שרף (מאיץ חלקיקים)

**מתקן שרף** (באנגלית: **SARAF - Soreq Applied Research Accelerator Facility**), המוקם בשנים האחרונות במרכז למחקר גרעיני שורק ביבנה, מבוסס על מאיץ קווי על-מוליך רב-עוצמה של פרוטונים ודאוטרונים בזרם גבוה ואנרגיה בינונית. תכונותיו פורצות הדרך (טבלה 1) ומטרות ההקרנה הייחודיות שפותחו עבורו ימצבו את שרף כאחד מהמקורות המובילים בעולם לניטרונים בתחום אנרגטי רחב (תרמיים עד מהירים) וגרעינים רדיואקטיביים מסוגים שונים.

אלומות ניטרונים בשפיעה גבוהה ובטווח אנרגיות רחב, וכמויות גבוהות של גרעינים רדיואקטיביים, מאפשרים מחקרים בתחומים חדשים של מדע בסיסי ויישומי. ניטרונים הם חיישנים ייחודיים להבנה ושיפור של דלק, סוללות, רכיבי מחשב, פלסטיק, תרופות, התקנים רפואיים, אנרגיה גרעינית מבוססת ביקוע או היתוך, חקלאות, ארכאולוגיה, ועוד. ניטרונים משמשים לחקר המבנה הפנימי של גרעין האטום ותהליכים גרעיניים מגוונים, מדע חומרים, מבנה פנימי של מולקולות מסוגים שונים, כולל ביולוגיות. הם יכולים לשמש גם כ'קליעים חכמים' לטיפול בסרטן על ידי הריסה ממוקדת של תאים סרטניים בגוף האדם, עם פגיעה היקפית מינימלית בתאים בריאים. גרעינים רדיואקטיביים משמשים לרפואה גרעינית, הן בדימות והן בטיפול. גרעינים רדיואקטיביים נדירים משמשים למחקר בסיסי של היווצרות היסודות ביקום, פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי של החלקיקים האלמנטריים, ותכונות של גרעיני אטומים הרחוקים מעמק היציבות.

עקב החדשנות הטכנולוגית של מאיץ שרף ומטרות ההקרנה שלו, הוחלט לחלק את פרויקט הקמתו לשני שלבים, א' ו- ב'. בשרף א' הואצו פרוטונים ודאוטרונים בזרם גבוה ואנרגיה נמוכה, לבדיקות ואפיונים טכנולוגיים. המתקן פעל בשנים 2010-19 ושמש גם למחקרים שהיו אפשריים רק עם אלומות היונים המיוחדות שלו. הפרויקט המלא (שרף ב', טבלה 1) אושר לביצוע ב־2015 ומתוכנן להתחיל לפעול באמצע העשור הנוכחי. תמונת מבנה שרף ב', שהושלם לאחרונה, מוצגת באיור 1.

ממוזער|269x269 פיקסלים|איור 1 - תצלום מבנה שרף

## שרף א'
מאיץ שרף א' (איור 2) כלל מקור יונים מסוג Electron Cyclotron Resonance (ECR) באנרגיה של 20 keV/u, קו העברת קרן באנרגיה נמוכה (Low Energy Beam Transport – LEBT), קדם מאיץ מסוג Radio-Frequency Quadrupole (RFQ) בשיטת ארבעה-מוטות באנרגיה של 1.5 MeV/u, קו העברת קרן באנרגיה בינונית (Medium Energy Beam Transport – MEBT), אבטיפוס של מכלול האצה על מוליך (Prototype Superconducting Module – PSM) שכלל ששה מהודי האצה מסוג מחצית אורך גל (Half Wave Resonator – HWR) וקו העברת קרן באנרגיה גבוהה (High Energy Beam Transport – HEBT) אל עבר מטרות ההקרנה. שרף א' הגיע לאלומות פרוטונים בזרם רציף 2 mA עד אנרגיה 4 MeV, ואלומות דאוטרונים בזרם רציף 2 mA עד אנרגיה 2.6 MeV, וזרם פולסי (מחזור פעולה 10%) עד אנרגיה 5.6 MeV.
ממוזער|איור 2 – עליון: מערך מכלולי שרף א'. תחתון: תצלום שרף א'

