های فشرده ای هستندکه برای تولید رادیونوکلئیدهای با عمر کوتاه به ویژه آنهایی که در برش نگاری گسیل پوزیترون استفاده می شود، به کار می روند. در این شتابدهنده پروتونها دوترونها و ذرات a   با انرژی کم تا متوسط در دسترس می باشند. این یکاها به صورت تجاری در دسترس اند و می توانند در فضای نسبتاً‌ کوچک نصب شوند.
نمونه ای از یک رادیونوکلئید معمول تولید شده در شتاب دهنده   In می باشد که با بمبارانCd با پروتونهای  12 mev در یک شتاب دهنده تولید می شود. واکنش هسته ای به شرح زیر می باشد     C d  (p,n)  In
که در آن Cd توکلئید هدف ، پروتون   p ذره بمباران کننده ، نوترون  n ذره گسیل شده و Inرادیونوکلئید تولید شده میباشد. در این مورد، دومین ذره ممکن است تابش نشود، چرا کهممکن است انرژی کافی پس از گسیل اولین نوترون باقی بماند. انرژی برانگیختگی که برایگسیل ذره هسته ای دیگر کافی نیست به وسیله تابش پرتوهای گاما آزاد می شود.
همانگونه که می توان فهمید، رادیونوکلئیدهایی که با اعداد اتمی متفاوت با اعداد اتمی ایزوتوپهای هدف تولید می شوند، در برگیرنده هیچ ایزوتوپ پایدار ( سرد یا ناقل ) قابل شناسایی با روش های تحلیلی نمی باشند و چنین محصولاتی بدون ناقل canier – freeنامیده می شوند اما در عمل تهیه چین محصولاتی بدون وجود چنین ایزوتوپ پایداری نا ممکن است. واژه دیگر در مورد این محصولات بدون افزودن ناقل    no canier added است که یعنی هیچ ایزوتوپ پایداری از روی قصد به  محصول اضافه نشده است. ماده هدف تابش باید خالص و ترجیحاً یک تک ایزوتوپ یا دست کم از نظر ایزوتوپی غنی شده باشد تا از تولید رادیونوکلئیدهای ناخواسته جلوگیری شود. از آنجا که ممکن است ایزوتوپهای گوناگون عناصر مختلف در هدف تولید شود، ضروری است ایزوتوپهای هرعنصررا جدا نمود. این کار را با روشهای شیمیایی از جمله استخراج با حلال ته نشینی تبادل یونی و تقطیر انجام می دهند.