تضخيم النغمه الغرده

تضخيم النبضة المغردة(******)
إن السبيل إلى الحصول على ليزرات الطاولة الفائقة الشدة هو تقنية تدعى «تضخيم النبضة المغردة». حيث تمط نبضة أولية، أي تزداد فترة تغريدها، بمقدار 10^4 مرة، بوساطة زوج من شبيكات الانعراج مثلا. تمتلك النبضة الممطوطة شدة ضعيفة، مما يسمح بتضخيمها بمضخم ليزري صغير. ويقوم زوج ثان من شبكات الانعراج بإعادة ضغط النبضة، مما يرفع شدتها بمقدار 10^4 مرة من الشدة العظمى التي كان يمكن أن يتحملها المضخم.



إن للتسريع الفوري ذي التدرج العالي فوائد عدة. فمثلا، حصل أحدنا <D. أومستاتر> على حزم إلكترونية طاقتها عدة ملايين إلكترون ڤلط، ولها سطوع brightness (هو في الواقع تركيز الجسيمات في الحزمة)، يفوق سطوع الحزم الناتجة من المسرعات التقليدية لأن الشحنات التي تحزم في نبضة واحدة لا يتاح لها مدة زمنية كافية لتعصف بها قواها الكهرسكونية الذاتية مفرقة إياها. إضافة إلى ذلك، فقد بيَّن باحثون أن المسرعات الليزرية الرخيصة مناسبة للكثير من التطبيقات المماثلة لما تقوم به المسرعات التقليدية، مثل إنتاج نظائر مشعة قصيرة العمر تستخدم في التشخيص الطبي، وتوليد حزم نيوترونية وپوزيترونية لدراسة المواد.

تولد المنظومات الليزرية حزما ذات توزع عريض نسبيا من طاقات الجسيمات، إلا أن ذلك غير مرغوب فيه في بعض التطبيقات. يُضاف إلى ذلك أن النظم التقليدية تربط معا عددا من مراحل المسرع، كما في مصادم SLAC، والتيڤاترون Tevatron في مختبر فِرمي الذي يبلغ محيط حلقته الأساسية 7 كيلومترات. بالمقابل فإن الأبحاث الحالية على

منظومات المسرعات الليزرية تركز على إنقاص توسع طاقة الحزمة، وعلى تحقيق مراحل متعددة لزيادة طاقتها. ويتحرى الباحثون أيضا إمكان استخدام أدلة الموجة waveguides، لزيادة المسافة التي يواصل حقل المخْر تسريع الجسيمات على طولها.


تآثر الضوء مع المادة(*******)

البصريات النسبوية
يجبر الحقل الكهربائي للضوء العادي الشدة (الموجات الحمراء في الشكل a) الإلكترونات على الاهتزاز بسرعات صغيرة نسبيا. أما عند الشدات البالغة القوة، فإن الإلكترونات تهتز عند سرعة تقترب من سرعة الضوء، ويسبب الحقل المغنطيسي للضوء (الموجات الزرقاء) اندفاع إلكترونات إلى الأمام بزخم عالٍ جدا.



تقوم نبضة ليزرية فائقة الشدة (مضافة باللون الأزرق) مبأرة على نفثة من غاز الهليوم بوساطة مرآة إهليلجية، بتسريع الإلكترونات من الغاز إلى 60 ميگاإلكترون ڤلط في مليمتر واحد. وتكشف لوحة فلوريسينية (الجزء العلوي في اليمين) عن هذه الحزمة من الإلكترونات العالية الطاقة
.

التسريع بحقل المخْر
عندما يضرب ضوء عالي الشدة پلازما سيدفع بالإلكترونات حتى تصل إلى سرعات عالية جدا، تاركة الأيونات الموجبة الثقيلة (اللون الأخضر) وراءها، فيتولد حقل كهربائي قوي (اللون الأحمر) بين هذه الشحنات المتباعدة. إن انفصال الشحنات هذا، والحقل الكهربائي المرافق، يقتفي أثر مخر الضوء ويمكنه أن يُسرع جسيمات مشحونة أخرى حتى يوصلها إلى طاقة عالية جدا.




