Синхротрон - Synchrotron

Эта статья про синхротрон, ускоритель частиц. Для приложений синхротронное излучение производятся циклическими ускорителями частиц, см. синхротронный источник света.
Первый синхротрон, использующий конструкцию «беговой дорожки» с прямыми участками, электронный синхротрон на 300 МэВ на университет Мичигана в 1949 году по проекту Дик Крейн.
Синхротрон SOLARIS в Польше (электромагниты в накопителе)

А синхротрон особый тип циклических ускоритель частиц, произошедший от циклотрон, в котором пучок ускоряющихся частиц движется по фиксированной траектории с обратной связью. В магнитное поле который изгибает пучок частиц на его замкнутый путь, увеличивается со временем в процессе ускорения, будучи синхронизированный к возрастающему кинетическая энергия частиц (см. изображение[1]). Синхротрон - одна из первых концепций ускорителей, позволяющих создавать крупномасштабные объекты, поскольку изгиб, фокусировка луча и ускорение могут быть разделены на разные компоненты. В самых мощных современных ускорителях частиц используются варианты конструкции синхротрона. Самый большой ускоритель синхротронного типа, а также крупнейший ускоритель элементарных частиц в мире, имеет длину окружности 27 км (17 миль). Большой адронный коллайдер (LHC) недалеко от Женевы, Швейцария, построенный в 2008 г. Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Он может ускорять пучки протонов до энергии 6,5тераэлектронвольт (ТэВ).

Принцип синхротрона был изобретен Владимир Векслер в 1944 г.[2] Эдвин Макмиллан сконструировал первый электронный синхротрон в 1945 году, придя к идее независимо, пропустив публикацию Векслера (которая была доступна только в Советский журнал, правда на английском).[3][4][5] Первый протонный синхротрон был разработан Сэр Маркус Олифант[4][6] и построен в 1952 году.[4]

Типы

Сегодня используются несколько специализированных типов синхротронных машин:

  • А кольцо для хранения это особый тип синхротрона, в котором кинетическая энергия частиц поддерживается постоянной.
  • А синхротронный источник 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 лучи. Помимо накопительного кольца, синхротронный источник света обычно содержит линейный ускоритель (линейный ускоритель) и другой синхротрон, который иногда называют усилитель в контексте. Линаковый ускоритель и ускоритель используются для последовательного ускорения электронов до их конечной энергии, прежде чем они будут магнитно «выброшены» 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 накопителя и соответствующие предварительные ускорители.

Принцип действия

Синхротрон развился из циклотрон, первый ускоритель циклических частиц. Хотя классический циклотрон использует как постоянное руководство магнитное поле и постоянная частота электромагнитное поле (и работает в классическое приближение ), его преемник, изохронный циклотрон, работает за счет локальных вариаций ведущего магнитного поля, адаптируя увеличивающийся релятивистская масса частиц при ускорении.

Рисунок космотрона

В синхротроне эта адаптация осуществляется путем изменения напряженности магнитного поля во времени, а не в пространстве. Для частиц, не близких к скорости свет, частота приложенного электромагнитного поля также может изменяться в соответствии с их непостоянным временем циркуляции. Увеличивая эти параметры соответственно, когда частицы набирают энергию, их путь циркуляции может оставаться постоянным по мере их ускорения. Это позволяет вакуумной камере для частиц быть большой и тонкой. тор, а не диск, как в предыдущих компактных ускорителях. Кроме того, тонкий профиль вакуумной камеры позволял более эффективно использовать магнитные поля, чем в циклотроне, что позволяло создавать экономически эффективные синхротроны большего размера.

А первые синхротроны и накопители, такие как Космотрон и ADA строго использовалась форма тороида, сильная фокусировка принцип независимо открытый Эрнест Курант и другие.[7][8] и Николас Христофилос[9] позволил полностью разделить ускоритель на компоненты со специализированными функциями вдоль траектории частицы, сформировав траекторию в виде закругленного многоугольника. Некоторые важные компоненты представлены радиочастотные резонаторы для прямого разгона, дипольные магниты (изгибающие магниты) для отклонения частиц (чтобы закрыть путь), и квадруполь / секступольные магниты для фокусировки луча.

Интерьер Австралийский синхротрон объект, синхротронный источник света. В образе доминирует кольцо для хранения, показывая луч спереди справа. Внутри накопительного кольца находятся синхротрон и линейный ускоритель.

Комбинация управляющих магнитных полей, зависящих от времени, и принцип сильной фокусировки позволили разработать и эксплуатировать современные крупномасштабные ускорительные установки, такие как коллайдеры и источники синхротронного света. Прямые участки по замкнутому пути в таких установках необходимы не только для радиочастотных резонаторов, но и для детекторы частиц (в коллайдерах) и устройствах генерации фотонов, таких как вигглеры и ондуляторы (в синхротронных источниках света третьего поколения).