מטרת ההקרנה העיקרית של שרף א' הייתה מטרת סילון הליתיום הנוזלי (Liquid Lithium jet Target – LiLiT), טכנולוגיה שנדרשה כדי לעמוד בצפיפות ההספק הגבוה במיוחד של אלומות היונים בשרף. בפעם הראשונה בעולם, הקרנו בשרף מטרה מסוג זה בפרוטונים בזרם גבוה (1-2 mA) ואנרגיה של כ-1.9 MeV, מעט מעל אנרגיית הסף ליצירת ניטרונים מליתיום (1.880 MeV). התקבל קצב ניטרונים של 3-5×1010 ניטרונים לשנייה, שהקרינו מטרות נוספות עם עניין מדעי (איור 3)

## מחקרים בשרף א'
מדידות חתכי פעולה לבליעת ניטרונים על איזוטופים משמעותיים להבנת תהליך יצירת היסודות ביקום על ידי בליעת ניטרונים איטית (s-process). הקרנת ליתיום בפרוטונים מעט מעל אנרגיית הסף, מייצרת ניטרונים בעלי התפלגות אנרגטית הדומה לזו הקיימת בליבות כוכבים.

מחקר ופיתוח טכנולוגיות לטיפולים רפואיים על ידי בליעת ניטרונים בבורון (Boron Neutron Capture Therapy – BNCT). בורון, שהוא בולע ניטרונים יעיל במיוחד, מוזרק לגוף האדם כתרכובת עם מולקולות הנספגות בעיקר בגידולים ממאירים. כאשר מקרינים את אזור הגידול בניטרונים באנרגיה המתקבלת במטרת לילית, הם מבקעים את הבורון לגרעיני ליתיום והליום שלהם טווח של מיקרונים אחדים, אשר הורסים את התא הממאיר עם פגיעה מינימלית בתאים היקפיים בריאים. נדרש שטף גבוה במיוחד של ניטרונים על מנת לספק למטופל את מנת הקרינה הנדרשת בפרק זמן סביר.
ממוזער|''איור 3 – מטרת לילית. אלומת הפרוטונים (קו מקווקו אדום) פוגעת בשפת סילון הליתיום (כחול). מטרות הקרנה שניוניות מותקנות כך שיוקרנו על ידי הניטרונים המופקים מלילית (תחומים על ידי קווים ירוקים מקווקוים).''

מדידות מדויקות של חתכי פעולה מושרי דאוטרונים באנרגיות נמוכות, עבור מספר חומרים. האנרגיה הנמוכה יחסית של שרף א', יחד עם האפשרות לכוונן את הקרן באופן מדויק בהרבה ביחס לציקלוטרונים אפשרה לאשש באמינות גבוהה יותר תיאוריות המתארות תהליכים גרעיניים בתחום אנרגטי זה.

בדיקות היתכנות ללכידת הגרעינים הרדיואקטיביים6He, 23Ne ו- 8Li, עבור חקר התפרקותם בתהליך בטא המהווה כלי לחקר פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי של החלקיקים האלמנטריים.

חקר נזקי קרינה עקב הקרנת פרוטונים על טונגסטן וסגסוגותיו, שהם חומרי מבנה של ליבות כורי היתוך גרעיני עתידיים.

לימוד המשמעויות של הרחבת השימוש בתגי קרינה המיועדים לפוטונים גם עבור חלקיקים טעונים, ובדיקת האפשרות לשימוש בתגים כאלו למדידת הילת אלומות היונים בשרף.

בדיקה ואפיון של מערכים חדשים למדידת ניטרונים, המודדים את אנרגיית הניטרונים על ידי שילוב גלאי ניטרונים תרמיים בתוך עוביים שונים של חומר מאט, ושל גלאים חדשים לחלקיקים טעונים בסביבת שטף ניטרונים גבוה המבוססים על צריבת מסלולי חלקיקים בחומר (nuclear track detectors).

