Синхротрон — это особый тип циклического ускорителя частиц , произошедший от циклотрона , в котором ускоряющий пучок частиц движется по фиксированной траектории с замкнутым контуром. Магнитное поле , которое изгибает пучок частиц по замкнутому пути, увеличивается со временем в процессе ускорения, синхронизируясь с увеличением кинетической энергии частиц. [1] Синхротрон является одной из первых концепций ускорителей, позволяющих строить крупномасштабные установки, поскольку изгиб, фокусировку луча и ускорение можно разделить на разные компоненты. В самых мощных современных ускорителях частиц используются версии синхротронной конструкции. Самый большой ускоритель синхротронного типа, а также самый большой ускоритель частиц в мире, — это Большой адронный коллайдер (БАК) длиной 27 километров (17 миль) недалеко от Женевы, Швейцария, построенный в 2008 году Европейской организацией ядерных исследований (ЦЕРН). ). [2] Он может ускорять пучки протонов до энергии 13 тераэлектронвольт ( ТэВ или 10 12 эВ).
Принцип синхротрона был изобретен Владимиром Векслером в 1944 году. [3] Эдвин Макмиллан сконструировал первый электронный синхротрон в 1945 году, придя к этой идее самостоятельно, пропустив публикацию Векслера (которая была доступна только в советском журнале, хотя и на английском языке). [4] [5] [6] Первый протонный синхротрон был спроектирован сэром Маркусом Олифантом [5] [7] и построен в 1952 году. [5]
Сегодня используются несколько специализированных типов синхротронных машин:
Синхротрон произошел от циклотрона , первого циклического ускорителя частиц. В то время как классический циклотрон использует как постоянное ведущее магнитное поле , так и электромагнитное поле постоянной частоты (и работает в классическом приближении ), его преемник, изохронный циклотрон , работает за счет локальных изменений ведущего магнитного поля, адаптируясь к увеличивающейся релятивистской массе. частиц при ускорении. [8]
.png/1280px-Cosmotron_(PSF).png)
В синхротроне эта адаптация осуществляется путем изменения напряженности магнитного поля во времени, а не в пространстве. Для частиц, скорость которых не близка к скорости света , частота приложенного электромагнитного поля также может меняться в соответствии с непостоянным временем их обращения. Соответственно увеличивая эти параметры по мере того, как частицы набирают энергию, путь их циркуляции можно поддерживать постоянным при ускорении. Это позволяет вакуумной камере для частиц представлять собой большой тонкий тор , а не диск, как в предыдущих конструкциях компактных ускорителей. Кроме того, тонкий профиль вакуумной камеры позволил более эффективно использовать магнитные поля, чем в циклотроне, что позволило экономично построить синхротроны большего размера. [ нужна цитата ]
В то время как первые синхротроны и накопители, такие как Cosmotron и ADA, строго использовали форму тороида, принцип сильной фокусировки , независимо открытый Эрнестом Курантом и др. [9] [10] и Николас Христофилос [11] позволили полностью разделить ускоритель на компоненты со специализированными функциями вдоль пути частицы, придав этому пути форму многоугольника с закругленными углами. Некоторые важные компоненты включают радиочастотные резонаторы для прямого ускорения, дипольные магниты ( изгибающие магниты ) для отклонения частиц (чтобы закрыть путь) и квадрупольные / секступольные магниты для фокусировки луча. [ нужна цитата ]
Сочетание зависящих от времени направляющих магнитных полей и принципа сильной фокусировки позволило разработать и эксплуатировать современные крупномасштабные ускорительные установки, такие как коллайдеры и источники синхротронного света . Прямые участки замкнутого пути в таких установках необходимы не только для радиочастотных резонаторов, но и для детекторов частиц (в коллайдерах) и устройств генерации фотонов, таких как вигглеры и ондуляторы (в синхротронных источниках света третьего поколения). [ нужна цитата ]
Максимальная энергия, которую может передать циклический ускоритель, обычно ограничивается максимальной силой магнитных полей и минимальным радиусом (максимальной кривизной ) траектории частицы. Таким образом, одним из методов повышения предела энергии является использование сверхпроводящих магнитов , которые не ограничены магнитным насыщением . Ускорители электронов / позитронов также могут быть ограничены излучением синхротронного излучения , что приводит к частичной потере кинетической энергии пучка частиц. Предельная энергия луча достигается, когда энергия, теряемая из-за бокового ускорения, необходимого для поддержания траектории луча по кругу, равна энергии, добавляемой в каждом цикле. [ нужна цитата ]
Более мощные ускорители создаются за счет использования траекторий большого радиуса и использования более многочисленных и мощных микроволновых резонаторов. Более легкие частицы (например, электроны) теряют большую часть своей энергии при отклонении. Практически говоря, энергия ускорителей электронов / позитронов ограничена этими радиационными потерями, в то время как в динамике ускорителей протонов или ионов это не играет существенной роли . Энергия таких ускорителей ограничена строго силой магнитов и стоимостью. [ нужна цитата ]
