A high-voltage MR-ToF mass spectrometer and separator for the study of exotic isotopes at FRIB

في قلب الكون يكمن مشهد شاسع وغير مرئي من النوى الذرية، وهي القلوب الصغيرة التي تمنح المادة هويتها. بعض هذه القلوب مستقرة ومألوفة، وتشكل العالم من حولنا، بينما البعض الآخر غريب وعابر، ولا يولد إلا في أكثر الأحداث الكونية عنفاً. سعى العلماء طويلاً لرسم خريطة لهذا التضاريس، وقياس الوزن الدقيق لهذه النوى لفهم كيف تصهر النجوم العناصر وكيف تطور الكون. ومع ذلك، فإن العديد من هذه الأشكال الغريبة غير مستقرة لدرجة أنها تتلاشى في جزء من الثانية، مما يجعل دراستها صعبة للغاية. وللإمساك بها، يحتاج الباحثون إلى أدوات لا يمكنها فقط وزن هذه الجسيمات العابرة بدقة متناهية، بل وأيضاً فصلها عن خليط فوضوي من الذرات الأخرى التي تصل في الوقت نفسه. إن التحدي يشبه محاولة تحديد حبة رمل واحدة محددة في نهر جارف بينما تتحرك المياه بسرعة عالية.

ولمعالجة هذا التحدي، يقوم فريق من الباحثين في "مرفق حزم النظائر النادرة" (FRIB) في ميشيغان بتصميم أداة جديدة تسمى "مطياف كتلة متعدد الانعكاسات مع زمن طيران" (Multi-Reflection Time-of-Flight mass spectrometer). تم بناء هذا الجهاز ليعمل كمرشح عالي الانتقائية وميزان فائق الدقة لأندر الذرات الموجودة. الفكرة الأساسية بسيطة ولكنها قوية: من خلال جعل الأيونات، وهي ذرات مشحونة، ترتد ذهاباً وإياباً بين مرآتين عدة مرات، تسمح الآلة بفصلها بناءً على وزنها. فالأيونات الأثقل تستغرق وقتاً أطول قليلاً لإكمال الرحلة مقارنة بالأيونات الأخف. وعلى مدار آلاف الارتدادات، تتراكم هذه الفروق الضئيلة في وقت السفر، مما يؤدي إلى تباعد الأيونات بحيث يمكن للعلماء التمييز بينها. ويدفع التصميم الجديد هذا المفهوم إلى الأمام عبر تخزين هذه الأيونات عند مستوى طاقة أعلى بكثير مما هو متاح سابقاً، مما يسمح للآلة بالتعامل مع عدد أكبر بكما من الجسيمات دون فقدان حدتها.

إن المرفق الذي سيعيش فيه هذا الجهاز، والمعروف باسم FRIB، ينتج مجموعة متنوعة من هذه النظائر النادرة عن طريق صدم ذرات ثقيلة في هدف. ثم يتم إبطاء الرذاذ الناتج وإيقافه، مما يخلق حزمة يمكن دراستها. ومع ذلك، فإن هذه الحزمة نادراً ما تكون نقية؛ فهي غالباً ما تكون ملوثة بذرات أخرى تبدو مشابهة جداً أو متطابقة كيميائياً ولكن بأوزان مختلفة. في الماضي، كان على العلماء الاعتماد على طرق قديمة لم تستطع سوى التعامل مع عدد صغير من الجسيمات أو افتقرت إلى الدقة للتمييز بين الأوزان المتشابهة جداً. تهدف الآلة الجديدة إلى تغيير ذلك عبر تخزين الأيونات عند طاقة حركية تبلغ 30 كيلو إلكترون فولت، وهي زيادة كبيرة عن الـ 2 كيلو إلكترون فولت التقليدية المستخدمة في الأجهزة المماثلة. وتسمح هذه الطاقة الأعلى للنظام بمعالجة الأيونات بشكل أسرع وبقدرة أكبر على تحمل الاختلافات في سرعتها، مما يؤدي إلى زيادة هائلة في عدد الجسيمات التي يمكن دراستها في تجربة واحدة.

استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية مفصلة لاختبار كيفية أداء هذا التصميم عالي الطاقة. وتظهر هذه المحاكاة أن الجهاز الجديد يمكنه فصل الأيونات بدقة تسمح له بالتمييز بين نوعين من الذرات يختلفان في الكتلة بمقدار جزء واحد فقط في مائة ألف. وهذا المستوى من الوضوح أمر بالغ الأهمية لتحديد نظائر محددة لم تُشاهد من قبل. علاوة على ذلك، تشير المحاكاة إلى أن الآلة يمكنها التعامل مع ما يصل إلى 100,000 أيون في الثانية مع الحفاظ على هذه الدقة العالية. وهذا تحسن هائل مقارنة بالتكنولوجيا الحالية، التي تعاني لفصل أكثر من بضعة آلاف من الأيونات في الثانية دون أن تصبح الإشارات ضبابية. والقدرة على التعامل مع مثل هذه المعدلات العالية تعني أن العلماء يمكنهم دراسة النظائر التي تُنتج بكميات صغيرة جداً، مما يفتح البلو إلى اكتشافات كانت مستحيلة في السابق.