تخوم الطاقة العالية(********)

إننا لا نتوقع أن تحل المسرعات الليزرية محل المسرعات التقليدية في منشآت فيزياء الجسيمات العالية الطاقة، مثل التيڤاترون. وإنما ستكمل وتعاضد النظم الحالية، بما لها من مميزات تجعلها مفيدة في تطبيقات نوعية، وفي أنواع جديدة من التجارب يمكن أن يكون تسريع الجسيمات اللامستقرة أحدها.

يمثل التيڤاترون حدود الطاقة العالية المتوافرة اليوم: حيث تتصادم پروتونات طاقتها من مرتبة تريليون إلكترون ڤلط. وكذلك المسرع الذي خلَفه في سيرن CERN وهو مصادم الهادرونات الكبير Large Hadrdon Collider، الذي سيستخدم الپروتونات أيضا. وتكون مثل هذه التصادمات معقدة جدا ومشوشة messy، لأن الپروتونات بحد ذاتها هي تجمع agglomerations من جسيمات شديدة التآثر تسمى الكواركات والگلوونات. وبالمقابل فإن للإلكترونات والپوزيترونات بنية أكثر بساطة من الپروتونات، وبالتالي فإنها تعطي تصادمات أكثر «نظافة» من سابقتها، مما يسمح بإجراء دراسات تفصيلية وذات دقة عالية. غير أن تسريعها يواجه مشكلة؛ وهي فقدان الإلكترونات والپوزيترونات الخفيفة الكثير من طاقتها على شكل ما يسمى الإشعاع السنكروتروني، أثناء مسارها حول المنحنيات في المسرعات الدائرية.

إن أحد الحلول يتمثل في تسريع الميونات، التي تزيد كتلتها على كتلة الإلكترون بمئتي مرة، لذا فإن فقدها للطاقة السنكروترونية يقل ببليون مرة. لكن لسوء الحظ فإن الميونات غير مستقرة وتضمحل خلال زمن يزيد قليلا على 2 ميكروثانية وسطيا. غير أنه يمكن لليزرات العالية الشدة تسريع هذه الميونات إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء خلال جزء من زمن الاضمحلال ذاك. وعندها يقوم التمدد الزمني النسبوي بدوره، فيمدد زمن حياة الميون بصورة متناسبة مع الطاقة المستحصل عليها، مما يسمح بإعطاء مزيد من الزمن للمسرعات التقليدية لتقوم بعملها. وستكون فائدة التسريع الليزري الفوري أفضل في حالة جسيمات كالپايونات، التي تضمحل خلال زمن لا يتجاوز 26 نانوثانية في المتوسط.


يمكن لليزرات صغيرة فائقة القدرة أن تعمل عمل شمعة الاحتراق،
فتقدح الاندماج النووي الحراري في محطات توليد الطاقة.



وثمة نوع جديد آخر من تجارب فيزياء الجسيمات، التي أصبحت ممكنة بوجود الليزرات الفائقة القدرة، وهو مصادم گاما-گاما gamma-gamma collider. إن أشعة گاما هي فوتونات ذات طاقة عالية جدا، أو بصورة مكافئة هي ضوء ذو ترددات عالية جدا تقع بعد طيف الأشعة السينية. فعندما تصطدم حزمة ضوئية عالية القدرة مع حزمة إلكترونية عالية الطاقة، سينتج من ذلك حزمة ضيقة من أشعة گاما. وما يحدث أساسا هو ارتداد فوتونات الليزر عن الإلكترونات وفق سيرورة تسمى تشتت كومتون. وتتوقف طاقة أشعة گاما على طاقة الحزمة الإلكترونية بصورة رئيسية، فتضرب الحزمة الإلكترونية التي طاقتها GeV250 الفوتونات، لتقفز طاقتها من نحو 1 إلكترون ڤلط (الضوء المرئي) إلى نحو GeV200.