В отличие от циклотрона, синхротроны не могут ускорять частицы с нулевой кинетической энергией; Одна из очевидных причин этого заключается в том, что замкнутый путь частиц будет перерезан устройством, испускающим частицы. Так были разработаны схемы инжекции предварительно ускоренных пучков частиц в синхротрон. Предварительное ускорение может быть реализовано с помощью цепочки других ускорительных структур, таких как линейный ускоритель , микротрон или другой синхротрон; все они, в свою очередь, должны питаться от источника частиц, включающего простой источник питания высокого напряжения, обычно генератор Кокрофта-Уолтона . [ нужна цитата ]
Начиная с соответствующего начального значения, определяемого энергией инжекции, затем увеличивают напряженность поля дипольных магнитов . Если частицы высокой энергии испускаются в конце процедуры ускорения, например, в мишень или в другой ускоритель, напряженность поля снова снижается до уровня инжекции, начиная новый цикл инжекции . В зависимости от используемого метода управления магнитом временной интервал одного цикла может существенно различаться в разных установках. [ нужна цитата ]
Одним из первых больших синхротронов, ныне вышедших на пенсию, является Беватрон , построенный в 1950 году в лаборатории Лоуренса Беркли . Название этого ускорителя протонов происходит от его мощности в диапазоне 6,3 ГэВ (тогда называемого БэВ, обозначающего миллиард электрон-вольт ; это название появилось до принятия префикса SI гига- ). С помощью этой машины впервые был создан ряд трансурановых элементов , ранее не встречавшихся в природе. На этом месте также находится одна из первых больших пузырьковых камер , использовавшихся для изучения результатов возникающих здесь атомных столкновений. [ нужна цитата ]
Еще одним ранним крупным синхротроном является Космотрон , построенный в Брукхейвенской национальной лаборатории, который в 1953 году достиг энергии 3,3 ГэВ [12].
Среди немногих синхротронов в мире 16 расположены в США. Многие из них принадлежат национальным лабораториям; немногие из них расположены в университетах. [ нужна цитата ]
До августа 2008 года самым высокоэнергетическим коллайдером в мире был Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми в США . Он ускорял протоны и антипротоны до кинетической энергии чуть менее 1 ТэВ и сталкивал их вместе. Большой адронный коллайдер (БАК), построенный в Европейской лаборатории физики высоких энергий ( ЦЕРН ), имеет примерно в семь раз большую энергию (поэтому протон-протонные столкновения происходят при энергии примерно 14 ТэВ). Он расположен в 27-километровом туннеле, в котором раньше располагался большой электрон-позитронный коллайдер ( LEP ), поэтому он сохранит статус крупнейшего научного устройства, когда-либо построенного. БАК также будет ускорять тяжелые ионы (такие как свинец ) до энергии 1,15 ПэВ . [ нужна цитата ]
Самым крупным устройством такого типа, серьезно предложенным, был Сверхпроводящий суперколлайдер (SSC), который должен был быть построен в США . В этой конструкции, как и в других, использовались сверхпроводящие магниты , которые позволяют создавать более интенсивные магнитные поля без ограничений насыщения сердечника. Хотя строительство уже началось, в 1994 году проект был отменен из-за чрезмерного превышения бюджета — это произошло из-за наивной оценки затрат и проблем экономического управления, а не из-за каких-либо фундаментальных инженерных недостатков. Можно также утверждать, что окончание «холодной войны» привело к изменению приоритетов финансирования науки, что способствовало ее окончательной отмене. Однако тоннель, построенный для его размещения, все еще остается, хотя и пустует. Хотя еще существует потенциал для еще более мощных циклических ускорителей протонов и тяжелых частиц, похоже, что следующий шаг в увеличении энергии электронного пучка должен избежать потерь из-за синхротронного излучения . Для этого потребуется вернуться к линейному ускорителю , но с устройствами значительно более длинными, чем те, которые используются сейчас. В настоящее время предпринимаются серьезные усилия по проектированию и созданию Международного линейного коллайдера (ILC), который будет состоять из двух противоположных линейных ускорителей : одного для электронов и одного для позитронов. Они столкнутся при общей энергии центра масс 0,5 ТэВ . [ нужна цитата ]
Синхротронное излучение также имеет широкий спектр применения (см. Синхротронный свет ), и специально для его использования было создано множество синхротронов 2-го и 3-го поколения. Крупнейшими из этих источников синхротронного света третьего поколения являются Европейская установка синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле , Франция, Усовершенствованный источник фотонов ( APS ) недалеко от Чикаго, США, и SPring-8 в Японии , ускоряющие электроны до 6,7 и 8 ГэВ соответственно. [ нужна цитата ]
Синхротроны, полезные для передовых исследований, представляют собой большие машины, строительство которых обходится в десятки или сотни миллионов долларов, а каждая линия луча (в большом синхротроне их может быть от 20 до 50) стоит в среднем еще два или три миллиона долларов. Эти установки в основном создаются агентствами по финансированию науки правительств развитых стран или в результате сотрудничества между несколькими странами региона и используются как инфраструктурные объекты, доступные ученым из университетов и исследовательских организаций по всей стране, региону или миру. Однако были разработаны более компактные модели, такие как Compact Light Source . [ нужна цитата ]