تعد القدرة على تنقية الحزمة قبل وصولها إلى التجارب ميزة رئيسية في التصميم. تستخدم الآلة بوابة متخصصة، وهي جهاز مصنوع من أسلاك رفيعة يمكن تشغيله وإيقافه في جزء من الميكروثانية، لحجب الجسيمات غير المرغوب فيها. عندما تمر الأيونات المطلوبة، تكون البوابة مفتوحة، ولكن عندما تصل الملوثات غير المرغوب فيها، تغلق البوابة أو تحرفها بعيداً. يضمن ذلك وصول الحزمة الأكثر نقاءً فقط إلى المحطات اللاحقة حيث تنتظر التجارب الأخرى. كما استكشف الفريق طرقاً مختلفة لإزالة هذه الملوثات، بما في في ذلك استخدام مجالات كهربائية لدفعها بعيداً أو حبسها مرة أخرى في غرفة منفصلة. ووجدوا أن بوابة الأسلاك، جنباً إلى جنب مع الطاقة العالية للحزمة، توفر أفضل توازن بين السرعة والنقاء، وهي قادرة على إزالة الملوثات القريبة جداً في الوزن من الأيونات المستهدفة.

كما كشفت عمليات المحاكاة أن الآلة يمكن ضبطها للعمل عند مستويات طاقة مختلفة، مثل 15 أو 3 كيلو إلكترون فولت، إذا لزم الأمر لتجارب محددة. وحتى عند هذه الطاقات المنخفضة، ستظل الأداة تتفوق على الأجهزة الحالية منخفضة الطاقة، رغم أن الأداء الأعلى يتحقق عند الـ 30 كيلو إلكترون فولت كاملة. وتسمح هذه المرونة للمرفق بالتكيف مع احتياجات برامج البحث المختلفة. ويتضمن التصميم نظام تبريد يجمع الأيونات في حزم ضيقة قبل دخولها منطقة التخزين الرئيسية، مما يضمن استعدادها للقياسات الدقيقة. وتعد خطوة التحضير هذه بالغة الأهمية، لأنها تقلل من تشتت أوقات وصول الأيونات، وهو أمر ضروري لتحقيق الدقة العالية المطلوبة لفصل النظائر الأكثر تشابهاً.

يمتد تأثير هذه الأداة الجديدة إلى ما هو أبعد من مجرد وزن الذرات. فمن خلال توفير حزم خالية من الملوثات غير المرغوب فيها، فإنها تتيح مجموعة واسعة من الدراسات الأخرى، مثل مراقبة كيفية تحلل هذه النظائر النادرة أو كيفية تفاعلها مع الجسيمات الأخرى. وهذا أمر مهم بشكل خاص لفهم العمليات التي تحدث في النجوم النيوترونية والمستعرات العظمية (السوبرنوفا)، حيث تُخلق هذه العناصر الغريبة. كما ستعمل الآلة كأداة تشخيصية، مما يسمح للعلماء بالتحقق بسرعة مما يوجد في حزمتهم وتعديل تجاربهم وفقاً لذلك. وتوفر هذه القدرة وقتاً ثميناً وتضمن عمل المرفق دائماً في أفضل حالاته.

إن الباحثين واثقون من أن تصميمهم سيعمل كما هو متوقع، بناءً على الطبيعة القوية لمحاكاتهم ونجاح أجهزة مماثلة، وإن كانت أقل قوة، في مختبرات أخرى حول العالم. لقد وضعوا في اعتبارهم المشكلات المحتملة، مثل التقلبات الكهربائية والتنافر بين الأيونات، ووجدوا أن التصميم عالي الطاقة قوي بما يكفي للتعامل مع هذه التحديات. ورغم أن الآلة لم تُبنَ وتُختبر بعد مع أيونات حقيقية، إلا أن المحاكاة توفر أساساً قولاً لبنائها. ويخطط الفريق لبناء الجهاز، واختباره بمصادر أيونية قياسية، ودمجه في النهاية في خط الحزمة الرئيسي في المرفق. وبمجرد تشغيلها، ستصبح حجر الزاوية في قدرات المرفق، مما يتيح جيلاً جديداً من التجارب التي تسبر أغوار النواة الذرية.

يمثل هذا العمل خطوة كبيرة للأمام في المسعى لفهم اللبنات الأساسية للمادة. فمن خلال الجمع بين الطاقة العالية والتوقيت الدقيق والهندسة الذكية، يعد مطياف الكتلة الجديد بفتح آفاق دراسة النظائر التي ظلت مخفية حتى الآن. وسوف يسمح للعلماء برسم خرائط لأطراف المشهد النووي بوضوح لم يكن ممكناً الوصول إليه سابقاً، مما يوفر بيانات ستصقل نظرياتنا حول كيفية عمل الكون. إن الرحلة من رذاذ فوضوي من الجسيمات إلى حزمة نقية ومحددة جيداً من نظير واحد هي شهادة على براعة الباحثين، الذين حولوا تحدياً فيزيائياً معقداً إلى أداة عملية للاكتشاف. وبينما يستمر المرفق في النمو، ستكون هذه الأداة جسراً بين القوة الخام للمسرع والدقة المرهفة المطلوبة لاستكشاف حدود العلم.