در این مقاله ابتدا به اصول کار چشمههای نور میپردازیم و به نقش چشمههای نور در صنایع مختلف کشورهای توسعهیافته اشاره خواهیم کرد. در ادامه این مقاله، به بررسی نسلهای مختلف چشمههای نور از زمان تأسیس اولین چشمه نور در 56 سال پیش تا آخرین نسل از چشمههای نور که مبتنی بر لیزرهای الکترون آزاد هستند خواهیم پرداخت. بررسی دلایل اجرایی نشدن طرح ملی چشمه نور ایران از مهمترین بخشهای این مقاله است که در بخش پایانی این مقاله مورد توجه قرار گرفته است. چشمه نور ایران مبتنی بر نسل سوم چشمههای نور در جهان است و حدود 40 سال از فناوری این نسل از چشمههای نور در جهان میگذرد. نظر به این حقیقت که نسل چهارم چشمههای نور در جهان از حدود ۱۰ سال پیش مورد بهرهبرداری عملیاتی قرار گرفتهاند و چشمههای نور نسل پنجم نیز در آینده نزدیک مورد بهرهبرداری قرار خواهند گرفت، ضرورت بازنگری در طرح ملی چشمه نور بیش از پیش وجود دارد. هزینه فعالیت یک چشمه نور با مشخصات چشمه نور ایران در یک سال بیش از 20 میلیون دلار است و از این منظر نیز نباید با نگاه اقتصادی کوتاهمدت یا حتی میانمدت به پروژه چشمه نور ایران نگریست. بر اساس توضیحات مبسوطی که در متن مقاله آورده شده است، جمعبندی موضوع چشمه نور در موارد زیر خلاصه میشود:
1- در حالی که چشمههای نور نسل چهارم در دنیا یکی پس از دیگری در حال ساخت هستند و نسل پنجم چشمههای نور نیز بهزودی مورد بهرهبرداری قرار میگیرند، حرکت به سمت ساخت یک شتابدهنده نسل سوم یک اشتباه راهبردی است. هزینه نگهداری چشمههای نور نسل سوم بیش از ۲۰ میلیون دلار در سال تخمین زده میشود. از طرف دیگر، چشمههای نور نسل چهارم هزینه ساخت و نگهداری بیشتری نسبت به نسل سوم دارند (مثلاً یک میلیارد دلار هزینه ساخت و ۱۰۰ میلیون دلار هزینه نگهداری سالانه) و با توجه به شرایط اقتصادی کشور در حال حاضر قابلیت اجرا ندارند.
2- بهترین گزینه چشمههای نور برای کشور، نسل پنجم چشمه نور است که مبتنی بر لیزر الکترون آزاد فشرده با طولموج در محدوده پرتوی ایکس است که هزینه ۱۰ برابر کمتر و ابعاد 100 برابر کوچکتر نسبت به نسل چهارم چشمههای نور دارد.
۳- چشمههای نور نسل پنجم که مبتنی بر لیزرهای الکترون آزاد هستند. پیشبینی میشود که در یک بازه زمانی کمتر از ۱۰ سال فناوری ساخت چشمههای نور نسل پنجم بومیسازی شود.
4- با در نظر گرفتن تجربیاتی که سازمان انرژی اتمی در به ثمر رساندن پروژههای ملی کسب کرده است، پیشنهاد میشود که مدیریت اجرای پروژه فعلی چشمه نور به سازمان انرژی اتمی ایران محول شود و تحت مدیریت این سازمان، کنسرسیومی از شرکتهای خارجی و داخلی تشکیل شود و بخشهایی که امکان ساخت آن در داخل کشور وجود ندارد به شرکتهای خارجی واگذار شود. در این شرایط، پیشبینی میشود که چشمه نور ایران به شرط تأمین اعتبار آن در یک بازه زمانی 5 الی 7 ساله به بهرهبرداری عملیاتی برسد.
انسان از دیرباز به دنبال شناخت طبیعت بوده است و این کنجکاوی ریشه همه اختراعاتی است که در تاریخ چندهزارساله بشر ثبت شده است. یکی از مهمترین اختراعات بشر، ساخت ذرهبین در ۷۵۰ سال پیش بود که موجب افزایش درک انسان از طبیعت شد و به انسانها اجازه داد تا آنچه را که توانایی دیدن آن را نداشتند با جزئیات زیاد ببینند. باتوجهبه این حقیقت که ابعاد تا حدود ۱۰ میکرومتر را میتوان با قویترین ذرهبینها مشاهده کرد، حدود ۴۳۰ سال پیش بود که میکروسکوپ اختراع شد و انسان را قادر ساخت که باکتریهایی با اندازههای ۵۰۰ نانومتر را نیز مشاهده کند.