وعندما تتصادم حزمتان من أشعة گاما من هذا النوع، ستكون التآثرات «أنظف» مما هي عليه في حالة تصادم الإلكترون بالپوزيترون، أو تصادم الميون بمضاده. وهذه السيرورة هي عكس سيرورة فناء المادة مع ضدها، حيث تندمج الجسيمات في بعضها لتصبح ومضة إشعاع، ففيها تبزغ إلى الحياة أزواج من المادة ومضادها نتيجة تصادم الفوتونات. ولا يتوفر عدد من الفوتونات في كل نبضة يكفي لإحداث عدد كبير من تصادمات گاما-گاما إلا في الليزرات الفائقة الشدة. وقد حقق باحثون [من جامعة روشستر وجامعة پرنستون وجامعة تنسي ومركز SLAC عام 1977] شكلا من هذه المنظومة، فأنتجوا أزواجا من الإلكترون-پوزيترون، من تصادم أشعة گاما بفوتونات الليزر. والآن يمتلك كل مسرعِ جسيماتٍ خَطِّي خططا لإجراء تجارب على تصادم گاما-گاما، تكمل الأبحاث القائمة على تصادمات الإلكترون-الپوزيترون المعروفة.


الكشف عن السرطان وعلاجه(*********)

وبسبب توليدها إشعاعا عالي النفوذية كالأشعة السينية أو الحزم الجسيمية، يمكن أن تستخدم مسرعات الجسيمات المشحونة المستخدِمة لليزر لتشخيص السرطان ومعالجته. وبالطبع، فقد استخدمت الأشعة السينية طوال قرن كأداة أساسية للسبر والتشخيص. فأنابيب الأشعة السينية التقليدية تسرع الإلكترونات في حقل كهربائي مطبق بين مصعد ومهبط. وعندما تصدم الإلكترونات المصعد فإنها تُبَطَّأ بعنف، مما يؤدي إلى إصدار أشعة سينية غزيرة. ويحد ميزَ resolution الأشعة السينية كِبَرُ منبع الأشعة السينية، وهو المصعد في هذه الحالة، الذي يقارب قطره 100 ميكرون، لذا فإن قطر أصغر ورم يمكن كشفه بنظام كهذا هو بحدود المليمتر.

يمكن أن يُطلِق الليزر الفائق الشدة أشعة سينية، بمجرد تبئيره على هدف معدني مناسب، حيث تُسرِّع الحزمة الإلكترونات قرب سطح المعدن إلى طاقات عالية. لكن هذه الإلكترونات تُبَطَّأ عند عبورها خلال المعدن لتصدر أشعة سينية غزيرة مرة أخرى. وبتبئير الليزر في بقعة أبعادها بضعة ميكرونات نحصل على منبع أشعة سينية صغير جدا، مما يسمح بالكشف عن تكتلات للخلايا السرطانية صغيرة جدا، وهذا يتيح بدء المعالجة في مراحل مبكرة من تطور السرطان. ومن حيث المبدأ، يمكن أن يصل الميز إلى حدود الميكرون الواحد، الذي يعتبر أكبر قليلا من الطول الموجي لليزر المستخدم. وقد بيَّنت مجموعات البحث في جامعة ستانفورد وجامعة لوند في السويد والمعهد الوطني للأبحاث العلمية في كِيبِك، صلاحية نظم الأشعة السينية هذه.

وللدقة أهمية كبرى أيضا في المعالجة الإشعاعية. فالهدف، زيادة الجرعة المطلوب إيصالها للورم إلى حدها الأقصى، وفي الوقت نفسه جعل مقدار الأذى للنسج السليمة المحيطة به أقل ما يمكن. وعند معالجة ورم في أمكنة حساسة، مثل الدماغ أو الحبل الشوكي فإن القدرة على إيداع كميات متحكم فيها من الطاقة في مساحات صغيرة محددة تحديدا جيدا أمر حاسم. والجسيمات، مثل الپروتونات وأيونات الكربون مناسبة جدا لهذا الغرض. ولكن بعكس الإلكترونات والفوتونات، تعاني هذه الجسيمات الثقيلة تشتتا جانبيا صغيرا، لذا تبقى الحزمة ضيقة. وتفقد الجسيمات طاقتها بمعدل مطرد صغير جدا على طول مسارها، ثم تفرغ معظم طاقتها في نهايته. وبالنسبة إلى طاقة بدئية محددة يحدث هذا ضمن مجال معرف جيدا عبر النسيج؛ لذا فإن للأيونات الثقيلة هذه دقة تفوق دقة الإلكترونات والفوتونات في إيصال الجرعة إلى الأورام العميقة.

