نظرة عامة
يعتبر مصدر الضوء المتقدّم مسرعًا للجسيمات يُنتج حزمًا مكثفة من الضوء، من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة السينية الصلبة. يستخدم هذا الضوء لدراسة بنية وخصائص مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك المواد الكيميائية والبيولوجية والفيزيائية. يجذب المرفق باحثين من الجامعات والصناعات والمختبرات الحكومية في جميع أنحاء العالم.
يعمل مصدر الضوء المتقدّم على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، ويوفر ضوءًا عالي الجودة لأكثر من 40 محطة تجريبية، تُعرف باسم “خطوط الحزم”. تستخدم خطوط الحزم هذه مجموعة متنوعة من التقنيات لتحليل المواد، بما في ذلك:
- علم البلورات بالأشعة السينية: لتحديد البنية الذرية للجزيئات.
- التحليل الطيفي: لدراسة التركيب الإلكتروني للمواد.
- المجهر: لتصوير المواد بدقة عالية.
تُستخدم البيانات التي تم جمعها في مصدر الضوء المتقدّم في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك:
- تطوير مواد جديدة: مثل المواد فائقة التوصيل والبلاستيك الحيوي.
- فهم العمليات البيولوجية: مثل كيفية عمل الإنزيمات وكيف تتفاعل الأدوية مع الخلايا.
- دراسة البيئة: مثل كيفية انتقال الملوثات في الهواء والماء.
تاريخ مصدر الضوء المتقدّم
بدأ التخطيط لمصدر الضوء المتقدّم في أوائل الثمانينيات، وبدأ البناء في عام 1987. تم الانتهاء من المرفق في عام 1993، وبدأ التشغيل في ذلك العام. منذ ذلك الحين، أصبح مصدر الضوء المتقدّم مرفقًا رئيسيًا للبحث العلمي، وقد ساهم في العديد من الاكتشافات الهامة.
تم تصميم مصدر الضوء المتقدّم ليكون مصدرًا للضوء عالي السطوع، مما يعني أنه ينتج كمية كبيرة من الضوء في مساحة صغيرة. يتحقق ذلك باستخدام سلسلة من المغناطيسات لتوجيه حزمة من الإلكترونات حول مسار دائري. عندما تتحرك الإلكترونات حول الدائرة، فإنها تبعث ضوءًا. يتم تجميع الضوء ثم توجيهه إلى خطوط الحزم.
على مر السنين، خضع مصدر الضوء المتقدّم للعديد من الترقيات. في عام 2001، تمت إضافة مصدر حقن جديد، مما زاد من سطوع الضوء. في عام 2013، تم الانتهاء من ترقية رئيسية، مما أدى إلى تحسين أداء خطوط الحزم وزيادة عدد خطوط الحزم المتاحة.
العلوم في مصدر الضوء المتقدّم
يُستخدم مصدر الضوء المتقدّم لإجراء مجموعة واسعة من البحوث العلمية. تشمل بعض المجالات الرئيسية للبحث ما يلي:
- علم المواد: يستخدم مصدر الضوء المتقدّم لدراسة بنية وخصائص المواد، مثل المعادن والسيراميك والبوليمرات. هذه المعلومات ضرورية لتطوير مواد جديدة ذات خصائص محسنة. على سبيل المثال، تم استخدام مصدر الضوء المتقدّم لتطوير مواد فائقة التوصيل ذات درجات حرارة انتقالية أعلى، مما قد يؤدي إلى تطبيقات جديدة في تخزين الطاقة والنقل.
- علم الأحياء: يستخدم مصدر الضوء المتقدّم لدراسة بنية ووظيفة الجزيئات البيولوجية، مثل البروتينات والحمض النووي. هذه المعلومات ضرورية لفهم العمليات البيولوجية وتطوير علاجات جديدة للأمراض. على سبيل المثال، تم استخدام مصدر الضوء المتقدّم لتحديد بنية العديد من البروتينات الهامة، بما في ذلك البروتينات المشاركة في السرطان ومرض الزهايمر.
- الكيمياء: يستخدم مصدر الضوء المتقدّم لدراسة التفاعلات الكيميائية وتوصيف الجزيئات. هذه المعلومات ضرورية لتطوير عمليات كيميائية جديدة وتقنيات جديدة لتخليق المواد. على سبيل المثال، تم استخدام مصدر الضوء المتقدّم لدراسة التفاعلات الكيميائية التي تحدث على أسطح المحفزات، مما قد يؤدي إلى تطوير محفزات أكثر كفاءة للتفاعلات الصناعية.
