Synchrotron

Das erste Synchrotron, das das "Rennstrecke" -Design mit geraden Abschnitten verwendet, eine 300 -MEV -Elektronensynchrotron bei Universität von Michigan im Jahr 1949, entworfen von von Dick Crane.
Solaris -Synchrotron in Polen (Elektromagnetze im Speicherring)

A Synchrotron ist eine bestimmte Art von zyklisch Partikelbeschleuniger, abstammen aus dem Zyklotron, in dem der beschleunigende Partikelstrahl um einen fixierten Pfad mit geschlossenem Schleife wandert. Das Magnetfeld Das biegt der Partikelstrahl in seinen geschlossenen Pfad mit der Zeit während des Beschleunigungsprozesses, sein synchronisiert zum zunehmenden kinetische Energie der Partikel.[1] Das Synchrotron ist eines der ersten Beschleunigungskonzepte, mit denen groß angelegte Einrichtungen errichtet werden können, da Biegen, Strahlfokussierung und Beschleunigung in verschiedene Komponenten unterteilt werden können. Die leistungsstärksten modernen Partikelbeschleuniger verwenden Versionen des Synchrotrondesigns. Der größte Beschleuniger vom Typ Synchrotron, auch der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, ist die 27-Kilometer-Kreissperrung (17 mi). Large Hadron Collider (LHC) in der Nähe von Genf, Schweiz, erbaut 2008 von der Europäische Organisation für Nuklearforschung (CERN). Es kann Protonenstrahlen zu einer Energie von 6,5 Tera beschleunigenElektronen (Tev oder *1e12 ev).

Das Synchrotron -Prinzip wurde von erfunden von Vladimir Veksler 1944.[2] Edwin McMillan Baute 1945 das erste Elektronensynchrotron, das unabhängig voneinander zu der Idee kam und die Veröffentlichung von Veksler übersehen hatte (die nur in einem verfügbar war Sowjet Journal, obwohl in Englisch).[3][4][5] Das erste Protonensynchrotron wurde von entworfen von Sir Marcus Oliphant[4][6] und 1952 erbaut.[4]

Typen

Heute werden mehrere spezielle Arten von Synchrotronmaschinen verwendet:

  • A Speicherring ist eine spezielle Art von Synchrotron, bei der die kinetische Energie der Partikel konstant gehalten wird.
  • A Synchrotron -Lichtquelle ist eine Kombination verschiedener Elektronenbeschleunigentypen, einschließlich eines Speicherrings, bei dem die gewünschte elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. Diese Strahlung wird dann in experimentellen Stationen an verschiedenen anderen verwendet Strahllinien. Zusätzlich zum Speicherring enthält eine Synchrotron -Lichtquelle normalerweise a linearer Beschleuniger (Linac) und eine andere Synchrotron, die manchmal als a genannt wird Booster in diesem Zusammenhang. Der Linac und der Booster werden verwendet, um die Elektronen nacheinander in ihre endgültige Energie zu beschleunigen, bevor sie magnetisch in den Lagerring "getreten" werden. Synchrotron -Lichtquellen in ihrer Gesamtheit werden manchmal "Synchrotrons" bezeichnet, obwohl dies technisch falsch ist.
  • Ein zyklischer Kollider ist auch eine Kombination verschiedener Beschleunigertypen, einschließlich zwei kreuzender Speicherringe und der jeweiligen Vorbezugsspeicher.

Funktionsprinzip

Die Synchrotron entwickelte sich aus dem Zyklotron, der erste zyklische Partikelbeschleuniger. Während ein Klassiker Zyklotron Verwendet sowohl ein konstantes Leitfaden Magnetfeld und eine konstante Frequenz elektromagnetisches Feld (und arbeitet in Klassische Näherung) sein Nachfolger, der Isochrones Zyklotron, Arbeit Relativistische Masse von Partikeln während der Beschleunigung.[7]