Максимальная энергия, которую может передать циклический ускоритель, обычно ограничивается максимальной силой магнитного поля и минимальным радиусом (максимальный кривизна ) пути частицы. Таким образом, одним из способов увеличения предела энергии является использование сверхпроводящие магниты, они не ограничиваются магнитное насыщение. Электрон /позитрон ускорители также могут быть ограничены выбросом синхротронное излучение, 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 окружности, равна энергии, добавляемой за каждый цикл.

Более мощные ускорители создаются за счет использования траекторий большого радиуса и использования более многочисленных и более мощных микроволновых резонаторов. Более легкие частицы (например, электроны) теряют большую часть своей энергии при отклонении. Фактически, энергия электрон /позитрон ускорителей ограничивается этими радиационными потерями, хотя они не играют существенной роли в динамике протон или же ион ускорители. Энергия таких ускорителей строго ограничена силой магнитов и стоимостью.

Процедура инъекции

В отличие от циклотрона, синхротроны не могут ускорять частицы с нулевой кинетической энергии; одна из очевидных причин этого заключается в том, что его замкнутый путь частицы будет отрезан устройством, которое испускает частицы. Таким образом, были разработаны схемы ввода предварительно ускоренных пучки частиц в синхротрон. Предварительное ускорение может быть реализовано цепочкой других структур ускорителя, таких как линейный ускоритель, а микротрон или другой синхротрон; все они, в свою очередь, должны питаться от источника частиц, включающего простой источник высокого напряжения, обычно Генератор Кокрофта-Уолтона.

Начиная с подходящего начального значения, определяемого энергией инжекции, напряженность поля дипольные магниты затем увеличивается. Если частицы высокой энергии испускаются в конце процедуры ускорения, например к цели или другому ускорителю, напряженность поля снова снижается до уровня инжекции, начиная новый цикл впрыска. В зависимости от используемого метода управления магнитом временной интервал для одного цикла может существенно различаться между различными установками.

На крупных объектах

Смотрите также: Список ускорителей в физике элементарных частиц
Современные промышленные синхротроны могут быть очень большими (здесь Soleil возле Париж )

Один из первых больших синхротронов, ныне списанный, - это Беватрон, построенный в 1950 г. Лаборатория Лоуренса Беркли. Название этого протон акселератор исходит от своей мощности, в пределах 6,3 ГэВ (затем назвали BeV за миллиард электрон-вольт; название предшествует принятию Префикс SI гига- ). Номер трансурановые элементы, невидимые в мире природы, были впервые созданы с помощью этой машины. Здесь же находится один из первых крупных пузырьковые камеры используется для изучения результатов произошедших здесь атомных столкновений.

Другой ранний большой синхротрон - это Космотрон построен на Брукхейвенская национальная лаборатория который достиг 3,3 ГэВ в 1953 г.[10]

Из немногих синхротронов в мире 16 расположены в США. Многие из них принадлежат национальным лабораториям; немногие находятся в университетах.

В составе коллайдеров

До августа 2008 года коллайдер с самой высокой энергией в мире был Теватрон, на Национальная ускорительная лаборатория Ферми, в Соединенные Штаты. Это ускорилось протоны и антипротоны чуть меньше 1 ТэВ кинетической энергии и столкнули их вместе. В Большой адронный коллайдер (LHC), который был построен в Европейской лаборатории физики высоких энергий (ЦЕРН ), имеет примерно в семь раз больше энергии (таким образом, протон-протонные столкновения происходят примерно при 14 ТэВ). Он расположен в 27-километровом туннеле, в котором раньше размещался Большой электрон-позитрон (LEP ) коллайдер, поэтому он будет претендовать на звание самого большого научного устройства из когда-либо построенных. LHC также будет ускорять тяжелые ионы (такие как вести ) до энергии 1,15 ПэВ.

Самым крупным серьезно предложенным устройством такого типа был Сверхпроводящий суперколлайдер (SSC), который должен был быть построен в Соединенные Штаты. Эта конструкция, как и другие, использовала сверхпроводящие магниты которые позволяют создавать более интенсивные магнитные поля без ограничения насыщения сердечника. Пока строительство было начато, в 1994 году проект был отменен, сославшись на чрезмерную перерасход бюджета - это было связано с наивной оценкой затрат и проблемами экономического управления, а не с какими-либо фундаментальными инженерными недостатками. Также можно утверждать, что конец Холодная война привело к изменению приоритетов научного финансирования, что привело к его окончательной отмене. Однако построенный для его размещения туннель все еще остается, хотя и пуст. Хотя все еще есть потенциал для создания еще более мощных циклических ускорителей протонов и тяжелых частиц, похоже, что следующий шаг в увеличении энергии электронного пучка должен избежать потерь из-за синхротронное излучение. Это потребует возврата к линейный ускоритель, но с устройствами, значительно более длинными, чем те, которые используются в настоящее время. В настоящее время предпринимаются серьезные усилия по разработке и созданию Международный линейный коллайдер (ILC), который будет состоять из двух противоположных линейные ускорители, один для электронов и один для позитронов. Они столкнутся в общем центр массы энергия 0,5 ТэВ.