התכנון, הייצור, ההרצה וההפעלה של שרף א' (המאיץ ומטרות ההקרנה) כללו מחקר ופיתוח חדשניים. יחד עם המחקרים שבוצעו בו, הם הניבו עד היום כ־250 פרסומים (מתוכם כ־80 בעיתונים מקצועיים מבוקרי עמיתים), מתוכם מעל מחצית בנושאי מטרות הקרנה ומחקרים. בנוסף, כ־25 תלמידי מחקר סיימו עד כה פרויקטי תואר שני ו/או שלישי בשרף או בנושאים הקשורים בו, ומשתלמי בתר-דוקטורט אחדים בצעו בו את השתלמותיהם.

## שרף ב'
שרף ב' יבוסס על מאיץ קווי על מוליך אשר יותקן לאחר מקור היונים, ה־LEBT וה- RFQ של שרף א' (איור 2). הוא יכלול MEBT חדש באורך 5 מטרים וארבעה מכלולי האצה על מוליכים חדשים הכוללים בסך הכול 27 מהודי HWR (איור 4). התכן והייצור של שרף ב' מתואר ב-.

בנוסף, שודרגו רכיבי שרף א'. במקור היונים הוחלף המגנטרון והשליטה על השדה המגנטי הנדרש ללכידת היונים השתפרה. ב־LEBT נוספו עדשות מגנטיות לשליטה משופרת בקרני היונים. בתוך ה־RFQ הוחלפו אלקטרודות ההאצה בכאלו שתוכננו על בשרף, על מנת להוריד במקצת את אנרגיית ההאצה בהם ובכך לשפר באופן מהותי את הזמינות הכוללת של המאיץ. במערכת ה־RF ל־RFQ פוצלו קווי העברת הספק ה־RF למערכת על מנת להוריד את צפיפות ההספק בכניסה ל־RFQ, והוחלפו מצמדי העברת הספק ה־RF למערכת, כדי לצמצם את ניצוצות ה־RF שגרמו להפסקות רגעיות בהפעלת המאיץ.

ממוזער|''איור 4 – מכלולי שרף ב'. מקור היונים ה־LEBT וה- RFQ הם של שרף א' (איור 2). ה־MEBT וארבעת מכלולי ההאצה העל-מוליכים (CM1-4) הם חדשים.''

עבור מטרות ההקרנה המיועדות להספק המלא של שרף ב' (5 mA × 40 MeV = 200 kW), הוחלט לפתח מטרה המבוססת על סילון גליום-אינדיום (GaIn), המכונה GaLiT (איור 5). חומר המטרה הוא תערובת אאוטקטית של 75.5% גליום ו־24.5% אינדיום, שהיא נוזלית כבר בטמפרטורה של 15.7°C, כך שאין צורך לחמם אותה כמו את מטרת לילית (טמפרטורת ההתכה של ליתיום היא כ־180°C ולפיכך לילית חוממה ל־200°C). בנוסף, גליום ואינדיום אינם חומרים מסוכנים כמו ליתיום, ועקב המספר האטומי (Z) הגבוה שלהם, מספיק סילון בעובי של 5 מילימטר לעצירת קרן דאוטרונים של 40 MeV וקרן פרוטונים של 35 MeV. זאת לעומת 25 מילימטר ליתיום הדרושים לעצירת אלומות דאוטרונים ופרוטונים באנרגיות הללו. שפיעת הניטרונים הכוללת נמדדה להיות כ־65% משפיעת הניטרונים מליתיום, אך עדיין מדובר בשפיעה ברמה עולמית.

ממוזער|''איור 5 – שמאל: שרטוט של מטרת גלית. (1) תא המטרה והנחיר (2) מד זרם הנוזל המתכתי (3) לולאת המגנטים של המשאבה האלקטרו-מגנטית להזרמת הנוזל המתכתי (4 ו- 5) מחליף חום גליום-אינדיום ושמן. אמצע: הנחיר, ברוחב 50 מילימטר. ימין: תצלום של אב הטיפוס של מטרת גלית. (a) לולאת ההזרמה של הגליום-אינדיום (b) המשאבה האלקטרו-מגנטית להזרמת הנוזל המתכתי (c) מכל גליום-אינדיום (d) תא המטרה והנחיר. מחליף החום אינו מופיע בתמונה.''

