Synkrotron

Egenskaper

Synkrotronen är en förbättring jämfört med cyklotronen där partiklarna rör sig i ett spiralmönster. En cyklotron använder ett konstant magnetfält och ett elektriskt fält med konstant frekvens. (I synkrocyklotronen varieras en av dessa.) Båda dessa fält varieras i synkrotronen för att ändra banan från en spiral till en cirkel. Genom att försiktigt göra fälten större när partiklarna får mer energi kan man hålla den cirkulära banans bredd oförändrad när maskinen accelererar partiklarna. Detta gör att vakuumkammaren för partiklarna kan vara en stor tunn cirkulär rörtorus (donutformad). Det är lättare att använda några raka sektioner mellan böjningsmagneterna och några böjda sektioner inom magneterna, vilket ger torusen formen av en polygon med runda hörn. En bana som fungerar som en mycket stor cirkel kan konstrueras med hjälp av enkla raka och böjda rörsegment, till skillnad från den skivformade kammaren i anordningar av cyklotrontyp. Formen kräver också att man använder flera magneter för att böja partikelstrålarna. Raka sektioner krävs på avstånd runt en ring för båda radiofrekvenskaviteterna, och i tredje generationens uppställningar ges utrymme för insättning av energiutvinningsanordningar såsom wigglers och undulatorer. De flesta synkrotroner använder två typer av magneter: dipolmagneter för att böja partikelstrålen och kvadrupolmagneter för att fokusera strålen.

Den maximala energi som en cyklisk accelerator kan överföra begränsas vanligtvis av magnetfältets styrka och partikelbanans minsta radie (maximal krökning). Så med tiden har fysikerna byggt acceleratorer med större magneter och större cirklar för att nå högre partikelenerginivåer.

I en cyklotron är den maximala radien ganska begränsad eftersom partiklarna börjar i centrum och spiralformar sig utåt. Därför måste hela banan vara en självbärande skivformad vakuumkammare. Eftersom radien är begränsad begränsas maskinens effekt av magnetfältets styrka. När det gäller en vanlig elektromagnet begränsas fältstyrkan av kärnans mättnad (när alla magnetiska domäner är uppradade på samma sätt kan fältet inte ökas ytterligare i någon praktisk utsträckning). Anordnandet av ett enda par magneter över hela anordningens bredd begränsar också anordningens ekonomiska storlek.

Synkrotroner övervinner dessa begränsningar genom att använda ett smalt strålrör som kan omges av mycket mindre och mer fokuserade magneter. Anordningens förmåga att accelerera partiklar begränsas av att partiklarna måste vara laddade för att överhuvudtaget kunna accelerera, men laddade partiklar under acceleration avger fotoner (ljuspartiklar), vilket gör att de förlorar energi. Den begränsande strålenergin uppnås när den energi som går förlorad genom den sidoacceleration (böjning) som krävs för att hålla strålbanan i en cirkel är lika stor som den energi som tillförs varje cykel. Kraftfullare acceleratorer byggs genom att använda banor med stor radie och genom att använda fler och kraftfullare mikrovågshålor för att accelerera partikelstrålen mellan hörnen. Lättare partiklar (t.ex. elektroner) förlorar en större del av sin energi när de svänger. I praktiken begränsas energin i elektron-/positronacceleratorer av denna strålningsförlust, medan den inte spelar någon större roll för dynamiken i proton- eller jonacceleratorer. Energin i dessa är strikt begränsad av magneternas styrka och av kostnaden.

 
Interiören i den australiensiska synkrotronanläggningen. Den dominerande bilden är lagringsringen, som visar den optiska diagnostiska strålinjen längst fram till höger. I mitten av lagringsringen finns booster-synkrotronen och linacen.  