В составе синхротронных источников света

Смотрите также: Перечень объектов синхротронного излучения

Синхротронное излучение также имеет широкий спектр применения (см. синхротронный свет ), и многие синхротроны 2-го и 3-го поколений были созданы специально для этого. Самыми большими из этих синхротронных источников света 3-го поколения являются Европейский центр синхротронного излучения (ESRF) в Гренобль, Франция, Усовершенствованный источник фотонов (APS ) возле Чикаго, США, и Весна-8 в Япония, ускоряя электроны до 6, 7 и 8 ГэВ, соответственно.

Синхротроны, которые используются для передовых исследований, представляют собой большие машины, строительство которых обходится в десятки или сотни миллионов долларов, а каждый канал 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, финансирующими науку, правительств развитых стран или в результате сотрудничества между несколькими странами в регионе и используются как объекты инфраструктуры, доступные ученым из университетов и исследовательских организаций по всей стране, региону или миру. Однако были разработаны более компактные модели, такие как Компактный источник света.

Исследование

Синхротроны - уникальные устройства, потому что они производят необычайные синхротронный свет (синхротронное излучение). Уникальные свойства этого типа света включают его огромную интенсивность; он в миллионы раз ярче, чем свет, приходящий на Землю от Солнца. Кроме того, синхротронное излучение содержит электромагнитные волны от инфракрасного спектра, через видимый и ультрафиолетовый свет до рентгеновских лучей. Благодаря этому ученые могут изучать различные материалы разными способами, как внешне, так и внутренне. Таким образом они узнают, как устроены эти материалы, каков их химический состав, электрические или магнитные свойства.

Многие типы измерений возможны только при использовании синхротронного света. Этот свет также позволяет ученым получать более качественную информацию за меньшее время, чем при использовании традиционных источников света. Поскольку синхротроны предлагают такие широкие возможности, они используются во многих областях науки, таких как биология, химия, физика, инженерия материалов, нанотехнологии, медицина, фармакология, геология и кристаллография. Синхротроны чрезвычайно эффективны; они работают 24 часа в сутки, семь дней в неделю, обеспечивая радиацией ученых, проводящих измерения одновременно на многих экспериментальных конечных станциях. Это настоящие исследовательские фабрики.[11]

Приложения

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Chao, A. W .; Mess, K. H .; Тигнер, М .; и др., ред. (2013). Справочник по физике и технике ускорителей (2-е изд.). World Scientific. Дои:10.1142/8543. ISBN  978-981-4417-17-4.
  2. ^ Векслер, В. И. (1944). «Новый метод ускорения релятивистских частиц» (PDF). Comptes Rendus de l'Académie des Sciences de l'URSS. 43 (8): 346–348.
  3. ^ Дж. Дэвид Джексон и W.K.H. Панофски (1996). "ЭДВИН МЭТТИСОН МАКМИЛЛАН: Биографические воспоминания". Национальная Академия Наук. Отсутствует или пусто | url = (помощь)
  4. ^ а б c Уилсон. «Пятьдесят лет синхротронам» (PDF). ЦЕРН. Получено 2012-01-15.
  5. ^ Зиновьева, Лариса. «К вопросу об авторстве открытия автофазировки». Получено 2015-06-29.
  6. ^ Ротблат, Джозеф (2000). «Некролог: Марк Олифант (1901–2000)». Природа. 407 (6803): 468. Дои:10.1038/35035202. PMID  11028988.
  7. ^ Курант, Э.; Ливингстон, М.С.; Снайдер, Х.С. (1952). «Синхротрон с сильной фокусировкой - новый ускоритель высоких энергий». Физический обзор. 88 (5): 1190–1196. Bibcode:1952PhRv ... 88.1190C. Дои:10.1103 / PhysRev.88.1190. HDL:2027 / mdp.39015086454124.
  8. ^ Блюетт, Дж. П. (1952). «Радиальная фокусировка в линейном ускорителе». Физический обзор. 88 (5): 1197–1199. Bibcode:1952ПхРв ... 88.1197Б. Дои:10.1103 / PhysRev.88.1197.
  9. ^ Патент США 2736799, Николас Христофилос, "Система фокусировки для ионов и электронов ", выпущенный 1956-02-28 
  10. ^ Космотрон
  11. ^ https://synchrotron.uj.edu.pl/en_GB/dla-gosci-i-mediow/solaris-w-pigulce

внешняя ссылка