Fabrication and Characterization of Variable-Thickness 94,98,100 Mo targets for Heavy-Ion Fusion Experiments

المسرح الخفي للتصادمات الذرية

تخيل الكون كطاولة بلياردو عملاقة وعالية المخاطر، حيث تكون الكرات في الواقع ذرات صغيرة. العلماء الذين يدرسون الفيزياء النووية يشبهون لاعبي الحركات البهلوانية المهرة؛ فهم يريدون صدم هذه الكرات الذرية معاً بسرعات دقيقة للغاية ليروا ما يحدث عند اصطدامها. أحياناً ترتد الكرات، وأحياناً تلتصق معاً، وأحياناً أخرى تتفكك إلى قطع جديدة وغريبة. وللقيام بذلك، يحتاجون إلى "هدف" — قطعة من مادة رقيقة ومسطحة تماماً لتوجيه مدفعهم الذري نحوها.

لكن هنا تكمن المشكلة: يجب أن تكون الأهداف نقية ومتجانسة للغاية، مثل لوح زجاجي ناعم جداً بحيث يمكنك تمرير عملة معدنية فوقه دون أن تترنح. إذا كان الهدف سميكاً جداً، ستفقد الكرات الذرية طاقتها قبل أن تصل إلى المركز. وإذا كان رقيقاً جداً، فقد يتمزق تحت تأثير حرارة التصادم. الذرات المحددة التي يهتم بها العلماء في هذه القصة هي نسخ نادرة وباهظة الثمن من الموليبدينوم، وهو معدن يبدو مثل الفضة ولكنه أثقل بكثير. ولأن هذه الذرات الخاصة نادرة ومكلفة للغاية، كان على العلماء أن يكونوا حذرين للغاية لعدم إضاعة ذرة واحدة منها أثناء بناء أهدافهم. تحكي هذه الورقة قصة كيفية بناء هذه المسارح الذرية الدقيقة والمصنوعة خصيصاً باستخدام مزيج ذكي من الحرارة، وغرف الفراغ، ومكون سري لجعل المعدن يتقشر بشكل مثالي.

---

قصة المعدن المتقشر

واجه العلماء في جامعة أندرا ومركز جامعة أندرا لتعجيل الجسيمات (IUAC) في نيودلهي لغزاً صعباً. كانوا بحاجة إلى إنشاء أهداف مصنوعة من ثلاثة أنواع محددة ونادرة من الموليبدينوم (يُرمز لها بـ 94 و98 و100) للتجارب المتعلقة بالأيونات الثقيلة. احتاجوا إلى هذه الأهداف بحجمين مختلفين تماماً: بعضها يجب أن يكون رقيقاً جداً (حوالي 90 ميكروجرام/سم²) لقياس كيفية ارتداد الذرات عن بعضها البعض، بينما احتاجت أخرى إلى أن تكون أكثر سمكاً (تصل إلى 600 ميكروجرام/سم²) لالتقاط المزيد من نواتج التفاعل.

المشكلة الكبرى هي أن نظائر الموليبدينوم النادرة هذه نادرة للغاية وباهظة الثمن. لا يمكنك ببساطة شراء حقيبة منها؛ بل يجب عليك العمل بكميات ضئيلة. كان هدف الفريق هو صنع دفعة كاملة من الأهداف في عملية واحدة دون إضاعة أي جزء من المعدن الثمين.

خدعة "التقشير واللصق"
لصنع هذه الأهداف، استخدم الفريق تقنية تسمى الترسيب الفيزيائي للبخار. فكر في هذا الأمر كأنه صنع طبقة طلاء فاخرة وعالية التقنية. لقد قاموا بتسخين الموليبدينوم حتى تحول إلى بخار، والذي طفا بعد ذلك داخل غرفة فراغ واستقر على شريحة زجاجية.

لكن كانت هناك مشكلة: إذا تركوا المعدن يبرد على الزجاج، فسيلتصق للأبد، ولن يتمكنوا من استخدامه كهدف عائم. كانوا بحاجة إلى طريقة تجعل المعدن "يتقشر" عن الزجاج مثل الملصق.

في الماضي، حاول علماء آخرون استخدام "عوامل تحرير" مختلفة (مثل طبقة غير لاصقة) مثل الملح (NaCl) أو كلوريد الباريوم. جرب الفريق هذه المواد، لكن الأفلام المعدنية ظلت تنكسر وتتمزق عندما حاولوا جعلها تطفو في الماء. كان الأمر يشبه محاولة تقشير ملصق تم لصقه بغراء قوي جداً؛ حيث يتمزق الملصق قبل انفصاله.

