Kaj je sinhrotron?

Visokokotni pogled na sinhrotron v laboratoriju, Kalifornijski inštitut za tehnologijo, Pasadena, CA. SuperStock/Getty Images

A sinhrotron je zasnova cikličnega pospeševalnika delcev, v katerem žarek nabitih delcev večkrat prehaja skozi magnetno polje, da pridobi energijo pri vsakem prehodu. Ko žarek pridobi energijo, se polje prilagodi, da ohrani nadzor nad potjo žarka, ko se premika po krožnem obroču. Princip je razvil Vladimir Veksler leta 1944, s prvim elektronskim sinhrotronom, zgrajenim leta 1945 in prvim proton sinhrotron, zgrajen leta 1952.

Kako deluje sinhrotron

Sinhrotron je izboljšava ciklotron , ki je bil zasnovan v tridesetih letih prejšnjega stoletja. V ciklotronih se žarek nabitih delcev premika skozi konstantno magnetno polje, ki vodi žarek po spiralni poti, nato pa gre skozi konstantno elektromagnetno polje, ki zagotavlja povečanje energije ob vsakem prehodu skozi polje. Ta udarec v kinetični energiji pomeni, da se žarek pri prehodu skozi magnetno polje premakne skozi nekoliko širši krog, dobi še en udarec in tako naprej, dokler ne doseže želene ravni energije.

Izboljšanje, ki vodi do sinhrotrona, je, da sinhrotron namesto uporabe konstantnih polj uporablja polje, ki se spreminja v času. Ko žarek pridobi energijo, se polje ustrezno prilagodi, da zadrži žarek v središču cevi, ki vsebuje žarek. To omogoča večjo stopnjo nadzora nad žarkom, napravo pa je mogoče zgraditi tako, da zagotavlja večje povečanje energije skozi cikel.

Ena posebna vrsta sinhrotronske zasnove se imenuje shranjevalni obroč, ki je sinhrotron, zasnovan z edinim namenom vzdrževanja konstantne ravni energije v žarku. Številni pospeševalniki delcev uporabljajo strukturo glavnega pospeševalnika, da pospešijo žarek do želene ravni energije, nato pa ga prenesejo v shranjevalni obroč, ki se vzdržuje, dokler ni mogoče trčiti z drugim žarkom, ki se giblje v nasprotni smeri. To dejansko podvoji energijo trka, ne da bi bilo treba zgraditi dva polna pospeševalnika, da bi dva različna žarka dosegla polno energijsko raven.

Glavni sinhrotroni

Cosmotron je bil protonski sinhrotron, izdelan v Nacionalnem laboratoriju Brookhaven. Naročena je bila leta 1948, polno moč pa je dosegla leta 1953. Takrat je bila najmočnejša zgrajena naprava, ki je dosegla energije okoli 3,3 GeV, in je delovala do leta 1968.

Gradnja Bevatrona v nacionalnem laboratoriju Lawrence Berkeley se je začela leta 1950 in je bila dokončana leta 1954. Leta 1955 so Bevatron uporabili za odkritje antiprotona, dosežek, ki je leta 1959 prinesel Nobelovo nagrado za fiziko. (Zanimiva zgodovinska opomba: Imenovali so ga Bevatraon, ker je dosegel energije približno 6,4 BeV za 'milijarde elektronvoltov'. S sprejetjem enote SI , vendar je bila za to lestvico sprejeta predpona giga-, zato se je zapis spremenil v GeV.)

Pospeševalec delcev Tevatron v Fermilabu je bil sinhrotron. Zmožen je pospeševati protone in antiprotone do ravni kinetične energije, ki je nekoliko nižja od 1 TeV, in je bil do leta 2008 najmočnejši pospeševalnik delcev na svetu, ko ga je presegelVeliki hadronski trkalnik. 27-kilometrski glavni pospeševalnik v velikem hadronskem trkalniku je tudi sinhrotron in je trenutno sposoben doseči energijo pospeška približno 7 TeV na žarek, kar ima za posledico trke 14 TeV.