מיקרוטרון

מיקרוטרון (באנגלית: Microtron) הוא סוג של מאיץ חלקיקים מעגלי שהומצא על ידי ולדימיר וקסלר בשנת 1944. המיקרוטרון מאיץ חלקיקים בעלי מסות קטנות כמו אלקטרונים. המאיץ מגיע לרמת אנרגיה נמוכה עד בינונית (עד כמה עשרות MeV במיקרוטרון קלאסי, ועד כמה מאות MeV במיקרוטרון "מסלול מרוצים" [Racetrack]). המיקרוטרון מבוסס על מאיץ החלקיקים ציקלוטרון. למיקרוטרון מוזרקת אלומת אלקטרונים, אשר עוברים האצה קווית המונעת ממתח חשמלי. לאחר ההאצה הקווית, האלקטרונים נתונים תחת השפעת שדה מגנטי, ובעקבות כך הם נעים במסלולים מעגליים (השדה המגנטי גורם לתאוצה צנטריפטלית) ובכל השלמת מעגל הם עוברים דרך המאיץ הקווי וממנו הם ממשיכים במסלולם המעגלי וחוזר חלילה. ככל שתנע החלקיקים הולך וגובר, הם נעים בנתיבים ארוכים יותר – בעלי רדיוס ארוך יותר. כאשר הזמן לעבור בנתיב מסוים פרופורציונלי לאורכו. ניתן לראות זאת במשוואת פיתוח כוח לורנץ: R=mv/qB לבסוף, כאשר האלקטרונים מגיעים לרמת האנרגיה הנדרשת הם יוצאים מהמאיץ באמצעות צינור יציאה להתקן חיצוני (ההתקן החיצוני יכול להיות מאיץ אחר, גדול יותר, או ניסוי שבו החלקיקים יתנגשו במטרה לטבות חקר פיזיקלי). המאיץ מורכב משדה מגנטי אחיד בגודלו המושרה בכל זמן פעילות המאיץ וממאיץ קווי הפועל בתנודות. המאיץ הקווי מורכב מתא מתכת בו נוצר שדה חשמלי כל פרק זמן קבוע, בתדירות מסוימת. כדי שתהיה התאמה בין חלקי המאיץ (בהם אלומת החלקיקים עוברת כמה וכמה פעמים באופן מחזורי) צריך לגרום לאלומת האלקטרונים לעבור דרך המאיץ הקווי ברגע בו מושרה בתא המתכת שדה חשמלי. ניתן לעשות זאת באמצעות קיום שני תנאים: בכל מעבר בתא המתכת בו מתרחשת האצה הקווית תתווסף אנרגיה לחלקיק בגודל מסת המנוחה (כלומר, Δ E = m 0 c 2 {\displaystyle \Delta E=m_{0}c^{2}} ) זמן המחזור להשלמת המסלול בפעם הראשונה על ידי האלקטרונים יהיה שווה למספר שלם במכפלת זמן המחזור של המעבר בתא המתכת (בו האלקטרונים מואצים קווית). בנוסף לכך, הגידול בזמן המחזור של המסלול (כמות הזמן הנדרשת לאלקטרון לסיים סיבוב שלם) לאחר כל פעם שהאלקטרון מואץ קווית יהיה שווה למספר שלם במכפלת זמן המחזור של המעבר בתא המתכת (בו האלקטרונים מואצים קווית). התנאים הללו לקוחים מתוך מאמר שוולדימיר וקסלר פרסם בשנת 1944, בו מתוארים עקרונות פיזיקאלים הידועים בתור "יציבות פאזה" (phase stability). המצאת המיקרוטרון מתבססת על הציקלוטרון, חלק מהחישובים שנעשו לתכנון המיקרוטרון נדרשו לשם התאמת החישובים בציקלוטרון להאצה של חלקיקים בעלי מסות קטנות מאוד כמו אלקטרונים. מאיץ אלקטרונים לאנרגיה שמעל 25MeV (שהייתה באותה תקופה האנרגיה המקסימלית האפשרית למתקנים כאלו) נקרא מיקרוטרון. בשל הדמיון של המיקרוטרון לציקלוטרון, כונה המיקרוטרון לעיתים בשם "ציקלוטרון לאלקטרונים". אף על פי כן, ישנם מספר מאפיינים המבדלים את המיקרוטרון מהציקלוטרון: בשונה מציקלוטרון, שדה ההאצה הקווית במיקרוטרון לא מיושם כאלקטרודה בצורת האות D, אלא כמבנה של מאיץ קווי בתא מתכת. כמו כן, במיקרוטרון כמות האנרגיה הקינטית המתווספת לחלקיק בכל האצה קווית מוגבלת, וצריכה להיות שווה למסת המנוחה של החלקיק. בנוסף, מיקרוטרון מאיץ חלקיקים קלים, כמו אלקטרונים ופוזיטרונים. למיקרוטרון שימושים רבים במגוון תחומים לרבות בפיזיקה, בביולוגיה, בכימיה ובגאולוגיה. בניגוד למאיצי חלקיקים מודרניים אחרים (ERL, FFAG) המיקרוטרון מסוגל להפיק אלומת אלקטרונים בעלת רמות אנרגיה גבוהות שלה פליטת קרינה נמוכה דבר המשמש במחקרים פיזיקליים. בנוסף, מאיץ זה מאפשר שיעור חזרות גבוה של אותה אלומה דבר החוסך באנרגיה. מאיץ זה משמש גם להאצת וחקר של פרוטונים, נייטרונים, אלקטרונים וחלקיקים נוספים. בזכות