Eine Zeichnung des Kosmotrons

In einer Synchrotron erfolgt diese Anpassung durch Variation der Magnetfeldstärke in der Zeit und nicht durch den Raum. Für Partikel, die nicht nahe an der Geschwindigkeit von sind hellDie Häufigkeit des angelegten elektromagnetischen Feldes kann sich auch ändern, um der nicht konstanten Zirkulationszeit zu folgen. Durch Erhöhen dieser Parameter Dementsprechend kann der Zirkulationspfad, wenn die Partikel Energie gewinnen, konstant gehalten werden, wenn sie beschleunigt werden. Dies ermöglicht es der Vakuumkammer, dass die Partikel ein großes dünn sind Torus, anstatt eine Festplatte wie in früheren, kompakten Beschleunigerdesigns. Außerdem ermöglichte das dünne Profil der Vakuumkammer eine effizientere Verwendung von Magnetfeldern als in einem Zyklotron, wodurch die kostengünstige Konstruktion größerer Synchronen ermöglicht wird.

Während die ersten Synchrotringe und Speicher klingeln Cosmotron und Ada strikt die Toroidform verwendet, die starke Fokussierung Prinzip unabhängig entdeckt von Ernest Courant et al.[8][9] und Nicholas Christofilos[10] Ermöglichte die vollständige Trennung des Beschleunigers in Komponenten mit spezialisierten Funktionen entlang des Partikelwegs und formte den Pfad in ein rundes Körnerpolygon. Einige wichtige Komponenten sind gegeben von Funkfrequenzhohlräume Für direkte Beschleunigung, Dipolmagnete (Biegemagnete) für die Ablenkung von Partikeln (um den Weg zu schließen) und Quadrupol / Sextupole Magnete Für Strahlfokussierung.

Das Innere der Australische Synchrotron Einrichtung, a Synchrotron -Lichtquelle. Das Bild dominieren ist das Speicherring, zeigen a Strahllinie vorne rechts. Der Innenraum des Speicherrings umfasst eine Synchrotron und a Linac.

Die Kombination aus zeitabhängigen Leitmagnetfeldern und dem starken Fokussierungsprinzip ermöglichte die Gestaltung und den Betrieb moderner großflächiger Beschleunigungsanlagen wie Kollider und Synchrotron -Lichtquellen. Die geraden Abschnitte entlang des geschlossenen Pfades in solchen Einrichtungen sind nicht nur für Funkfrequenzhohlräume, sondern auch für Partikeldetektoren (in Kollidern) und Photonengenerationsgeräte wie z. Wiggler und UNTERNEHMEN (Synchrotron -Lichtquellen der dritten Generation).

Die maximale Energie, die ein zyklischer Beschleuniger vermitteln kann Krümmung) des Partikelwegs. Somit ist eine Methode zur Erhöhung der Energiegrenze die Verwendung supraleitende Magnete, diese sind nicht begrenzt durch magnetische Sättigung. Elektron/Positron Beschleuniger können auch durch die Emission von begrenzt sein Synchrotronstrahlung, was zu einem teilweisen Verlust der kinetischen Energie des Partikelstrahls führt. Die begrenzende Strahlergie wird erreicht, wenn die Energie, die für die laterale Beschleunigung verloren wurde, um den Strahlpfad in einem Kreis aufrechtzuerhalten, gleich der Energie zu jedem Zyklus entspricht.

Leistungsstärkere Beschleuniger werden durch die Verwendung großer Radiuswege und durch die Verwendung von zahlreicheren und leistungsfähigeren Mikrowellenhohlräumen gebaut. Leichtere Partikel (wie Elektronen) verlieren beim Absenken einen größeren Teil ihrer Energie. Praktisch gesehen die Energie von Elektron/Positron Beschleuniger ist durch diesen Strahlungsverlust begrenzt, während dies bei der Dynamik von keine bedeutende Rolle spielt Proton oder Ion Beschleuniger. Die Energie solcher Beschleuniger ist ausschließlich durch die Festigkeit der Magnete und die Kosten begrenzt.

Einspritzverfahren

Im Gegensatz zu einem Zyklotron können Synchrotron die Partikel nicht aus der kinetischen Energie von Null beschleunigen. Einer der offensichtlichen Gründe dafür ist, dass sein geschlossener Partikelweg von einem Gerät geschnitten wird, das Partikel emittiert. Somit wurden Schemata entwickelt, um vorbeschleunigte Injektionen zu injizieren Partikelstrahlen in ein Synchrotron. Die Vorbezugs kann durch eine Kette anderer Beschleunigerstrukturen wie a realisiert werden Linac, a Mikrotron oder eine andere Synchrotron; All dies muss wiederum von einer Partikelquelle gefüttert werden, die eine einfache Hochspannungsstromversorgung umfasst, typischerweise a Cockcroft-Walton Generator.