در ادامه این پیشرفتها، در تاریخ 8 نوامبر 1895 بود که یک دانشمند آلمانی به نام ویلهلم رونتگن برای نخستین بار متوجه شد که با اشعه ایکس میتوان داخل بدن انسان را مرئی کرد. اهمیت تاریخی این اکتشاف و تأثیر شگرفی که در پزشکی مدرن ایجاد کرد موجب شد که شش سال بعد از این اکتشاف، اولین جایزه نوبل فیزیک در سال 1901 به وی اعطا گردد. همچنین روز 8 نوامبر هر سال به نام روز جهانی رادیولوژی نامگذاری شد. اشعه ایکس نوعی تابش الکترومغناطیسی است که بیشتر به دلیل قابلیت نفوذ آن در پوست و عکسبرداری از استخوانها، شناخته شده است. اما اهمیت اشعه ایکس محدود به مرئی کردن داخل بدن نیست و این اشعه به دلیل فرکانس بالایی که دارد قادر است که درون همه ساختارهای مواد از ابعاد بزرگ تا ابعاد نانومتری را نیز مرئی سازد. برای آشکار کردن دنیای وسیع درون یک ماده و بررسی پدیدههای سریع در ساختارهای میکروسکوپی، پرتوهای ایکس قوی و با قدرت نفوذ بالا مورد نیاز است.
چشمههای نور در واقع ابزاری هستند که کارکرد میکروسکوپ و عکسبرداری اشعه ایکس را با هم تلفیق کردهاند و ما را قادر میسازند که با دقت چند آنگستروم از ساختار داخلی اشیا و موجودات نانومتری اطلاع پیدا کنیم. در شکل (1) جایگاه چشمه نور از منظر تاریخ علم به تصویر کشیده است.
شکل (1) جایگاه چشمه نور از دیدگاه تاریخ علم
یک چشمه نور را میتوان بهمثابه میکروسکوپ غولآسایی تلقی کرد که قدرت تفکیک آن ۱۰ هزار برابر میکروسکوپهای معمولی است [1]. چشمه نور در واقع یک آزمایشگاه بزرگ مبتنی بر پرتوی ایکس با توان میلیاردها برابر لامپهای اشعه ایکس تجاری و پزشکی است که ما را قادر میسازد با استفاده از روشهای مختلف ساختارهای با ابعاد کمتر از یک نانومتر را نیز مرئی کنیم و از درون آن اطلاع کامل پیدا کنیم. ویژگیهای منحصر به فرد چشمه نور، از جمله توان بالا، محدوده طیفی وسیع و قابلیت تنظیم طول موج، قابلیتهای تحلیلی قابلتوجهی را برای تحلیل مواد و ساختارهای مختلف ارائه میکند. چشمه نور طیف گستردهای از تکنیکها و روشها را ارائه میدهد. از جمله این قابلیتها میتوان موارد زیر را برشمرد:
از حیث کاربرد، بیشترین موارد کاربرد چشمه نور سنکروترونی در فیزیک ماده چگال، علم مواد، زیستشناسی و پزشکی گزارش شده است. در این میان، بیشترین کاربرد چشمه نور در تحقیقات پزشکی و دارویی است. شدت بالای پرتوی اشعه ایکس در چشمه نور امکان مطالعه مکانیسمهای بیماری، تصویربرداری با وضوح بالا و پیشرفت در میکروبیولوژی و پرتودرمانی سرطان را فراهم میکند. برای درک بهتر ویژگیهای منحصربهفرد چشمه نور، در شکل (۲) تفاوت بین عکسبرداری از ویروس کرونا با استفاده از پرتوی الکترونی و عکسبرداری از ویروس کرونا با استفاده از تابش سنکروترونی نشان داده شده است. همانطور که در این شکل قابلمشاهده است، با استفاده از SEM و TEM تنها میتوان به شکل ظاهری ویروسها و ساختارهای نانومتری پی برد. این در حالی است که عکسبرداری با استفاده از تشعشعات سنکروترونی (همان چشمه نور) منجر به شناخت ما از ساختار سهبعدی درون ویروسها و دیگر ساختارهای نانومتری میشود.