هناك محاولات سريرية كثيرة لاستخدام حزم الپروتونات والكربون في دول عدة. وأحد أهم العوائق التي تحول دون انتشار المعالجة بالجسيمات على نطاق واسع، هو الكلفة العالية لمسرعات الجسيمات التقليدية. فمثلا، بلغت كلفة بناء المسرّع الطبي للأيونات الثقيلة، في تشيبا باليابان، نحو 300 مليون دولار. ويمكنه أن يعالج نحو 200 مريض سنويا فقط، وهو جزء صغير من الحالات التي يمكن أن تستفيد من مثل هذه المعالجة السرطانية. وفي الوقت الحاضر، يمكن للمسرعات المسيّرة بالليزر أن تعطي طاقات للأيونات، أصغر بنحو خمس مرات من طاقة المسرعات التقليدية ولها مدى انتشار طاقي أكبر مما ينبغي. لكن إذا أمكن التغلب على هاتين المشكلتين، ستصبح المعالجة الإشعاعية الأيونية للورم ممكنة بكلفة أقل بكثير، مما يجعلها ميسرة لعدد أكبر من المرضى.



تُظهر صورة الأشعة الراديوية (الإشعاعية) لفأرٍ الميزَ العالي جدا الذي يمكن الحصول عليه باستخدام أشعة سينية ناجمة عن بقعة پلازمية صغيرة عند بؤرة ليزر طاولة فائق الشدة.

تعطي نبضة من ليزر فائق الشدة قدرة تعادل ما تعطيه كل مولدات الطاقة في العالم. وفي المستقبل يمكن أن تقلب هذه المعادلة عندما تصبح مثل هذه الليزرات عنصرا مهما في محطات الطاقة المعتمدة على الاندماج النووي، مزوِّدة العالم ببعض من احتياجاته للطاقة. وعلى مدى عقود، تَواصَل السعي إلى توليد الطاقة من اندماج نووي متحكم فيه، إلا أن النتائج كانت مخيبة للآمال وبعيدة التحقيق. وقد لاقت طريقة الاندماج بالحصر العطالي استحسانا في السنوات الأخيرة، حيث تُصدم كبسولات من الوقود، مثل مزيج من الدوتريوم والتريتيوم (نظائر ثقيلة للهدروجين)، من جميع الجهات وفي الوقت نفسه بعشرات أو مئات من النبضات الليزرية الشديدة. عندئذ تضغط الليزرات الكبسولات إلى كثافات ودرجات حرارة عالية، مما يسمح بدمج نوى الدوتريوم والتريتيوم معا ليشكلا الهليوم، وليطلقا كميات كبيرة من الطاقة. وكان ليزر Nova الضخم في ليڤرمور إحدى الأدوات التجريبية الرائدة التي استخدمت في الأبحاث للوصول إلى ذلك الهدف.

