Synchrotron
 | Ten artykuł od 2018-09 wymaga zweryfikowania podanych informacji. |
Synchrotron – szczególny typ akceleratora cyklicznego, w którym cząstki są przyspieszane w polu elektrycznym wzbudzanym w szczelinach rezonatorów synchronicznie do czasu ich obiegu. W synchrotronie, tak jak w każdym cyklotronie (akceleratorze cyklicznym) przyspieszane cząstki krążą w polu magnetycznym. W miarę wzrostu energii przyspieszanych cząstek, pole magnetyczne jest zwiększane, by zachować stały promień obiegu cząstek[1].
W synchrotronie można uzyskać energię elektronów do 23 GeV, protonów zaś do 1 TeV. Synchrotronową metodę przyspieszania cząstek podali niezależnie w 1944 r. W. I. Weksler i w 1945 E. M. McMillan.
Pierwsze synchrotrony były rozwinięciem koncepcji betatronu, jako akceleratora przyspieszającego cząstki wzrastającym polem magnetycznym. W komorze akceleratora umieszczono dodatkowo elektrody przyspieszające polem elektrycznym. Elektrody były zasilane napięciem przemiennym wielkiej częstotliwości o częstotliwości synchronicznej z czasem obiegu przyspieszanych cząstek.
Przyspieszane cząstki krążą w komorze próżniowej w kształcie pierścienia, po okręgu o stałym promieniu. Rozwiązanie takie umożliwia zmniejszenie wielkości elektromagnesu potrzebnego do zakrzywiania toru cząstek, zwiększenie pola magnetycznego zakrzywiającego tor ruchu oraz zwiększenie promienia toru przyspieszanych cząstek.
W synchrotronach, w których przyspieszane cząstki wykonują setki tysięcy obiegów, zachodzi konieczność nadawania rozpędzanym cząstkom odpowiedniego toru. Gdyby nie podejmowano działań w tym kierunku, jedynie niewielka część z początkowej liczby cząstek dotarłaby do celu. W tym celu kształtuje się odpowiednio pole magnetyczne, początkowo (obecnie tylko w małych akceleratorach) stosowano specjalne ukształtowanie pola zakrzywiającego tor ruchu cząstek i w związku z tym wprowadzono podział akceleratorów na: akceleratory bez gradientu pola, ze stałym gradientem pola, zmiennym gradientem pola.
Obecnie w dużych akceleratorach stosuje się technikę polegającą na rozdzieleniu elementów kształtujących wiązkę i zakrzywiających wiązkę. Między sekcjami zakrzywiającymi tor ruchu, instaluje się sekcje ogniskujące wiązkę oparte zazwyczaj na kwadrupolach.
Duże synchrotrony
Największy na świecie zderzacz cząstek Large Hadron Collider (LHC) jest umiejscowiony w Europejskim Laboratorium Wysokich Energii (CERN). Zderzacz zawiera synchrotron w tunelu o długości 27 km, w którym wcześniej był zainstalowany zderzacz elektronów z antyelektronami Large Electron Positron (LEP).
Do innych znanych synchrotronów, zaliczyć można Tevatron znajdujący się w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), w USA. Przyspiesza on protony i antyprotony do energii ponad 1 TeV (stąd jego nazwa) w celu ich zderzenia; jego obwód wynosi 6,3 km. 29 września 2011 roku Tevatron został wyłączony z użytku.
Zastosowania synchrotronów
Synchrotrony są wykorzystywane do przyspieszania cząstek, które są następnie zderzane. Największe synchrotrony stosowane są do badań podstawowych.
Synchrotrony bezpośrednio lub przyspieszone w nich cząstki są źródłem charakterystycznego promieniowania zwanego promieniowaniem synchrotronowym. Unikalne właściwości tego światła to m.in. ogromna intensywność w wiązce – jest ono miliony razy jaśniejsze od światła, które dociera do Ziemi ze Słońca. Ponadto w zależności od sposobu generowania promieniowanie synchrotronowe może zawierać fale tylko z wąskiego zakresu częstotliwości, jak i szerokiego, częstotliwość jest łatwa do zmiany i może zawierać się od podczerwieni, przez światło widzialne i ultrafiolet aż do światła rentgenowskiego.
Synchrotrony coraz częściej wykorzystuje się do badań materii skondensowanej w naukach przyrodniczych i technicznych, takie jak biologia, chemia, fizyka, inżynieria materiałowa, nanotechnologia, medycyna, farmakologia, geologia czy krystalografia. Wiązki cząstek, jak i światło synchrotronowe pozwalają zajrzeć w głąb materii i dokonać precyzyjnych analiz. Dzięki nim naukowcy mogą badać zarówno skład badanej substancji, jak i jej strukturę. Promieniowanie synchrotronowe stymuluje również procesy zachodzące w materii – wywołuje zmiany w badanych obiektach. Synchrotrony pozwalają również uzyskać w krótszym czasie lepsze wyniki tych badań, które wcześniej były realizowane zwykłymi metodami[2].
Zobacz też
- synchrotron elektronowy
- synchrotron protonowy
- promieniowanie synchrotronowe
- Polskie Towarzystwo Promieniowania Synchrotronowego
- Solaris (synchrotron)
Przypisy
- ↑ Synchrotron, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2021-07-30].
- ↑ dlaczego synchrotrony są wyjątkowe. [dostęp 2019-07-30].
Media użyte na tej stronie
Autor: EPSIM 3D/JF Santarelli, Synchrotron Soleil, Licencja: Attribution
General diagram of Synchrotron Soleil. The outer circular ring is the synchrotron, i.e. a particle accelerator that brings electrons (light blue beam) to very high speeds. The electrons are accelerated by electric fields in the straight sections between green squares. The red rectangles are magnets that bend the beam. When the beam is bent the electrons emit synchrotron radiation (shown in yellow), especially X-rays; these are sent into the various beamlines (the straight lines branching out of the synchrotron). Each beamline contains scientific instruments, experiments etc. and receives an intense beam of radiation.
Fermi National Accelerator Laboratory, Main Ring and Main Injector as seen from the air. The circular ponds dissipate waste heat from the equipment.