شکل (2) مقایسه عکس مبتنی بر پرتوی الکترونی (میکروسکوپ الکترونی) با عکسبرداری پرتوی ایکس (چشمه نور) از ویروس کرونا [2]
مثال دیگری از کاربرد چشمه نور در علم زیستشناسی، توموگرافی اشعه ایکس برای شناسایی شبکه عصبی مغز حیوانات و درک اصول کار سیستم عصبی انسان و سایر موجودات است. شکل (3) جزئیات مربوط به تصویربرداری سهبعدی از شبکه عصبی مغز یک مگس را که با استفاده از چشمه نور به دست آمده است، نشان میدهد. این روش بر اساس تشخیص تضعیف یا تغییر فاز پرتوی ایکس عبوری از نمونه کار میکند. در حالی که در روشهای رادیوگرافی تصاویر فقط برای یک جهت از نمونه اندازهگیری میشود، توموگرافی اشعه ایکس تصاویر را در زوایای مختلف اندازهگیری میکند.
شکل (3) تصویربرداری سهبعدی از کل شبکههای عصبی مغز یک مگس با وضوح فضایی بالا [3]
در قیاس با تحقیقات پزشکی و دارویی، سهم کاربردهای صنعتی چشمه نور چندان زیاد نیست. بهعنوانمثال، برای قویترین چشمه نور دنیا که در کشور ژاپن قرار دارد، سهم کاربردهای صنعتی حدود 20 درصد گزارش شده است [4]. بهعنوان مثالی از کاربرد چشمه نور در صنعت، بررسی کیفیت آلیاژهایی که توسط پرینت سهبعدی فلزات ساخته میشوند از جمله مهمترین کاربردهای صنعتی چشمه نور در علم مواد است. همانطور که در شکل (4) نشان داده شده است، به دلیل شدت بالای تابش سنکروترونی، چگالی نقصهای مواد به طور دقیق ظاهر میشود. منابع پرتوی ایکس معمولی شدت بالایی ندارند و در نتیجه نواقص آلیاژ را نمیتوان شناسایی کرد و درنتیجه آلیاژ مقاوم در برابر خوردگی را نمیتوان بهسادگی کشف کرد.
شکل (4) پرینتر سهبعدی فلزات و استفاده از نقشه فلورسانس اشعه ایکس مواد با هدف بررسی روندهای ریز ساختار فلز [5]، [6]
از نظر تاریخی، تابش سنکروترونی بهعنوان یک محصول جانبی تحقیقات در فیزیک انرژی بالا شناخته میشود. سنکروترونها پیشرفتهترین نوع شتابدهنده ذرات هستند که در دهه 1940 میلادی اختراع شدند. شکل (۵) تصویری از یک شتابدهنده سنکروترونی ساختهشده در دهه 1940 را نشان میدهد [7]. بنابراین، نسل اول چشمههای نور در واقع تابش سنکروترونی شتابدهندههایی بودند که برای مطالعه ذرات بنیادی طراحی شده بودند. این شتابدهندهها تابش سنکروترونی بسیار محدودی را ارائه میکردند و برای استفاده بهعنوان چشمه نور بهینهسازی نشده بودند. به مرور زمان و با افزایش آگاهیها نسبت به قابلیتهای منحصربهفرد نور سنکروترونی برای مطالعه ساختارهای میکرومتری و نانومتری، حدود 20 سال بعد از ساخت اولین سنکروترون، اولین چشمه نور سنکروترونی در سال 1968 در ایالاتمتحده راهاندازی شد [8]. این چشمه نور در واقع نسل دوم چشمههای نور بود که منحصراً برای تابش سنکروترونی طراحی شده بود و برای اولین بار از یک حلقه انبارش برای ذخیره الکترون استفاده میکرد (شکل (6)).
شکل (5) سنکروترون 300 مگا-الکترونولتی در دانشگاه میشیگان در سال 1949
شکل (6) چشمه نور سنکروترونی 240 مگا-الکترونولتی در ویسکانسین-مدیسون در سال 1968
در حال حاضر، بیشتر چشمههای نور جهان جزء نسل سوم چشمههای نور هستند که در آن از دستگاههای الحاقی مانند ویگلر، موجگیر و آهنرباهای خمشی استفاده میشود. این منابع دارای درخشندگی بالاتر و همدوسی فضایی بهتر نسبت به نسلهای قبل از خود هستند. تصویری از چشمه نور انگلستان که یک چشمه نور نسل سوم است در شکل (7) نشان داده شده است [9].
