Синхротрон

Синхротрон , в котором ускоряющий — это особый тип циклического ускорителя частиц , произошедший от циклотрона пучок частиц движется по фиксированной траектории с замкнутым контуром. Магнитное поле , которое изгибает пучок частиц по замкнутому пути, увеличивается со временем в процессе ускорения и синхронизируется с увеличением кинетической энергии частиц. ^[1]

Синхротрон — одна 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, представляет собой 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 7 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 разработан сэром Маркусом Олифантом. ^[5]^[7] и построен в 1952 году. ^[5]

Типы

Сегодня используются несколько специализированных типов синхротронных машин:

Накопитель — это особый тип синхротрона , в котором кинетическая энергия частиц поддерживается постоянной.
Источник синхротронного света представляет собой комбинацию различных типов ускорителей электронов, включая накопительное кольцо, в котором генерируется желаемое электромагнитное излучение. Это излучение затем используется на экспериментальных станциях, расположенных на разных лучах . Помимо накопителя, источник синхротронного света обычно содержит линейный ускоритель (ускоритель) и еще один синхротрон, который в этом контексте иногда называют бустером . Линейный ускоритель и усилитель используются для последовательного ускорения электронов до их конечной энергии, прежде чем они магнитным образом «выбрасываются» в накопительное кольцо. Источники синхротронного света в целом иногда называют «синхротронами», хотя это технически неверно.
Циклический коллайдер также представляет собой комбинацию различных типов ускорителей, включая два пересекающихся накопительных кольца и соответствующие предварительные ускорители.

Принцип работы

Синхротрон произошел от циклотрона , первого циклического ускорителя частиц. В то время как классический циклотрон использует как постоянное ведущее магнитное поле постоянной частоты , так и электромагнитное поле (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]

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 экономически эффективно создавать синхротроны большего размера. ^{[ нужна ссылка ]}

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] позволил полностью разделить ускоритель на компоненты со специализированными функциями вдоль пути частицы, придав ему форму многоугольника с закругленными углами. Некоторыми важными компонентами являются радиочастотные резонаторы для прямого ускорения, дипольные магниты ( изгибающие магниты ) для отклонения частиц (чтобы закрыть путь) и квадрупольные / секступольные магниты для фокусировки луча. ^{[ нужна ссылка ]}

Интерьер австралийской установки синхротрона , источника синхротронного света . Доминирует на изображении накопительное кольцо показана линия луча , на котором спереди справа . Внутри накопителя находятся синхротрон и линейный ускоритель .

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 ссылка ]}

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 ссылка ]}

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 ссылка ]}

Процедура инъекции

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 ссылка ]}

Начиная с соответствующего начального значения, определяемого энергией инжекции, напряженность поля дипольных магнитов затем увеличивают . 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 ссылка ]}

На крупных объектах

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 ссылка ]}

Еще один ранний крупный синхротрон - это 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 ссылка ]}

В составе коллайдеров

До августа 2008 года самым высокоэнергетическим коллайдером в мире был Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми в США . Он ускорял протоны и антипротоны чуть менее 1 ТэВ до кинетической энергии 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 ссылка ]}

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 потенциал для еще более мощных циклических ускорителей протонов и тяжелых частиц все еще существует, 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 строительству Международный линейный коллайдер (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 ссылка ]}

В составе источников синхротронного света

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 ссылка ]}

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 ссылка ]}

Приложения

Науки о жизни: белков и крупных молекул кристаллография
LIGA Микрообработка на основе
Открытие и исследование лекарств
Рентгеновская литография
Рентгеновская микротомография
Анализ химических веществ для определения их состава
Наблюдение за реакцией живых клеток на лекарства
Кристаллография и микроанализ неорганических материалов
Флуоресцентные исследования
Анализ полупроводниковых материалов и структурные исследования
геологического материала Анализ
Медицинская визуализация
Частичная терапия для лечения некоторых форм рака
Радиометрия : калибровка детекторов и радиометрических стандартов.