ثم وجدوا المكون الرابح: كلوريد البوتاسيوم (KCl). هذا نوع من الملح يشبه ما قد تجده في المطبخ، ولكنه يُستخدم هنا كـ "عامل تحرير" علمي.

إليكم كيف حدث السحر:

1. الطبقة الأساسية: قاموا أولاً بتبخير طبقة رقيقة من الـ KCl على شريحة زجاجية.
2. الطبقة المعدنية: دون كسر الفراغ (للحفاظ على نظافة كل شيء)، قاموا بتبخير الموليبدينوم الثمين فوق الملح.
3. تخفيف الإجهاد: كان الفيلم المعدني تحت الكثير من التوتر، مثل شريط مطاطي مشدود بقوة. ولحل هذه المشكلة، قاموا بوضع الشرائح في فرن عند درجة حرارة 235 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. عملية "التلدين" هذه أدت إلى إرخاء المعدن، مما منع تقوسه أو تشققه لاحقاً.
4. الطفو العظيم: أخيراً، وضعوا الشريحة الزجاجية في ماء مقطر دافئ. ذابت طبقة ملح الـ KCl فوراً، وطفا فيلم الموليبدينوم بعيداً عن الزجاج، جاهزاً ليتم التقاطه واستخدامه.

معجزة "المرة الواحدة"
كان لدى الفريق حد صارم: كان لديهم فقط 100 ملجم من الموليبدينوم المخصب النادر للعمل به. وكانوا بحاجة لصنع عشرة أهداف مختلفة بسماكات متفاوتة (تتراوح بين 90 ميكروجرام/سم² إلى 600 ميكروجرام/سم²). عادةً، يتطلب صنع سماكات مختلفة عدة عمليات تشغيل، مما يهدر المواد في كل مرة يبدأون فيها ويتوقفون.

لحل هذه المشكلة، كانوا مبدعين في استخدام الهندسة. قاموا بترتيب عشر شرائح زجاجية على مسافات مختلفة من مصدر الموليبدينوم داخل غرفة الفراغ — بعضها قريب (5 سم) وبعضها بعيد (11 سم). عندما قاموا بتشغيل شعاع الإلكترونات لتبخير المعدن، التقطت الشرائح القريبة من المصدر طبقة أكثر سمكاً، بينما التقطت الشرائح البعيدة طبقة أرق. وفي دورة واحدة، نجحوا في إنشاء عشرة أهداف مثالية، مستخدمين 70 ملجم فقط من المادة الثمينة. كان هذا فوزاً هائلاً في الكفاءة.

التحقق من الجودة
بمجرد صنع الأهداف، كان على الفريق التأكد من أنها مثالية. استخدموا أداتين رئيسيتين للتحقق من عملهم:

• مطيافية تشتت رذرفورد العكسي (RBS): أطلقوا شعاعاً من أيونات الهيليوم على الأهداف وراقبوا كيفية ارتدادها. أكد هذا أن السماكة كانت دقيقة تماماً (قياس 90 ميكروجرام/سم² للأهداف الرقيقة و600 ميكروجرام/سم² للأهداف السميكة) وأن المعدن كان نقياً، دون وجود عناصر ثقيلة غير مرغوب فيها مختلطة به.
• مطيافية تشتت الأشعة السينية الموزعة للطاقة (EDX): بحثت هذه الأداة في التركيب الكيميائي. ووجدت أن الأهداف كانت تتكون بالكامل تقريباً من الموليبدينوم، مع وجود آثار ضئيلة جداً من الأكسجين (من ملامسة الهواء للسطح) والكربون (من المادة الخلفية). لم يتم العثور على أي شوائب أخرى.

النتيجة النهائية
تخلص الورقة البحثية إلى أن هذه الطريقة تعمل. لقد نجحوا في إنشاء أهداف ذاتية الدعم وأهداف مدعومة بالكربون قوية بما يكفي لتحمل حزم الأيونات الثقيلة. وبينما كانت الأهداف ذاتية الدعم (بدون دعم الكربون) هشة بعض الشيء ولم تصمد طويلاً، أثبتت النسخ المدعومة بالكربون أنها متينة وجاهزة للتجارب القادمة.

باستخدام عامل التحرير KCl، ودرجة حرارة التلدين المحددة عند 235 درجة مئوية، والإعداد الذكي متعدد المسافات، تمكن الفريق من تصنيع أهداف عالية الجودة لتجارب اندماج الأيونات الثقيلة مع تقليل هدر النظائر النادرة والباهظة الثمن. لم يصنعوا الأهداف فحسب، بل صنعوها بكفاءة، مثبتين أنه مع الوصفة الصحيحة، حتى أندر المواد يمكن تشكيلها لتصبح الأدوات المثالية لاستكشاف أسرار النواة الذرية.