شکل (7) تصویری از یک چشمه نور نسل سوم [۱۰]
به گزارش آژانس بینالمللی انرژی اتمی، در حال حاضر بیش از 60 چشمه نور سنکروترونی و 20 چشمه نور مبتنی بر لیزر الکترون آزاد (FEL) در سراسر جهان فعال است و چشمههای نور دیگری نیز در مرحله ساخت یا برنامهریزی قرار دارد. شکل (۸) توزیع چشمههای نور سنکروترونی در جهان تا سال 2018 را نشان میدهد. همانطور که در شکل دیده میشود، روسیه دو مرکز چشمه نور سنکروترونی دارد. با این وجود، به گفته کارشناسان روسی [11]، چشمههای نور موجود در روسیه برای انجام کارهای پژوهشی نوین کافی نیستند و با نیازهای مدرن مطابقت ندارند. همچنین این کارشناسان بیان میکنند که با توجه به وسعت زیاد کشور روسیه، به چند منبع نور در مناطق مختلف این کشور نیاز است. لازم به ذکر است که رویکرد روسیه در سالهای اخیر تغییر کرده و این کشور اقدام به مشارکت با دیگر کشورهای اروپایی برای ساخت چشمههای نور نسل چهارم کرده است. بهعنوان نمونه، پروژه لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس اروپا (European XFEL) که یک چشمه نور نسل چهارم به شمار میرود و فعالیت خود را از سپتامبر ۲۰۱۷ آغاز کرده است، با مشارکت ۱2 کشور اروپایی از جمله روسیه انجام شد و مرکز آن در ایالت هامبورگ آلمان قرار دارد [12].
شکل (8) توزیع چشمههای نور سنکروترونی در جهان
یک چشمه نور را نسل چهارم در نظر میگیریم، اگر در پارامترهای مهم یک مرتبه بهبود نسبت به نسل کنونی داشته باشد [13]. این پارامترها عبارتاند از: روشنایی، همدوسی و عرض پالس. منبع نور همدوس شتابدهنده خطی (LCLS) اولین چشمه نور نسل چهارم مبتنی بر لیزر الکترون آزاد (FEL) در جهان است که در ژوئن 2010 در دانشگاه استنفورد به بهرهبرداری رسید. این چشمه نور اولین دستگاه لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس سخت نیز به شمار میرود که قادر به تولید پالسهای بسیار کوتاه با شدت بسیار بالا در محدوده طولموجی پرتوهای ایکس است. شدت نور چشمه نور LCLS حدود ۱۰ میلیارد برابر بیشتر از سایر منابع پرتوی ایکس جهان است که نور همدوس در محدوده فرکانسی پرتوی ایکس تولید میکنند. این شتابدهنده دستههای الکترونی با انرژي 5 تا 15 گیگا – الکترونولت و با نرخ تکرار 120 هرتز تولید میکند. شکل (۹) جزئیات بیشتری دررابطهبا ساختار فیزیکی و قابلیتهای منحصربهفرد چشمههای نور نسل چهارم ارائه میکند [14]. با استفاده از منابع نور نسل چهارم، انجام آزمایشهایی که روزها بر روی یک ماشین نسل سوم طول میکشد، فقط در مدت چند دقیقه قابلانجام است.
شکل (9) مشخصات فیزیکی و فنی اولین چشمه نور نسل چهارم در دانشگاه استنفورد [15]
همانطور که در شکل (۱۰) نشان داده شده است، چشمههای نور نسل چهارم در جهان از سال 2009 به بعد در حال راهاندازی هستند. چشمههای نور نسل چهارم کارایی بهمراتب بهتری نسبت به چشمههای نور نسل سوم دارند.
شکل (۱۰) توزیع چشمههای نور نسل چهارم در جهان [16]
امروزه دانشمندان به دنبال راههایی برای کاهش ابعاد شتابدهنده ذرات و کوچکسازی لیزرهای الکترون آزاد هستند. این نسل از چشمههای نور که بهعنوان نسل پنجم شناخته میشوند، دارای توان کمتری نسبت به نسل سوم و چهارم هستند، ولی علاوه بر داشتن ابعاد حدود 100 برابر کوچکتر، قیمتی حدود ۱۰ برابر کمتر از چشمههای نور فعلی خواهند داشت. ابعاد کوچکتر و قیمت پایینتر این نسل از چشمههای نور منجر به استفاده گستردهتر از این آزمایشگاهها توسط محققان خواهد شد و پیشرفتهای علمی بشر را تسریع خواهد بخشید. استفاده از ساختارهای فراماده و یا پالسهای لیزر فوقسریع در محیط پلاسما
و روشی هستند که به مرحله اثبات فناوری رسیدهاند و در طی سالهای آینده بهطور عملیاتی مورد بهرهبرداری
قرار خواهند گرفت (شکل ۱۱).
شکل (11) استفاده از متامتریال برای کاهش ابعاد شتابدهنده ذرات
همانطور که در شکل (۱۲) نشان داده شده است، یکی از مهمترین کاربردهای لیزرهای الکترون آزاد، استفاده از این سامانهها در سیستمهای پدافند هوایی است. نیروی دریایی ایالات متحده «هزینه هر شلیک» سیستم پدافند لیزری را کمتر از یک دلار تخمین میزند. این در حالی است که موشکهایی که برای دفاع از یک ناو هواپیمابر استفاده میشوند هر کدام 800 هزار دلار تا 15 میلیون دلار قیمت دارند.