- علوم البيئة: يستخدم مصدر الضوء المتقدّم لدراسة البيئة، مثل كيفية انتقال الملوثات في الهواء والماء. هذه المعلومات ضرورية لحماية البيئة وتطوير تقنيات جديدة لتنظيف التلوث. على سبيل المثال، تم استخدام مصدر الضوء المتقدّم لدراسة كيفية تفاعل الزئبق مع الكائنات الحية في البيئة، مما قد يؤدي إلى تطوير استراتيجيات جديدة للتخفيف من تلوث الزئبق.
- الفيزياء: يستخدم مصدر الضوء المتقدّم لدراسة الخصائص الأساسية للمادة، مثل سلوك الإلكترونات في المواد الصلبة. هذه المعلومات ضرورية لتطوير تقنيات جديدة، مثل الإلكترونيات الأكثر كفاءة والأجهزة المغناطيسية. على سبيل المثال، تم استخدام مصدر الضوء المتقدّم لدراسة سلوك الإلكترونات في المواد فائقة التوصيل، مما قد يؤدي إلى تطوير مواد فائقة التوصيل ذات درجات حرارة انتقالية أعلى.
خطوط الحزم في مصدر الضوء المتقدّم
يضم مصدر الضوء المتقدّم أكثر من 40 خط حزمة، كل منها مُصمم لإجراء نوع معين من التجارب. بعض خطوط الحزم الأكثر شيوعًا تشمل:
- علم البلورات بالأشعة السينية الكبيرة الجزيئات (Macromolecular Crystallography): يستخدم هذا الخط الحزمي لتحديد البنية الذرية للجزيئات الكبيرة، مثل البروتينات والحمض النووي.
- التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية (X-ray Absorption Spectroscopy): يستخدم هذا الخط الحزمي لدراسة التركيب الإلكتروني للمواد.
- المجهر الطيفي للإلكترون الضوئي (Photoemission Electron Microscopy): يستخدم هذا الخط الحزمي لتصوير المواد بدقة عالية.
- تشتت الأشعة السينية الصغيرة الزاوية (Small Angle X-ray Scattering): يستخدم هذا الخط الحزمي لدراسة بنية المواد على نطاق النانو.
- حيود الأشعة السينية المسحوقية (Powder X-ray Diffraction): يستخدم هذا الخط الحزمي لتحديد التركيب البلوري للمواد.
يمكن للباحثين التقدم بطلب للحصول على وقت على خطوط الحزم في مصدر الضوء المتقدّم من خلال عملية مراجعة الأقران التنافسية. يتم تقييم المقترحات بناءً على الجدارة العلمية والأهمية المحتملة للبحث.
مستقبل مصدر الضوء المتقدّم
يخضع مصدر الضوء المتقدّم حاليًا لترقية رئيسية تسمى مشروع ALS-U. سيؤدي هذا المشروع إلى بناء شبكة مغناطيسية جديدة ستزيد من سطوع الضوء بمقدار يصل إلى 100 مرة. سيمكن هذا الباحثين من إجراء تجارب أكثر تعقيدًا واستكشاف مواد وظواهر جديدة.
من المتوقع أن يكتمل مشروع ALS-U في عام 2027. بمجرد الانتهاء منه، سيظل مصدر الضوء المتقدّم مرفقًا رائدًا للبحث العلمي لعقود قادمة.
خاتمة
يعد مصدر الضوء المتقدّم مرفقًا بحثيًا بالغ الأهمية يوفر أدوات لا تقدر بثمن للعلماء في مجموعة واسعة من التخصصات. من خلال إنتاج حزم ضوئية مكثفة، يمكّن مصدر الضوء المتقدّم الباحثين من دراسة بنية وخصائص المواد بدقة غير مسبوقة، مما يؤدي إلى اكتشافات واختراقات في مجالات مثل علم المواد وعلم الأحياء والكيمياء وعلوم البيئة. مع استمرار الترقية والتطوير، سيظل مصدر الضوء المتقدّم في طليعة البحث العلمي لعقود قادمة.