Ausgehend von einem geeigneten Anfangswert, der durch die Injektionsenergie bestimmt wird, die Feldstärke der Feldstärke Dipolmagnete wird dann erhöht. Wenn die Hochenergiepartikel am Ende des Beschleunigungsverfahrens emittiert werden, z. Zu einem Ziel oder zu einem anderen Beschleuniger wird die Feldstärke erneut auf das Injektionsniveau verringert und ein neues Starten Injektionszyklus. Abhängig von der Methode der verwendeten Magnetregelung kann das Zeitintervall für einen Zyklus zwischen verschiedenen Anlagen erheblich variieren.

In groß angelegten Einrichtungen

Moderne Synchrotrons im Industriemaßstab können sehr groß sein (hier, hier, Soleil nahe Paris)

Eine der frühen großen Synchrotrons, die jetzt im Ruhestand sind, ist die Bevatron, gebaut 1950 am Lawrence Berkeley Laboratory. Der Name davon Proton Beschleuniger kommt von seiner Leistung im Bereich von 6,3 Gev (Dann bezeichnete Bev für Milliarden Elektronenvolt; Der Name geht vor der Annahme der SI Präfix Giga). Eine Anzahl von TransuranelementeIn der natürlichen Welt wurden zuerst mit dieser Maschine geschaffen. Diese Seite ist auch der Ort eines der ersten großen Blasenkammern Wird verwendet, um die Ergebnisse der hier erzeugten atomaren Kollisionen zu untersuchen.

Eine weitere frühe große Synchrotron ist die Cosmotron gebaut bei Nationales Labor von Brookhaven die 1953 3,3 Gev erreichte.[11]

Unter den wenigen Synchrotronen auf der ganzen Welt befinden sich 16 in den USA. Viele von ihnen gehören nationalen Labors; Nur wenige befinden sich an Universitäten.

Als Teil von Kollidern

Bis August 2008 war der Kollider mit höchster Energie der Welt der Tevatron, Bei der Fermi National Accelerator Laboratory, in dem Vereinigte Staaten. Es beschleunigte Protonen und Antiprotons zu etwas weniger als 1 Tev der kinetischen Energie und kollidierte sie zusammen. Das Large Hadron Collider (LHC), das im Europäischen Labor für Hochenergiephysik gebaut wurde (Cern), hat ungefähr siebenfache dieser Energie (daher treten Protonen-Proton-Kollisionen bei ungefähr 14 TEV auf). Es befindet sich im 27 km langen Tunnel, in dem früher das große Elektronenpositron untergebracht war (LEP) Collider, damit die Behauptung als das größte wissenschaftliche Gerät beibehält, das jemals gebaut wurde. Das LHC wird auch schwere Ionen beschleunigen (wie z. führen) bis zu einer Energie von 1,15 Pev.

Das größte Gerät dieser Art, das ernsthaft vorgeschlagen wurde, war die Superkonditionierter Super Collider (SSC), das in der gebaut werden sollte Vereinigte Staaten. Dieses Design verwendet wie andere supraleitende Magnete Dadurch können intensivere Magnetfelder ohne die Einschränkungen der Kernsättigung erzeugt werden. Während des Baus wurde das Projekt 1994 abgesagt, unter Berufung auf übermäßig Budgetüberschreitungen - Dies war eher auf naive Kostenschätzungen und Wirtschaftsmanagementprobleme als auf grundlegende technische Mängel zurückzuführen. Es kann auch argumentiert werden, dass das Ende der Kalter Krieg führte zu einer Änderung der wissenschaftlichen Finanzierungsprioritäten, die zu seiner letztendlichen Stornierung beitrugen. Der für seine Platzierung gebaute Tunnel bleibt jedoch immer noch leer. Während es immer noch potenziell für noch leistungsstärkeres Proton und zyklische Beschleuniger von schweren Partikeln besteht Synchrotronstrahlung. Dies erfordert eine Rückkehr zur Rückkehr zum linearer Beschleuniger, aber mit Geräten erheblich länger als die derzeit verwendeten. Derzeit gibt es große Anstrengungen, um das zu entwerfen und zu bauen Internationaler linearer Kollider (ILC), das aus zwei Gegensätzen bestehen wird Lineare Beschleuniger, einer für Elektronen und eine für Positronen. Diese werden insgesamt kollidieren Massezentrum Energie von 0,5 Tev.