شکل (12) استفاده از لیزرهای الکترون آزاد برای سیستمهای پدافند هوایی [17]
به دلیل جایگاه ویژهای که چشمههای نور نسل چهارم مبتنی بر FEL دارند، یک کارگروه تخصصی متشکل از ۱۳ نفر از شناختهشدهترین دانشمندان فعال در عرصه شتابدهنده ذرات و چشمههای نور، در آکادمی ملی علوم آمریکا (NSF) تشکیل شد. این کارگروه، در گزارش پایانی خود در تاریخ 15 سپتامبر 2008 (معادل 25 شهریور ۱۳۸۷) بر اهمیت حرکت به سمت نسل چهارم چشمههای نور مبتنی بر FEL تأکید کردند. به دلیل اهمیت بسیار زیاد این گزارش، ترجمه خلاصه اجرایی این گزارش در ادامه بهطور کامل آورده شده است [18]:
منابع پرتو ایکس همدوس با پالسهای بسیار کوتاه و درخشندگی فوقالعاده بالا (بهاصطلاح منابع نسل چهارم) دارای ویژگیهایی هستند که بسیار فراتر از منابع پرتو ایکس فعلی هستند. ویژگیهای لیزر – مانند این منابع جدید نوید گشودن مرزهای علمی جدیدی مانند تصویربرداری بدون لنز و دینامیک و طیفسنجی فوقسریع را میدهد. کاربردهای این فناوری طیف وسیعی از شاخههای علوم و مهندسی را در بر میگیرد. علاقه شدید و جهانی به توسعه این نسل از چشمههای نور بهویژه در اروپا و ژاپن وجود دارد و ایالات متحده باید در این دوره جدید با شدت بیشتری حرکت کند. تأسیسات چشمه نور مستقر در دانشگاهها که با پشتیبانی آکادمی ملی علوم راهاندازی شدهاند نقشی حیاتی در زمینه آموزشوپرورش نسل بعدی دانشمندان و مهندسان ایفا کردهاند.
توسعه چشمههای نور مستقر در دانشگاهها که در حال حاضر موردبحث قرار گرفتهاند، مانند شتابدهنده خطی بازیابی انرژی (ERL) و لیزر الکترون آزاد با اشعه ایکس نرم (XFEL) نقش مهمی در تحقق فرصتهای ارائه شده توسط منابع نسل چهارم دارند. این کارگروه توصیه میکند که آکادمی ملی علوم نقش سرپرستی در طراحی، ساخت و بهرهبرداری از منابع نوری نسل چهارم دانشگاهی ایفا کند. در واقع، دنبالکردن علمی که به فوتونهای اشعه ماورا بنفش خلأ / اشعه ایکس نرم (مانند نورگسیلی و فناوری نانو) یا فوتونهای پرتو ایکس سخت (مانند پراکندگی مغناطیسی و کریستالوگرافی) نیاز دارد، ممکن است به دو منبع نسل چهارم بهینه شده جداگانه نیاز داشته باشد.
سرپرستی آکادمی ملی علوم باید علم و مهندسی گستردهای را پیادهسازی کند و بنابراین باید چندین اداره و بخش را شامل شود. آکادمی ملی علوم باید به طور همزمان فرصتهای قابلتوجهی را برای مشارکت با سایر آژانسهای فدرال مانند وزارت انرژی (DOE) و مؤسسه ملی بهداشت (NIH)، دانشگاهها، دولتهای ایالتی و سایر کشورها بررسی کند. بهرهبرداری از دو مرکز اصلی منبع نور دانشگاه تحت حمایت آکادمی ملی علوم، چشمه سنکروترون انرژی بالا دانشگاه کورنل (CHESS) و مرکز تابش سنکروترون (SRC)، همانطور که در حال حاضر تشکیل شده است، در نهایت تأمین مالی نخواهد شد. این کارگروه تأکید میکند که حفظ تخصص حیاتی در این دو تأسیسات از طریق انتقال به یک مرکز جدید تحت حمایت آکادمی ملی علوم، کلید موفقیت آکادمی ملی علوم است. اگر توده مهمی از افراد عالی از دست بروند، آکادمی ملی علوم نه رؤیاپردازان و طرفداران تأسیسات نسل چهارم را خواهد داشت و نه اعتماد فکری برای تحقق آن.