لا يمكن لليزرات الطاولة الفائقة الشدة أن تزودنا بطاقة كلية تكفي لتسيير اندماج نووي حراري، لكنها إذا ما عملت بالتضافر مع ليزرات من أبناء عمومتها، التي لها أبعاد الليزر Nova، قد يمكنهما جعل العملية مجدية اقتصاديا وتقنيا. فتحقيق الشروط اللازمة لإشعال الاندماج، بضغط الكبسولات، يتطلب انفجارا نحو الداخل متناظرا بصورة غير عادية. ويؤدي أي نقص إلى إخفاقات. وفي التقنيات الجديدة المقترحة من قبل الباحثين في ليڤرمور، ستظل الليزرات الكبيرة تقوم بالعمل الشاق، أي ضغط الوقود إلى كثافة عالية، لكن ليس المطلوب منها الوصول إلى درجة حرارة القدح الكاملة أيضا. وبدلا من ذلك، فإنه عند نقطة الكثافة العظمى، تصدم نبضةٌ فائقة القصر من الأيونات المسرعة بليزر CPA مدمج ذي قدرة فائقة الكبسولةَ المتفجرة، فتقوم النبضة بدور شمعة الاحتراق في محرك السيارة، أي تولد بقعة شديدة السخونة مما يقدح موجة من الاندماج التي تحرق ما تبقى من الكرية pellet. وينبغي أن تخفض هذه التقنية كثيرا المتطلبات التقنية البالغة الصعوبة اللازمة لقدح الاندماج بالانضغاط الداخلي وحده، وأن تزيد كثيرا النسبة بين الطاقة الناتجة وتلك المستخدمة.

لقد أوضح الباحثون في مختبر رذرفورد أپلتون الواقع في أكسفورد ببريطانيا وفي جامعة أوساكا باليابان، بعض أساسيات تقنية القدح السريع. لكن، كما هي الحال دائما في أبحاث الاندماج، يجب تحقيق المزيد للبرهان على أن تطبيق الطريقة لتوليد الطاقة عملي واقتصادي. وسواء أصبح هذا التطبيق بعينه مادة أسطورية أوْ لا، فإن للضوء الفائق الشدة مستقبلا مذهلا ومتنوعا يتجاوز أشد أحلام العالمين أرخميدس ودايوكليس جموحا.

المؤلفان
Gérard A. Mourou - Donald Umstadter
من مؤسسي مركز علوم البصريات الفائقة السرعة التابع لجامعة ميتشيگان في آن آربر، الذي تموله المؤسسة الوطنية للعلوم. مورو مدير المركز، هو أستاذ في الهندسة الكهربائية. أما أومستاتر فهو أستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية والنووية. وعندما لا يكونان مشغولين بتسريع الجسيمات بليزرات شديدة، تجدهما يتسارعان على منحدرات التزلج، حتى يصلا إلى سرعات «فائقة».

مراجع للاستزادة
Terawatt Lasers Produce Faster Electron Acceleration. D. Umstadter in Laser Focus World, pages 101-104; February 1996.
Ultrahigh-Intensity Lasers: Physics of the Extreme on a Tabletop. G. A. Mourou, C. P. J. Barty and M. D. Perry in Physics Today, Vol. 51, No. i, pages 22-28; January 1998.
Review of Physics and Applications of Relativistic Plasmas Driven by Ultra-Intense Lasers. D. Umstadter in Physics of Plasmas, Vol. 8, No. S, pages 1774-1785; May 2001.
High Field Science Research at the University of Michigan Center for Ultrafast Optical Science:
Scientific American, May 2002
(*) EXTREME LIGHT
(**) The Trick
(***) Relativistic Optics
(****) Overview/ Extreme Light
(*****) [MeV] in a "0 to 60" millimeter
(******) Chirped Pulse Amplification
(*******) Light interacting with matter
(********) The High-Energy Frontier
(*********) Finding and Curing Cancer

(1) سد هوڤر Hoover Dam: سد ضخم أقيم على نهر كولورادو (1931-1936)، يولد نحو 1.5 مليون كيلوواط، ويوفر الطاقة لولايات أريزونا ونيڤادا وجنوب كاليفورنيا.
(2) =femto-second10-15 ثانية .
(3) Tabletop lasers: ليزرات لا تشغل أكثر من سطح مكتب أو طاولة.
(4) يقصد بها العلوم العالية التكلفة والطاقة التي تشارك بها مجموعات كبيرة من العلماء، كما في المسرعات الضخمة. (التحرير)
(5) الموجات التي تظهر خلف سفينة أو قارب أثناء حركته.