## התוכנית המדעית של שרף ב'
מבנה שרף מכיל ארבעה אזורי הקרנה (איור 6).

ממוזער|''איור 6 – שרטוט מערך אולם המטרות של שרף. ארבעת אזורי ההקרנה מתוארים בטקסט. האזור המודגש בצהוב הוא הרחבה עתידית שטרם נבנתה.''

המטרה להפקת ניטרונים מהירים תשמש כבלם הקרן של המאיץ, וכמקור ניטרונים בקצב של עד 1.3×1015 ניטרונים לשנייה. השימושים בהם למחקר תהליכים גרעיניים ונזקי קרינה בחומרי מבנה של תחנות כוח עתידיות המבוססות על כורי היתוך גרעיניים. יתוכננו ויותקנו תחנות הקרנה הצמודות ככל האפשר למקור הניטרונים, עם אמצעים אוטומטיים לשינוע דוגמאות לאזור הקרינה הגבוהה. שטף הניטרונים על דוגמאות קטנות ליד המקור יהיו נמוכות רק בסדר גודל ביחס לזה המתוכנן ב־IFMIF-DONES, שהוא מתקן האמור להיות מבוסס על מאיץ דאוטרונים באנרגיה של 40 MeV וזרם של 125 mA, לצורך לימוד נזקי הקרינה הצפויים בכור ההיתוך הראשון האמור להדגים שימוש בטכנולוגיה זו לייצור חשמל (DEMO). הקמתו של IFMIF-DONES טרם מומנה, ולכן בעתיד הנראה לעין, שרף ב' יהיה בין מקורות הניטרונים המהירים העוצמתיים ביותר בעולם, ולפיכך יאפשר בדיקות ומחקרים ראשוניים של נזקי קרינה בכורי היתוך.

בנוסף, מתוכנן להקרין את הניטרונים המהירים על מטרה אקטינידית דקה לייצור כמויות גבוהות של תוצרי ביקוע, על ידי ביקוע מושרה ניטרונים בקצב של 1010 ביקועים בשנייה. התוצרים יואטו לאנרגיה תרמית בתא עצירה גזי, יופרדו ויועברו לאמצעי מדידה. תכן המערכת הזו מתבצע במסגרת שיתוף פעולה מדעי עם מעבדת המאיצים GSI בגרמניה. התכן מבוסס על מערכת עצירת היונים הקיימת שם (FRS Ion Catcher), עם תא עצירה הדומה לזה המתוכנן עבור הדור הבא של מערכת עצירת היונים אשר תותקן במאיץ העתידי FAIR, גם הוא בגרמניה.

במערכת זו צפויות מדידות מדויקות של תנובות ביקוע איזוטופיות ויחסי איזומרים של תוצרי ביקוע עבור אנרגיות ניטרונים שונות, נתונים החשובים לחקר תהליך הביקוע הגרעיני, תכנון הדורות הבאים של תחנות כוח מבוססי כורי ביקוע, וניהול בטוח של דלק גרעיני שרוף. הפרדה על פי מסות ומדידה מדויקת של המסות יאפשרו מחקרים של איזוטופים ספציפיים, אשר ייוצרו בקצב גבוה במיוחד (106 איזוטופים לשנייה של 132Sn, המהווה מדד סטנדרטי של מתקני מחקר מסוג זה). מחקרי איזוטופים ספציפיים חשובים להבנת תהליך יצירת היסודות ביקום על ידי בליעת ניטרונים מהירה (r-process), והרחבת תיאוריות של גרעין האטום אל הרחק מעמק היציבות.

ניטרונים תרמיים ישמשו לרדיוגרפיה ודיפרקציה, עם שטף של 5×105 ניטרונים לשנייה לסמ"ר במצלמת הניטרונים התרמיים. דימות ניטרונים תרמיים היא אמצעי משלים לדימות עם אלומות פוטונים (קרינת X, גמא). בנוסף, מתוכננת עמדה הקרנה פנימית בניטרונים בשטף של 1012 ניטרונים לשנייה לסמ"ר עבור אנליזת אקטיבציית ניטרונים (NAA), שיטה לזיהוי מדויק של תכולת החומרים בדוגמאות נתונות. שטפי הניטרונים התרמיים הצפויים באמצעי הדימות והמדידה בשרף ב' דומים לאלו של כור מחקר בהספק של מגה-וואט אחדים. בכך תודגם היכולת של מאיצים באנרגיה בינונית להוות תחליף לכורי מחקר עבור יישומים אלו.