Als Teil der Synchrotron -Lichtquellen

Die Synchrotronstrahlung hat auch eine Vielzahl von Anwendungen (siehe Synchrotronlicht) und viele Synchrotronen der 2. und 3. Generation wurden speziell gebaut, um es zu nutzen. Die größten dieser Synchrotron -Lichtquellen der 3. Generation sind die Europäische Synchrotronstrahlungsanlage (ESRF) in Grenoble, Frankreich, die fortschrittliche Photonenquelle (APS) in der Nähe von Chicago, USA und Spring-8 in JapanElektronen bis 6, 7 und 8 beschleunigen Gev, beziehungsweise.

Synchrotrons, die für modernste Forschung nützlich sind, sind große Maschinen, die zehn oder hundert Millionen Dollar für den Bau kosten, und jede Strahllinie (es kann bei einem großen Synchrotron 20 bis 50 sein) kostet im Durchschnitt weitere zwei oder drei Millionen Dollar. Diese Installationen werden hauptsächlich von den wissenschaftlichen Finanzierungsagenturen von Regierungen der Industrieländer oder von Zusammenarbeit zwischen mehreren Ländern in einer Region aufgebaut und als Infrastruktureinrichtungen in den Bereichen Universitäten und Forschungsorganisationen im ganzen Land, der Region oder der Welt zur Verfügung gestellt. Es wurden jedoch kompaktere Modelle entwickelt, wie die Kompakte Lichtquelle.

Anwendungen

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Chao, A. W.; Mess, K. H.; Tigner, M.; et al., Hrsg. (2013). Handbuch der Beschleunigerphysik und -technik (2. Aufl.). Welt wissenschaftlich. doi:10.1142/8543. ISBN 978-981-4417-17-4.
  2. ^ Veksler, V. I. (1944). "Eine neue Methode zur Beschleunigung relativistischer Partikel" (PDF). COMPTES Rendus de l'Académie des Sciences de l'urssss. 43 (8): 346–348.
  3. ^ J. David Jackson und W.K.H. Panofsky (1996). "Edwin Mattison McMillan: Eine biografische Memoiren" (PDF). Nationale Akademie der Wissenschaften.
  4. ^ a b c Wilson. "Fünfzig Jahre Synchbrons" (PDF). Cern. Abgerufen 2012-01-15.
  5. ^ Zinovyeva, Larisa. "In der Frage zur Autophasen Discovery Authorship". Abgerufen 2015-06-29.
  6. ^ Rotblat, Joseph (2000). "Nachruf: Mark Oliphant (1901–2000)". Natur. 407 (6803): 468. doi:10.1038/35035202. PMID 11028988.
  7. ^ McMillan, Edwin M. (Februar 1984). "Eine Geschichte der Synchrotron". Physik heute. 37 (2): 31–37. doi:10.1063/1.2916080. ISSN 0031-9228.
  8. ^ Courant, E. D.; Livingston, M. S.; Snyder, H. S. (1952). "Das stark fokussierte Synchrotron-ein neuer Hochenergiebeschleuniger". Physische Bewertung. 88 (5): 1190–1196. Bibcode:1952phrv ... 88.1190c. doi:10.1103/PhysRev.88.1190. HDL:2027/MDP.39015086454124.
  9. ^ Blewett, J. P. (1952). "Radiale Fokussierung im linearen Beschleuniger". Physische Bewertung. 88 (5): 1197–1199. Bibcode:1952phrv ... 88.1197b. doi:10.1103/PhysRev.88.1197.
  10. ^ US -Patent 2736799, Nicholas Christofilos, "Fokussierungssystem für Ionen und Elektronen", ausgestellt 1956-02-28 
  11. ^ Der Kosmotron

Externe Links