Utformning och drift

Partiklar sprutas in i huvudringen vid betydande energier antingen av en linjäraccelerator (linac) eller av en mellanliggande synkrotron som i sin tur matas av en linjär accelerator. "Linac" matas i sin tur av partiklar som accelereras till mellannivåer av en enkel högspänningsmatning, vanligtvis en Cockcroft-Walton-generator.

Partiklarna är utformade för att lämna linacen med en viss hastighet ("injektionshastighet") för att komma in i synkrotronen. Operatörerna beräknar den magnetfältsstyrka som behövs för att styra partiklar med injektionshastigheten på synkrotronens bana. Operatörerna ger elektromagneterna tillräckligt med ström för att skapa den rätta magnetfältsstyrkan.

Med utgångspunkt i den ursprungliga magnetfältstyrkan ökas sedan magnetfältet. Partiklarna passerar genom en elektrostatisk accelerator som drivs av en hög växelspänning. Vid partikelhastigheter som inte ligger nära ljusets hastighet kan frekvensen av accelerationsspänningen göras ungefär proportionell mot strömmen i böjningsmagneterna. En finare reglering av frekvensen utförs av en servoslinga som reagerar på upptäckten av när den resande partikelgruppen passerar. Vid partikelhastigheter som närmar sig ljusets hastighet blir frekvensen nästan konstant, medan strömmen i böjmagneterna fortsätter att öka. Den maximala energi som kan tillföras partiklarna (för en given ringstorlek och ett givet antal magneter) bestäms av mättnaden i böjningsmagneternas kärnor (den punkt där en ökad ström inte ger upphov till ytterligare magnetfält). Ett sätt att få ytterligare energi är att göra torusen större och lägga till ytterligare böjningsmagneter. Detta gör att partikelomdirigeringen vid mättnad blir mindre och att partiklarna kan bli mer energirika. Ett annat sätt att få högre effekt är att använda supraledande magneter som inte begränsas av kärnans mättnad.

När partiklarna har nått sin maximala energi styrs de ut ur synkrotronen och riktas mot ett mål. Tidiga synkrotroner använde stationära mål. För att fördubbla energin i en kollision började fysikerna på 1970-talet att låta två partikelstrålar som färdades i motsatt riktning kollidera i stället för bara en stråle och ett stationärt mål. För att få två strålar som färdas i synkroniseringen i motsatt riktning använde de partiklar med samma massa men med motsatt tecken. Till exempel elektroner och positroner eller protoner och antiprotoner.

 

Stora synkrotroner

En av de tidiga stora synkrotronerna, som nu har tagits ur bruk, är Bevatron, som byggdes 1950 vid Lawrence Berkeley Laboratory. Namnet på denna protonaccelerator kommer från dess kraft, i storleksordningen 6,3 GeV (som då kallades BeV för miljard elektronvolt; namnet föregick antagandet av SI-prefixet giga-). Ett antal tunga grundämnen, som inte har setts i den naturliga världen, skapades först med denna maskin. På denna plats finns också en av de första stora bubbelkammare som användes för att undersöka resultaten av de atomkollisioner som maskinen åstadkom.

En annan tidig stor synkrotron är Cosmotron som byggdes vid Brookhaven National Laboratory och som nådde 3,3 GeV 1953. Den första synkrotronen vid Cornell University byggdes före 1950 med en effekt på 300 MeV.

Fram till augusti 2008 var Tevatron vid Fermi National Accelerator Laboratory i USA den mest energirika synkrotronen i världen. Den accelererar protoner och antiprotoner till något mindre än 1 TeV rörelseenergi och kolliderar dem med varandra. Large Hadron Collider (LHC), som har byggts vid Europeiska laboratoriet för högenergifysik (CERN), har ungefär sju gånger denna energi (så proton-protonkollisioner sker vid ungefär 14 TeV). Den är inrymd i den 27 km långa tunnel som tidigare rymde LEP-collider (Large Electron Positron Collider), så den kommer att behålla anspråket på att vara den största vetenskapliga anordning som någonsin byggts. LHC kommer också att accelerera tunga joner (t.ex. bly) upp till en energi på 1,15 PeV.