ازآنجاییکه هدف نهایی منابع نوری نسل بعدی پرداختن به علم تحولآفرین است، جوامع تحقیقاتی کاربران چشمههای نور باید از ابتدا در توسعه مشخصات و طراحی تسهیلات مشارکت داشته باشند. برای کمک به ارتباطات، ادامه برنامههای تحقیقاتی کاربر فعال در جایی که کار تحقیق و توسعه منبع نور نسل بعدی دنبال میشود، سودمند است. علاوه بر این، آکادمی ملی علوم باید همزمان از تحقیقات دانشگاهی در مورد مفاهیم پیشرفته (بهعنوانمثال، چشمههای نور بهاصطلاح “رومیزی”) برای منابع نوری که فراتر از نسل چهارم هستند و در مورد مفاهیمی که از نظر هزینه کمتر هستند و میتواند مکمل
نسل چهارم باشد حمایت کند. منطق این اظهارات و مجموعهای دقیقتر از یافتهها و توصیهها در متن اصلی گزارش
آورده شده است.
پروژه چشمه نور ایران در سال 1388 توسط معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری اسلامی ایران به تصویب رسید و مأموریت اجرای این طرح بزرگ ملی در تاریخ 15 فروردین 1388 طی توافقنامهای به پژوهشگاه دانشهای بنیادی سپرده شد. در این راستا پژوهشگاه دانشهای بنیادی، انجام مطالعات مقدماتی، طراحی و ساخت چشمه نور ملی ایران و بهرهبرداری از آن را در دستور کار خود قرار داده است.
شکل (13) تصویری از روزنامه خراسان مورخ ۸ آذر 1394 [19]
مسئولین اجرایی چشمه نور ایران همواره مسئله عدم تأمین اعتبارات مالی از سوی دولت و مجلس شورای اسلامی را دلیل اصلی توقف این پروژه بیان میکنند. به گفته دکتر جواد رحیقی، مدیر سابق پروژه چشمه نور ایران، 6 سال بعد از آغاز این طرح تنها 1.5 درصد از اعتبارات مورد نیاز پروژه تأمین شده است (شکل (۱۳)). اما بعد از بررسیهای کارشناسی، به نظر میرسد که عدم تأمین اعتبارات پروژه چشمه نور ایران از سوی مجلس شورای اسلامی و دولتها در طی ۱5 سال گذشته دلایل منطقی دارد و این پروژه از ابتدای تصویب خود تا مراحل اجرایی خود دچار نواقصی است که در ادامه به مهمترین آنها اشاره میشود.
مأموریت اجرای این طرح بزرگ ملی در حالی به پژوهشگاه دانشهای بنیادی واگذار شده است که سازمان انرژی اتمی ایران از نظر تجربه مدیریتی و تخصص اجرایی در جایگاه بالاتری نسبت به پژوهشگاه دانشهای بنیادی قرار داشت. دلایل این ادعا را میتوان بهصورت زیر بیان کرد:
بیشتر مراکز علمی و آزمایشگاههای کشور در شهر تهران قرار دارند. از این منظر، طبیعی است که تأسیس آزمایشگاهی به وسعت چشمه نور در شهر تهران توجیه بسیار بیشتری داشت. به نظر میرسد که تمرکززدایی از شهر تهران تنها دلیل تأسیس چشمه نور در شهر قزوین باشد. اما اگر هدف از این موضوع تمرکززدایی از تهران هم بوده باشد، شاید شهرستان پردیس یا شهر کرج گزینه بهتری بهحساب میآمدند. از طرف دیگر، چشمههای نور جزء گرانقیمتترین آزمایشگاههای ملی در همه کشورها هستند و تمهیدات خاصی برای حفاظت از این تجهیزات گرانقیمت در مقابل حملات هوایی در نظر گرفته میشود. چشمه نور ایران گرانقیمتترین مرکز علمی ساخته شده در کشور خواهد بود و از این منظر نیز پدافند هوایی تهران به دلیل گستردگی بیشتر و امکان نفوذ کمتر میتواند سطح بالاتری از امنیت هوایی برای این تأسیسات فراهم کند.
