Синхротрон — это особый тип циклического ускорителя частиц , произошедший от циклотрона , в котором ускоряющийся пучок частиц движется по фиксированной замкнутой траектории. Магнитное поле , которое изгибает пучок частиц по его замкнутой траектории, увеличивается со временем в процессе ускорения, синхронизируясь с увеличением кинетической энергии частиц. [1]
Синхротрон — одна из первых концепций ускорителей, позволяющая строить крупномасштабные объекты, поскольку изгиб, фокусировка пучка и ускорение могут быть разделены на различные компоненты. Самые мощные современные ускорители частиц используют версии конструкции синхротрона. 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 по ядерным исследованиям (ЦЕРН). [2] Он может ускорять пучки протонов до энергии 7 тераэлектронвольт ( ТэВ или 1012 эВ ).
Принцип синхротрона был изобретен Владимиром Векслером в 1944 году. [3] Эдвин Макмиллан построил 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]
Большие синхротроны обычно имеют линейный ускоритель (ЛУ), чтобы придать частицам начальное ускорение, и синхротрон с более низкой энергией, который иногда называют бустером, чтобы увеличить энергию частиц перед тем, как они будут введены в синхротронное кольцо высокой энергии. Сегодня используются несколько специализированных типов синхротронных машин:
Синхротрон произошел от циклотрона , первого циклического ускорителя частиц. В то время как классический циклотрон использует как постоянное направляющее магнитное поле , так и электромагнитное поле постоянной частоты (и работает в классическом приближении ), его преемник, изохронный циклотрон , работает за счет локальных изменений направляющего магнитного поля, адаптируясь к увеличивающейся релятивистской массе частиц во время ускорения. [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 изменяться в соответствии с их непостоянным временем циркуляции. Увеличивая эти параметры соответствующим образом по мере того, как частицы набирают энергию, можно поддерживать постоянный путь их циркуляции по мере их ускорения. Это позволяет сделать вакуумную камеру для частиц большим тонким тором , а не диском, как в предыдущих компактных конструкциях ускорителей. Кроме того, тонкий профиль вакуумной камеры позволил более эффективно использовать магнитные поля, чем в циклотроне, что позволило экономически эффективно строить более крупные синхротроны. [ необходима цитата ]
В то время как первые синхротроны и накопительные кольца, такие как Cosmotron и ADA, строго использовали форму тороида, принцип сильной фокусировки, независимо открытый Эрнестом Курантом и др. [9] [10] и Николасом Кристофилосом [11], позволил полностью разделить ускоритель на компоненты со специализированными функциями вдоль траектории частиц, придав траектории форму закругленного многоугольника. Некоторые важные компоненты задаются радиочастотными полостями для прямого ускорения, дипольными магнитами ( изгибающие магниты ) для отклонения частиц (чтобы закрыть траекторию) и квадрупольными / секступольными магнитами для фокусировки пучка. [ необходима 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 вдоль замкнутого пути в таких установках требуются не только для радиочастотных резонаторов, но и для детекторов частиц (в коллайдерах) и устройств генерации фотонов, таких как вигглеры и ондуляторы (в источниках синхротронного света третьего поколения). [ необходима цитата ]
Максимальная энергия, которую может передать циклический ускоритель, обычно ограничена максимальной силой магнитных полей и минимальным радиусом (максимальной кривизной ) траектории частицы. Таким образом, одним из методов увеличения предела энергии является использование сверхпроводящих магнитов , которые не ограничены магнитным насыщением . Электронные / позитронные ускорители также могут быть ограничены испусканием синхротронного излучения , что приводит к частичной потере кинетической энергии пучка частиц. Предельная энергия пучка достигается, когда энергия, потерянная на боковое ускорение, необходимое для поддержания траектории пучка по окружности, равна энергии, добавляемой за каждый цикл. [ требуется ссылка ]
Более мощные ускорители строятся с использованием больших радиусов траекторий и с использованием более многочисленных и более мощных микроволновых полостей. Более легкие частицы (такие как электроны) теряют большую часть своей энергии при отклонении. Практически говоря, энергия электронных / позитронных ускорителей ограничена этой потерей излучения, в то время как это не играет существенной роли в динамике протонных или ионных ускорителей. Энергия таких ускорителей строго ограничена силой магнитов и стоимостью. [ необходима цитата ]
В отличие от циклотрона, синхротроны не способны ускорять частицы с нулевой кинетической энергии; одной из очевидных причин этого является то, что его замкнутый путь частиц будет перерезан устройством, которое испускает частицы. Таким образом, были разработаны схемы для ввода предварительно ускоренных пучков частиц в синхротрон. Предварительное ускорение может быть реализовано цепочкой других структур ускорителя, таких как линейный ускоритель , микротрон или другой синхротрон; все они, в свою очередь, должны питаться от источника частиц, включающего простой источник питания высокого напряжения, как правило, генератор Кокрофта-Уолтона . [ требуется цитата ]