Den största anordningen av denna typ som på allvar föreslogs var den supraledande superkollideraren (SSC) som skulle byggas i Texas. I denna konstruktion, liksom i andra, användes supraledande magneter som gör det möjligt att skapa intensivare magnetfält utan de begränsningar som en mättad kärna innebär. Dess planerade ringomkrets var 87,1 kilometer (54,1 mi) med en energi på 20 TeV per protonstråle. Konstruktionen påbörjades 1991 men avbröts senare 1994. Projektet hade förvaltats på ett dåligt sätt. Vissa menar att slutet av det kalla kriget ledde till en förändring av prioriteringarna för vetenskaplig finansiering som bidrog till att projektet slutligen avbröts.

Även om det fortfarande finns potential för ännu kraftfullare cykliska acceleratorer för protoner och tunga partiklar, verkar det som om nästa steg uppåt i elektronstrålens energi måste undvika förluster på grund av synkrotronstrålning. Detta kommer att kräva en återgång till den linjära acceleratorn, men med anordningar som är betydligt längre än de som för närvarande används. För närvarande pågår en stor satsning på att konstruera och bygga den internationella linjära kollideraren (ILC), som kommer att bestå av två motsatta linjära acceleratorer, en för elektroner och en för positroner. Dessa kommer att kollidera med en total masscentrumenergi på 0,5 TeV.

Synkrotronstrålning har dock också ett brett användningsområde (se synkrotronljus) och många andra och tredje generationens synkrotroner har byggts särskilt för att utnyttja den. De största av dessa tredje generationens synkrotronljuskällor är European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Grenoble, Frankrike, Advanced Photon Source (APS) nära Chicago, USA, och SPring-8 i Japan, som accelererar elektroner upp till 6, 7 respektive 8 GeV.

Synkrotroner som är användbara för spetsforskning är stora maskiner som kostar tiotals eller hundratals miljoner dollar att bygga, och varje strålinje (det kan finnas 20-50 stycken vid en stor synkrotron) kostar i genomsnitt ytterligare två eller tre miljoner dollar. Dessa anläggningar byggs oftast av de vetenskapliga finansieringsorganen i industriländernas regeringar, eller genom samarbete mellan flera länder i en region, och drivs som infrastrukturanläggningar som är tillgängliga för forskare från universitet och forskningsorganisationer i hela landet, regionen eller världen. Mer kompakta modeller har dock utvecklats, t.ex. den kompakta ljuskällan.

 
Moderna synkrotroner i industriell skala kan vara mycket stora (här Soleil nära Paris).  