هزینة فعالیت یک چشمه نور سنکروترونی بیش از 20 میلیون دلار در سال برآورد میشود و زمانی که به طور مداوم از چشمه نور استفاده شود این رقم حدود 27 میلیون دلار در سال تخمین زده میشود که تقریباً معادل ۱۰٪ هزینهی اجرای پروژه است. کارگروه تخصصی چشمه نور در بنیاد ملی علوم آمریکا بیان میکند [18]: »هزینههای عملیاتی برای تأسیسات چشمه نور آینده به طور قابلملاحظهای بیشتر از هزینههای عملیاتی فعلی برای تأسیسات سنکروترون بنیاد ملی علوم خواهد بود. این هزینهها در آینده احتمالاً 30 تا 50 میلیون دلار در سال یا بیشتر خواهد بود«. در نتیجه، از منظر اقتصادی نیز نمیتوان با نگاه کوتاهمدت و یا حتی میانمدت به پروژه چشمه نور نگریست. مطالعات دیگر کشورها در رابطه با تأثیرات بلندمدت اقتصادی و هزینه/فایده چشمه نور نشان میدهد که این تأسیسات برای کشور سودآور است، هرچند که به میزان این سودآوری اشارهای نشده است [20].
بر اساس مطالعات صورتگرفته بر روی گانت چارت پروژه چشمه نور ایران و با استناد به اطلاعاتی که بهصورت عمومی نشر داده شده است میتوان دریافت که در گانت پروژه چشمه نور، اصول تحقیقات صنعتی رعایت نشده است. بدون دستیابی به سطح آمادگی مطلوب برای هر یک از فناوریهای مورداستفاده در چشمه نور نمیتوان اقدام به طراحی تفصیلی کرد. برای توضیح بیشتر، سطح آمادگی فناوری روشی برای توصیف بلوغ یک فناوری از ابتداییترین تحقیقات (TRL1) تا عملیات در مقیاس کامل در دنیای واقعی (TRL9) است. بسیاری از زیرسیستمهای مهم فناوریهای مورداستفاده در چشمه نور در مراحل اولیه تحقیقاتی و اثبات فناوری قرار دارد و حتی به TRL6 هم نرسیده است. در نتیجه طراحان نمیتوانند بدون اطلاع از جزئیات فنی هر یک از زیرسامانهها اقدام به طراحی سامانه اصلی کنند. حتی با پشتیبانی مستمر تحقیق و توسعه، بسیاری از فناوریهای چشمه نور دههها طول میکشد تا به بلوغ مطلوب برسند.
یکی از دلایل اصلی توقف پروژه چشمه نور، عدم تفکیک مراحل تحقیق و توسعه از پروژه اصلی چشمه نور است. این تصور غلط در بین مدیران ارشد طرح چشمه نور وجود دارد که با تأسیس چشمه نور در ایران، شرکت های دانشبنیان زیادی شکل میگیرد [19]. اصولاً شرکتهای دانشبنیان در یک فرآیند تکامل تدریجی و با بودجههای پژوهشی اندک کار خود را آغاز میکنند و بهتدریج پروژههای بزرگتر و حساستری را انجام میدهند. در نتیجه، قبل از ورود به عرصه ساخت شتابدهندهها و طراحی مفهومی و تفصیلی آن، لازم است که حداقل 5 سال زمان صرف تشکیل هستههای فناور با ثبات و شرکتهای دانشبنیان شود. ایران در حالی سرمایهگذاری 300 میلیون دلاری برای ساخت شتابگر ملی را تصویب کرده است که کشورهای دیگر (مثل هند و پاکستان) با ارقام بسیار کمتری کار تحقیق و پژوهش در عرصه چشمههای نور را شروع کردهاند. مثلاً پاکستان با سرمایهگذاری ۱۰ میلیون دلاری و هند با سرمایهگذاری 50 میلیون دلاری، مراحل تحقیقات اولیه برای ساخت چشمه نور خود را آغاز کردهاند.
در ابتدای این مقاله به اصول فیزیکی حاکم بر چشمه نور و اهمیت راهبردی آن در توسعه علمی کشورها پرداخته شد. در ادامه مقاله، تاریخچه مختصری از تأسیس چشمههای نور در دنیا ارائه شد. نسل چهارم و پنجم چشمههای نور که مبتنی بر لیزر الکترون آزاد هستند در ادامه مقاله تشریح شد و ضرورت دستیابی به فناوری آنها تشریح شد. در بخش پایانی مقاله، دلایل پیشروی کُند پروژه چشمه نور ایران و عدم تمایل دولت و مجلس شورای اسلامی به حمایت از این طرح ملی تشریح شد. بر اساس مباحثی که پیشتر در متن مقاله به آن اشاره شد، میتوان جمعبندی زیر را انجام داد:
1) در پروژه ملی چشمه نور ایران مطالعات اولیه کافی صورت نگرفته است و در انتخاب نسل چشمه نور و محل تأسیس آن ملاحظات لازم صورت نگرفته است. مراحل تحقیق و توسعه بر روی زیرسامانههای چشمه نور که میبایستی قبل از اجرای پروژه اصلی صورت میگرفت، بهدرستی برنامهریزی و پیادهسازی نشده است و ملاحظات مربوط به سطح بلوغ فناوری (TRL) در گانت پروژه چشمه نور ایران در نظر گرفته نشده است.