ניטרונים פולסיים בקצב הגבוה בצפוי בשרף, 1012 ניטרונים לשנייה, עם ספקטרום אנרגיה רחב עד עשרות MeV, הם שימושיים מאד לחקר תהליכים גרעיניים בסיסיים ומחקר ופיתוח של שיטות דימות ייחודיות. בשרף ב' ייווצרו פולסי ניטרונים ברוחב של כ-1 ננו-שנייה בלבד בקצב של עד 200kHz, שיאפשרו מדידות מגוונות בתלות באנרגיית הניטרונים, אותה נחלץ בשיטת זמן מעוף (time of flight – TOF). תחנת הקרנה זו צפויה לכלול גם מטרת ליתיום דקה (כ- 1.5 מילימטר) אשר באמצעותה ניתן להפיק אלומות ניטרונים באנרגיה כמעט אחידה (quasi-mono-energetic), עד כ־30 MeV, הניתנת לכוונון על ידי שינוי אנרגיית הפרוטונים הפוגעים במטרת הליתיום, בשטף של 1010 ניטרונים לשנייה ל־sr. בנוסף, מתוכננת גם מטרה שתהיה מוקפת במאט ניטרונים, אשר תייצר ניטרונים עם אנרגיה בתחום האפי-תרמי, בשטף של 104 ניטרונים לשנייה לסמ"ר במרחק של 10 מטרים ממטרת הייצור.

נתונים ניסויים של חתכי פעולה מושרי ניטרונים מהירים הם נדירים למדי, ודרושים כדי להרחיב תיאוריות של תהליכים גרעיניים לאנרגיות גבוהות, והבנה של הרקע הגרעיני בחיפושים אחר חלקיקים ותהליכים נדירים כגון חומר אפל, ודעיכת בטא כפולה ללא ניטרינו. בהיבט היישומי, חתכי פעולה אלו חשובים לתכן של כורי ביקוע מדור רביעי המבוססים ניטרונים מהירים, מתקנים עתידיים להמרת דלק שרוף קורן לחומרים שפירים יותר, והערכה עיונית של נזקי הקרינה בכורי היתוך גרעיני עתידיים.

באזור הניסויים בהספק נמוך תימשך תוכנית המחקר עם ניטרונים אפי-תרמיים בתחום האסטרופיזיקה (s-process) והרפואה (BNCT), עם גרסה משודרגת של מטרת לילית. השימוש יהיה באב הטיפוס של גלית (איור 5) כדי לייצר קצב ניטרונים של עד 1013 ניטרונים לשנייה, על מנת לייצר וללכוד 6He, 8Li ו- 18,19Ne בקצב של 1011 איזוטופים לשנייה. קצב גבוה זה יאפשר מדידות מדויקות של ההתפלגויות הזוויתיות של תוצרי דעיכת בטא של איזוטופים אלו, שעשויים להביא לגילוי תופעות פיזיקליות מעבר למודל הסטנדרטי של החלקיקים האלמנטריים.

מעבר לשימוש לעיל בניטרונים, יהיה שימוש גם בפרוטונים והדאוטרונים עצמם עבור מחקר בסיסי ויישומי. נתונים על חתכי פעולה מושרי דאוטרונים הם נדירים למדי, בייחוד באנרגיות גבוהות, דבר המגביל את האמינות של תיאוריות גרעיניות בתחום זה. תיאוריות המתארות תהליכים מושרי דאוטרונים הן אתגריות במיוחד, שכן דאוטרונים שונים מהותית מגרעינים אחרים, בכך שאנרגיית הקשר בין הפרוטון והדאוטרון המרכיבים אותם חלשה באופן יחסי, דבר הגורם להתפרקות הדאוטרונים ברוב התהליכים הגרעיניים שהם משרים. בהיבט היישומי, הערכת הרדיו-אקטיביות הנוצרת כתוצאה מפגיעת דאוטרונים בחומרי מבנה של מאיצים, חשובה ביותר לתכנון של מקורות ניטרונים מבוססי מאיצים, כך שניתן יהיה להפעילם ולתחזקם באופן בטוח.