Förteckning över anläggningar

Synkrotron	Plats och land	Energi (GeV)	Omkrets (m)	Beställd	Avvecklad
Avancerad fotonkälla (APS)	Argonne National Laboratory, USA	7.0	1104	1995
ALBA	Cerdanyola del Vallès nära Barcelona, Spanien	3	270	2010
Tantalus	Madison, Wisconsin, USA	.2	9.38	1968	1995
ISIS	Rutherford Appleton Laboratory, Storbritannien	0.8	163	1985
Australisk synkrotron	Melbourne, Australien	3	216	2006
ANKA	Karlsruhe Institute of Technology, Tyskland	2.5	110.4	2000
LNLS	Campinas, Brasilien	1.37	93.2	1997
SESAME	Allaan, Jordanien	2.5	125	Under design
Bevatron	Lawrence Berkeley Laboratory, USA	6	114	1954	1993
Birmingham synkrotron	University of Birmingham, Storbritannien	1	-	1953
Avancerad ljuskälla	Lawrence Berkeley Laboratory, USA	1.9	196.8	1993
Cosmotron	Brookhaven National Laboratory, USA	3	72	1953	1968
Nationella synkrotronljuskällan	Brookhaven National Laboratory, USA	2.8	170	1982
Nimrod	Rutherford Appleton Laboratory, Storbritannien	7		1957	1978
Synkrotron med växlande gradient (AGS)	Brookhaven National Laboratory, USA	33	800	1960
Stanford synkrotronstrålning ljuskälla	SLAC National Accelerator Laboratory, USA	3	234	1973
Centrum för synkrotronstrålning (SRC)	Madison, USA	1	121	1987
Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS)	Cornell University, USA	5.5	768	1979
Soleil	Paris, Frankrike	3	354	2006
Shanghais synkrotronstrålningsanläggning (SSRF)	Shanghai, Kina	3.5	432	2007
Protonsynkrotron	CERN, Schweiz	28	628.3	1959
Tevatron	Fermi National Accelerator Laboratory, USA	1000	6300	1983	2011
Schweizisk ljuskälla	Paul Scherrer-institutet, Schweiz	2.8	288	2001
Stora Hadron Collider (LHC)	CERN, Schweiz	7000	26659	2008
BESSY II	Helmholtz-Zentrum Berlin i Berlin, Tyskland	1.7	240	1998
Europeiska synkrotronstrålningsanläggningen (ESRF)	Grenoble, Frankrike	6	844	1992
MAX-I	MAX-lab, Sverige	0.55	30	1986
MAX-II	MAX-lab, Sverige	1.5	90	1997
MAX-III	MAX-lab, Sverige	0.7	36	2008
ELETTRA	Trieste, Italien	2-2.4	260	1993
Synkrotronstrålningskälla	Daresbury Laboratory, Storbritannien	2	96	1980	2008
ASTRID	Århus universitet, Danmark	0.58	40	1991
Diamantljuskälla	Oxfordshire, Storbritannien	3	561.6	2006
DORIS III	DESY, Tyskland	4.5	289	1980
PETRA II	DESY, Tyskland	12	2304	1995	2007
PETRA III	DESY, Tyskland	6.5	2304	2009
Kanadensisk ljuskälla	University of Saskatchewan, Kanada	2.9	171	2002
SPring-8	RIKEN, Japan	8	1436	1997
KEK	Tsukuba, Japan	12	3016
Nationellt centrum för forskning om synkrotronstrålning	Hsinchu Science Park, Taiwan	3.3	518.4	2008
Forskningsinstitutet för synkrotronljus (SLRI)	Nakhon Ratchasima, Thailand	1.2	81.4	2004
Indus 1	Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore, Indien	0.45	18.96	1999
Indus 2	Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore, Indien	2.5	36	2005
Synkrofasotron	JINR, Dubna, Ryssland	10	180	1957	2005
U-70 synkrotron	Institutet för högenergifysik, Protvino, Ryssland	70		1967
CAMD	LSU, Louisiana, USA	1.5	-	-
PLS	PAL, Pohang, Korea	2.5	280.56	1994

• Observera: När det gäller kolliderare är den angivna energin ofta dubbelt så stor som den som visas här. Tabellen ovan visar energin för en stråle, men om två motsatta strålar kolliderar rakt mot varandra är masscentrumenergin dubbelt så stor som den angivna strålenergin.

 

Applikationer

• Biovetenskap: kristallografi av proteiner och stora molekyler.
• LIGA-baserad mikrotillverkning
• Upptäckt och forskning om läkemedel
• "Bränna" design av datachip i metallplattor.
• Analysera kemikalier för att bestämma deras sammansättning.
• Observera hur levande celler reagerar på läkemedel.
• Kristallografi och mikroanalys av oorganiska material
• Fluorescensstudier
• Analys av halvledarmaterial och strukturstudier
• Analys av geologiskt material
• Medicinsk avbildning
• Protonterapi för att behandla vissa former av cancer

 

Relaterade sidor

• Förteckning över synkrotronstrålningsanläggningar
• Tomografisk synkrotronmikroskopi med röntgenstrålar
• Energiförstärkare
• Supraledande radiofrekvens