См. также

Ссылки

^ Чао, AW; Беспорядок, К.Х.; Тигнер, М.; и др., ред. (2013). Справочник по физике и технике ускорителей (2-е изд.). Всемирная научная. дои : 10.1142/8543 . ISBN 978-981-4417-17-4 . S2CID 108427390 .
^ «Большой адронный коллайдер» . ЦЕРН . 15 декабря 2023 г. Проверено 15 января 2024 г.
^ Векслер, VI (1944). «Новый метод ускорения релятивистских частиц» (PDF) . Доклады Академии наук СССР . 43 (8): 346–348.
^ Дж. Дэвид Джексон и У.К. Панофски (1996). «ЭДВИН МЭТТИСОН МАКМИЛЛАН: Биографические мемуары» (PDF) . Национальная академия наук .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Уилсон. «Пятьдесят лет синхротронов» (PDF) . ЦЕРН . Проверено 15 января 2012 г.
^ Зиновьева Лариса. «К вопросу об авторстве открытия автофазировки» . Проверено 29 июня 2015 г.
^ Ротблат, Джозеф (2000). «Некролог: Марк Олифант (1901–2000)» . Природа . 407 (6803): 468. дои : 10.1038/35035202 . ПМИД 11028988 .
^ Макмиллан, Эдвин М. (февраль 1984 г.). «История синхротрона» . Физика сегодня . 37 (2): 31–37. дои : 10.1063/1.2916080 . ISSN 0031-9228 . S2CID 121370125 .
^ Курант, ЭД ; Ливингстон, Массачусетс ; Снайдер, HS (1952). «Синхротрон с сильной фокусировкой — новый ускоритель высоких энергий». Физический обзор . 88 (5): 1190–1196. Бибкод : 1952PhRv...88.1190C . дои : 10.1103/PhysRev.88.1190 . hdl : 2027/mdp.39015086454124 .
^ Блюетт, JP (1952). «Радиальная фокусировка в линейном ускорителе». Физический обзор . 88 (5): 1197–1199. Бибкод : 1952PhRv...88.1197B . дои : 10.1103/PhysRev.88.1197 .
^ Патент США № 2736799 , Николас Христофилос , « Система фокусировки ионов и электронов », выдан 28 февраля 1956 г.
^ Космотрон

Внешние ссылки

ESRF (Европейская установка синхротронного излучения)
Национальный центр исследований синхротронного излучения (NSRRC) на Тайване
Elettra Sincrotrone Trieste - источники света Elettra и Fermi
Канадский источник света
Австралийский синхротрон
Французский синхротрон Солей.
Синхротрон Diamond UK
Lightsources.org
База данных МАГАТЭ по электронным синхротронам и накопителям
Большой адронный коллайдер ЦЕРН
Синхротронные источники света мира
Миниатюрный синхротрон: синхротрон размером с комнату предлагает ученым новый способ проводить высококачественные рентгеновские эксперименты в их собственных лабораториях, Technology Review , 4 февраля 2008 г.
Бразильская лаборатория синхротронного света
Подкаст-интервью с ученым из Европейской установки синхротронного излучения
Индийская СРС
Испанский источник света ALBA
Настольный синхротрон ЗЕРКАЛО
Синхротрон SOLARIS в Польше

[1] Чао, AW; Беспорядок, К.Х.; Тигнер, М.; и др., ред. (2013). Справочник по физике и технике ускорителей (2-е изд.). Всемирная научная. дои : 10.1142/8543 . ISBN 978-981-4417-17-4 . S2CID 108427390 .

[2] «Большой адронный коллайдер» . ЦЕРН . 15 декабря 2023 г. Проверено 15 января 2024 г.

[3] Векслер, VI (1944). «Новый метод ускорения релятивистских частиц» (PDF) . Доклады Академии наук СССР . 43 (8): 346–348.

[4] Дж. Дэвид Джексон и У.К. Панофски (1996). «ЭДВИН МЭТТИСОН МАКМИЛЛАН: Биографические мемуары» (PDF) . Национальная академия наук .

[cern-50_years-5] Jump up to: ^а ^б ^с Уилсон. «Пятьдесят лет синхротронов» (PDF) . ЦЕРН . Проверено 15 января 2012 г.

[6] Зиновьева Лариса. «К вопросу об авторстве открытия автофазировки» . Проверено 29 июня 2015 г.

[7] Ротблат, Джозеф (2000). «Некролог: Марк Олифант (1901–2000)» . Природа . 407 (6803): 468. дои : 10.1038/35035202 . ПМИД 11028988 .

[8] Макмиллан, Эдвин М. (февраль 1984 г.). «История синхротрона» . Физика сегодня . 37 (2): 31–37. дои : 10.1063/1.2916080 . ISSN 0031-9228 . S2CID 121370125 .

[9] Курант, ЭД ; Ливингстон, Массачусетс ; Снайдер, HS (1952). «Синхротрон с сильной фокусировкой — новый ускоритель высоких энергий». Физический обзор . 88 (5): 1190–1196. Бибкод : 1952PhRv...88.1190C . дои : 10.1103/PhysRev.88.1190 . hdl : 2027/mdp.39015086454124 .

[10] Блюетт, JP (1952). «Радиальная фокусировка в линейном ускорителе». Физический обзор . 88 (5): 1197–1199. Бибкод : 1952PhRv...88.1197B . дои : 10.1103/PhysRev.88.1197 .

[11] Патент США № 2736799 , Николас Христофилос , « Система фокусировки ионов и электронов », выдан 28 февраля 1956 г.

[12] Космотрон

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]