2) پژوهشگاه دانشهای بنیادی که از سال 1388 تاکنون مأموریت اجرای طرح را بر عهده دارد، تجربه و زیرساخت لازم برای مدیریت اجرای پروژهای با وسعت چشمه نور ایران را ندارد و تنها میتواند بهعنوان کاربر چشمه نور و در نقش مشاور طراحی در کنار مجری پروژه ایفای نقش کند.
3) با بررسیهایی که در مجموعههای علمی و تحقیقاتی کشور صورت گرفت، سازمان انرژی اتمی صلاحیت لازم برای اجرای پروژه چشمه نور ایران را دارند.
4) لیزرهای الکترون آزاد با ابعاد کوچک و با قابلیت جابجایی، نسل پنجم چشمههای نور خواهند بود و در حال حاضر تحقیقات گستردهای در سطح بینالمللی روی این نسل از چشمههای نور در حال انجام است. پیشنهاد میشود که تحقیق و توسعه برای ساخت این نوع لیزرهای الکترون آزاد در دستور کار قرار گیرد تا امکان بهرهمندی جامعه دانشگاهی از قابلیتهای منحصر به فرد چشمههای نور نیز فراهم گردد.
5) یکی از مهمترین جنبههای استفاده از چشمه نور، تربیت نیروی انسانی متخصص و زیرساخت نرمافزاری مورد نیاز برای بهرهبرداری از چشمه نور برای انجام کارهای تحقیقاتی است. پیشنهاد میشود که همزمان با انجام تحقیقات در حوزه ساخت اجزای سختافزاری چشمه نور، بحث توسعه نرمافزارهای مورد نیاز و همچنین آموزش و تربیت نیروی انسانی ماهر برای بهرهبرداری از آن مورد توجه قرار گیرد.
منابع
| [1] https://www.light2015.org/Home/LearnAboutLight/Lightsources-of-the-world.html. |
| [2] L. Zhang et al. “Crystal structure of SARS-CoV-2 main protease provides a basis for design of improved α-ketoamide inhibitors”, Science, 10.1126/science.abb3405 (2020). |
| [3] An-Lun Chin, et al. “A synchrotron X-ray imaging strategy to map large animal brains”, Chinese Journal of Physics, Volume 65 (2020). |
| [4] Osamu Shimomura, “A Long History of Japanese Synchrotron Radiation Research” Institute of Materials Structure Science, KEK, Ibaraki-ken, Japan (2011). |
| [5] https://www.metal-am.com/research-shows-synchrotron-x-rays-may-improve-additively-manufactured-316l. |
| [6] Hahn Choo, Effect of laser power on defect, texture, and microstructure of a laser powder bed fusion processed 316L stainless steel, Materials & Design, Volume 164 (2019). |
| [7] https://en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron. |
| [8] https://en.wikipedia.org/wiki/Synchrotron_Radiation_Center. |
| [9] https://www.iaea.org/topics/nuclear-science/nuclear-research/accelerators/synchrotrons. |
| [10] Antonella Balerna, “Introduction to Synchrotron Radiation”, INFN – Frascati National Laboratory – LTL (2014). |
| [11] A.M. Batrakov et. al, Siberian circular photons source, XXVI Russian Particle Accelerator Conference, RuPAC-2018, October 1–5 2018. Protvino. Moscow Region. Russia. |
| [12] https://www.xfel.eu/organization/partner_countries/index_eng.html. |
| [13] H. Winick, “FOURTH GENERATION LIGHT SOURCES,” Stanford Linear Accelerator Center, IEEE (1998). |
| [14] https://agenda.infn.it/event/8141/contributions/71404/attachments/51925/61311/Balerna_1.pdf. |
| [15] https://portal.slac.stanford.edu/sites/lcls_public/Pages/Default.aspx. |
| [16] Aymeric ROBERT, “Free Electron Lasers: Novel X-ray Light Sources for Science Discoveries” 2018 National School on Neutron & X-ray Scattering, Argonne Nat. Lab. 07/2018. |
| [17] https://www.nextbigfuture.com/2016/03/us-navy-plans-for-scaling-free-electron.html. |
| [18] Light Source Panel Report, National Science Foundation (https://www.nsf.gov/attachments/109807/public/LightSourcePanelFinalReport9-15-08.pdf). |
| [19] http://khorasannews.com/newspaper/page/19132/11/12397/0. |
| [20] https://www.biocat.cat/en/interviews/anyone-who-studies-small-structures-will-find-synchrotron-light-incomparable. |