Начиная с соответствующего начального значения, определяемого энергией инжекции, напряженность поля дипольных магнитов затем увеличивается. Если частицы высокой энергии испускаются в конце процедуры ускорения, например, в мишень или в другой ускоритель, напряженность поля снова уменьшается до уровня инжекции, начиная новый цикл инжекции . В зависимости от используемого метода управления магнитом временной интервал для одного цикла может существенно различаться между различными установками. [ необходима цитата ]
Одним из первых больших синхротронов, ныне выведенных из эксплуатации, является Беватрон , построенный в 1950 году в Лаборатории Лоуренса в Беркли . Название этого ускорителя протонов происходит от его мощности в диапазоне 6,3 ГэВ (тогда он назывался БэВ, что означает миллиард электрон-вольт ; это название предшествовало принятию префикса СИ гига- ). Ряд трансурановых элементов , невиданных в естественном мире, были впервые созданы с помощью этой машины. Это место также является местом расположения одной из первых больших пузырьковых камер , используемых для изучения результатов атомных столкновений, произведенных здесь. [ необходима цитата ]
Еще одним ранним крупным синхротроном был Космотрон, построенный в Брукхейвенской национальной лаборатории , который достиг 3,3 ГэВ в 1953 году. [12]
Среди немногих синхротронов в мире 16 находятся в Соединенных Штатах. Многие из них принадлежат национальным лабораториям; немногие находятся в университетах. [ необходима цитата ]
До августа 2008 года самым высокоэнергетическим коллайдером в мире был Теватрон в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми в США . Он разгонял протоны и антипротоны до кинетической энергии чуть менее 1 ТэВ и сталкивал их друг с другом. Большой адронный коллайдер (БАК), построенный в Европейской лаборатории физики высоких энергий ( ЦЕРН ), имеет примерно в семь раз большую энергию (так что столкновения протонов с протонами происходят примерно при 14 ТэВ). Он расположен в 27-километровом туннеле, в котором ранее размещался Большой электрон-позитронный ( LEP ) коллайдер, поэтому он сохранит статус самого большого научного устройства из когда-либо построенных. БАК также будет разгонять тяжелые ионы (например, свинец ) до энергии 1,15 ПэВ . [ требуется цитата ]
Самым крупным серьезно предложенным устройством такого типа был Сверхпроводящий суперколлайдер (SSC), который должен был быть построен в Соединенных Штатах . Эта конструкция, как и другие, использовала сверхпроводящие магниты , которые позволяют создавать более интенсивные магнитные поля без ограничений насыщения сердечника. Хотя строительство было начато, проект был отменен в 1994 году, сославшись на чрезмерный перерасход бюджета — это было связано с наивной оценкой стоимости и проблемами экономического управления, а не с какими-либо основными инженерными недостатками. Можно также утверждать, что окончание холодной войны привело к изменению приоритетов научного финансирования, что способствовало его окончательной отмене. Однако туннель, построенный для его размещения, все еще остается, хотя и пустым. Хотя все еще существует потенциал для еще более мощных циклических ускорителей протонов и тяжелых частиц, похоже, что следующий шаг в энергии электронного пучка должен избежать потерь из-за синхротронного излучения . Это потребует возврата к линейному ускорителю , но с устройствами, значительно более длинными, чем те, которые используются в настоящее время. В настоящее время ведутся крупные работы по проектированию и строительству Международного линейного коллайдера (ILC), который будет состоять из двух противостоящих линейных ускорителей , одного для электронов и одного для позитронов. Они будут сталкиваться при общей энергии центра масс 0,5 ТэВ . [ необходима цитата ]
Синхротронное излучение также имеет широкий спектр применения (см. синхротронный свет ), и многие синхротроны 2-го и 3-го поколений были построены специально для его использования. Крупнейшими из этих источников синхротронного света 3-го поколения являются European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) в Гренобле , Франция, Advanced Photon Source ( APS ) около Чикаго, США, и SPring-8 в Японии , ускоряющие электроны до 6, 7 и 8 ГэВ соответственно. [ требуется цитата ]
Синхротроны, которые полезны для передовых исследований, представляют собой большие машины, строительство которых обходится в десятки или сотни миллионов долларов, а каждая линия пучка (их может быть от 20 до 50 на большом синхротроне) стоит в среднем еще два или три миллиона долларов. Эти установки в основном строятся агентствами по финансированию науки правительств развитых стран или в результате сотрудничества между несколькими странами в регионе и эксплуатируются 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 . [ необходима цитата ]