הזרם הגבוה והאנרגיה הגבוהה והניתנת לכוונון של אלומות הפרוטונים והדאוטרונים בשרף מהווים יתרון משמעותי על פני ציקלוטרונים, בהקשר של ייצור מוצרי רדיו-רוקחות עבור רפואה גרעינית, הן לדימות והן לטיפול. בנוסף תהליכי (d,p) מאפשרים לייצר מוצרי רדיו-רוקחות עשירי ניטרונים, המיוצרים כיום רק בכורים גרעיניים רבי שטף, שחלק משמעותי מהם בעולם מתיישנים או עומדים בפני סגירה.

פרוטונים, דאוטרונים וחלקיקי אלפא (שגם הם יהיו זמינים בשרף בכמויות סבירות) ישמשו גם למחקרים של נזקי קרינה. הזרם הגבוה יאפשר מחקר שיטתי של האפשרות לחקות את האופן שבו ניטרונים משרים נזקי קרינה על ידי הקרנה ביונים קלים, אשר זמינים בכמויות גבוהות בהרבה מניטרונים, וניתנים לכוונון זוויתי ואנרגטי בקלות יחסית. בנוסף לזרם הגבוה, האנרגיה הניתנת לכוונון מדויק והסמיכות למקורות ניטרונים 'תחת אותו גג', יאפשרו לשרף להרים תרומה משמעותית לתחום זה, אשר נחקר רבות בעולם, הן בתחום הניסויי והן בעיוני

שרף ב' יופעל כמתקן משתמשים בין לאומי. זמן קרן יחולק למשתמשים על פי קריטריונים מדעיים על ידי ועדת תוכנית מדעית. בימים אלו ממשיכים לפתח את תוכניות המחקר בשרף ב', חוקרים רבים מעוניינים להשתמש בשרף, והדלת פתוחה למכתבי כוונות והצעות מחקר נוספות מהקהילות המדעיות המגוונות בארץ ובעולם.

לאור הרב-גוניות של המחקרים הצפויים בשרף ב', ואופיים הבסיסי והיישומי כאחד, פועלים בשנים אלו להגדרת שרף כמעבדה לאומית. כיום, אין בישראל הגדרה חוקית ל'מעבדה לאומית'. לאור זאת, ועדת המעקב אחר מצב המדע בישראל, מיסודה של האקדמיה הלאומית למדעים, הגדירה בשני הדו"חות התלת-שנתיים האחרונים שלה את הצורך בהקמת מעבדות לאומיות בישראל. הוועדה המליצה שמתקן שרף יהיה אחת משתי המעבדות הלאומיות הראשונות שיוקמו בארץ.

## סטטוס
שרף ב' נמצא כעת בשלבי ייצור סופיים ובתחילת תהליך ההרצה בממ"ג שורק. בתקופה זו מפעילים את המזרק (INJ) משרף א' (מקור יונים, LEBT ו־RFQ) עם ה־MEBT החדש, קו העברת יונים זמני (TBL) ואב הטיפוס של מטרת גלית (ראו איור 7). עד כה הקרינו את אב הטיפוס של גלית במשך עשרות שעות באלומת פרוטונים באנרגיה של 1.3 MeV וזרם רציף (CW) של 5 mA. בשנתיים הקרובות יותקנו מכלולי ההאצה העל מוליכים של שרף ב', יוקמו מקורות הניטרונים ולאחר מכן תחל התכנית המדעית.

ממוזער|''איור 7 – תצלום מכלולי שרף הנמצאים כעת בהרצה בממ"ג שורק. המכלולים הם המזרק (INJ), ה־MEBT החדש, קו העברת קרן היונים הזמני (TBL) ואב הטיפוס של מטרת גלית (GaLIT).''

## הערות שוליים

קטגוריה:מאיצי חלקיקים
קטגוריה:המרכז למחקר גרעיני שורק