קרן האלקטרונים המיוצרת במיקרוטרון ניתן לראות שימושים נוספים שלו בעולם הרפואה לדוגמת: בדיקת תאי דם, השפעת קרינה על המבנה הגנטי וחקר הסרטן. המיקרוטרון הומצא על ידי ולדימיר וקסלר בשנת 1944. המיקרוטרון הראשון נבנה בשנת 1948 בקנדה ושמו היה "דמונסטרטיון". באמצע שנות ה-60 המיקרוטרון נחשב למאיץ המשוכלל ביותר בעיסוק באנרגיות של עד 30 Mev. למיקרוטרון נוסף מאיץ שני בשנת 1984 ששמו הוא "מיקרוטרון מסלול מרוצים" וכן והוא משמש להאצת חלקיקים ולמחקר. מכיוון שעלויות בנייתו נמוכות יחסית, תפעולו פשוט והוא פותח בפני החוקרים מגוון כלי מחקר, נהפך המיקרוטרון לאחד המאיצים המתפתחים והטכנולוגיים ביותר עד ימינו. מיקרוטרון מסלול מרוצים (באנגלית: Racetrack microtron) הוא תת-גרסה של המיקרוטרון אשר בשונה מהמיקרוטרון מורכב משני שדות אלקטרומגנטים במקום אחד. קנה המידה שלו גדול יותר מקנה המידה של המיקרוטרון הקלאסי. הוא מורכב משני אלקטרומגנטים המייצרים שדה מגנטי אחיד כאשר כל אלקטרומגנט גורם לחלקיק לנוע בחצי מעגל. דבר זה מאפשר להפריד את החיבור של שני השדות וליצור שני חצאי מעגלים. היתרון בשימוש בשני שדות אלקטרומגנטיים הוא שניתן לחברם במסלול באמצעות קו ליניארי, כלומר, להאריך את מסלולם. מפני שרק חלק מהמסלול הוא מעגלי אין צורך בחלק הישר בשדה מגנטי, כלומר, השדה המגנטי הכולל שהמאיץ צריך יחסית קטן לעומת גודלו. ב"מיקטרוטרון מסלול המרוצים" בשונה מהציקלוטרון רק חלק מהמסלול מעגלי (חלקו ליניארי). השדה המגנטי במכשיר משמש לשינוי כיוון המהירות, ובחלק הליניארי כיוון המהירות נשאר זהה, דבר הגורם להקטנת השדה המגנטי הדרוש להנעת החלקיקים (בהשוואה לשדה עקום באותו האורך). תנועת חלקיק טעון שמושפע רק משדה מגנטי אחיד תהיה תנועה מעגלית במישור שניצב לכיוון השדה המגנטי. המאיץ הקווי ממוקם בין שני חצאי המעגל. מעבר החלקיקים בחיבור הקווי מנוצל למיקוד אלומת האלקטרונים. לאחר כל מעבר של אלומת האלקטרונים בחצי מעגל, האלומה עוברת האצה קווית. סגנון האצה זה יכול לחזור על עצמו עד שלא ניתן עוד להאיץ את החלקיקים (מפאת מהירותם הגבוהה). בסוף המסלול קרן החלקיקים מוסטת למאיץ נוסף או לאזור ניתוח וניסוי. המיקרוטרון הגדול בעולם מסוג "מיקרוטרון מסלול המרוצים" נמצא במיינץ ושמו Mainz Microtron . יובל נאמן ויורם קירש, ציידי החלקיקים: החיפוש אחר חלקיקי היסוד של החומר, מסדה, 1983, עמ' 73–81 Botman, J.I.M.; Delhez, J.L.; Webers, G.A.; et al. (1991). "A microtron accelerator for a free electron laser" (PDF). Nuclear Instruments and Methods in Physics Research (באנגלית). 304A: 192–196. – ‏מאיץ מיקרוטרון עבור לייזר אלקטרונים חופשיים Ding, G. X.; Rogers, D. W. O.; Mackie, T. R. (1995). "Calculation of stopping-power ratios using realistic clinical electron beams". Medical Physics. Wiley. 22 (5): 489–501. doi:10.1118/1.597581. ISSN 0094-2405. Tsipenyuk, Yuri M. (2002). Kapitza, Sergey P. (ed.). The Microtron: Development and Applications (באנגלית). Taylor & Francis. ISBN 978-0-415-27238-4. ,Principle of Microtron, Photon Production Laboratory - הסברים ותרשימים מפורטים על המיקרוטרון והשוואתו למאיץ קווי. Types of accelerators, Accelerators for Society, Lidbjôrk, Per (1994). "Microtrons" (PDF). CERN 94-01. 2: 971–973. CERN, About Accelerators, Accelerators for Sciety, ‏2013 Tsipenyuk, Yuri M. (2002). Kapitza, Sergey P. (ed.). The Microtron: Development and Applications (באנגלית). Taylor & Francis. ISBN 978-0-415-27238-4. ציידי החלקיקים: החיפוש אחר חלקיקי היסוד של החומר, הוצאת מסדה, 1983