Synchrotron - Polski Serwis Naukowy

Schemat ośrodka synchrotronowego SOLEIL (Francja)

Synchrotron – szczególny typ akceleratora cyklicznego, w którym cząstki są przyspieszane w polu elektrycznym wzbudzanym w szczelinach rezonatorów synchronicznie do czasu ich obiegu. W synchrotronie, tak jak w każdym cyklotronie (akceleratorze cyklicznym) przyspieszane cząstki krążą w polu magnetycznym. W miarę wzrostu energii przyspieszanych cząstek, pole magnetyczne jest zwiększane, by zachować stały promień obiegu cząstek.

Proton, p <(gr.) πρῶτον – "pierwsze" (l.poj., rodz. nijaki)> - trwała cząstka elementarna z grupy barionów o ładunku +1 i masie spoczynkowej równej ok. 1 u. Protony są głównym składnikiem pierwotnego promieniowania kosmicznego. Protony wraz z neutronami (→ nukleony) tworzą jądra atomowe pierwiastków chemicznych. Liczba protonów w jądrze danego atomu jest równa jego liczbie atomowej, która z kolei jest podstawą uporządkowania atomów w układzie okresowym pierwiastków.

Edwin Mattison McMillan (ur. 18 września 1907 w Redondo Beach, Kalifornia, zm. 7 września 1991 w El Cerrito, Kalifornia) – amerykański chemik, profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Prace badawcze: udział w odkryciu neptunu i plutonu, konstrukcja synchrotronu. Nagroda Nobla w zakresie chemii w roku 1951 z Seaborgiem.

W synchrotronie można uzyskać energię elektronów do 23 GeV, protonów zaś do 1 TeV. Synchrotronową metodę przyspieszania cząstek podali niezależnie w 1944 r. W. I. Weksler i w 1945 E. M. McMillan.

Pierwsze synchrotrony były rozwinięciem koncepcji betatronu, jako akceleratora przyspieszającego cząstki wzrastającym polem magnetycznym. W komorze akceleratora umieszczono dodatkowo elektrody przyspieszające polem elektrycznym. Elektrody były zasilane napięciem przemiennym wielkiej częstotliwości o częstotliwości synchronicznej z czasem obiegu przyspieszanych cząstek.

Pole elektryczne – stan przestrzeni otaczającej ładunki elektryczne lub zmienne pole magnetyczne. W polu elektrycznym na ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna.

Akcelerator ze stałym gradientem pola - rodzina akceleratorów kołowych cząstek obejmująca, m.in. synchrotrony, mikrotrony, betatrony i synchrotrony protonowe (ze słabym ogniskowaniem). Ich wspólną cechą jest zmniejszanie pola magnetycznego wzdłuż promienia elektromagnesu.

Przyspieszane cząstki krążą w komorze próżniowej w kształcie pierścienia, po okręgu o stałym promieniu. Rozwiązanie takie umożliwia zmniejszenie wielkości elektromagnesu potrzebnego do zakrzywiania toru cząstek, zwiększenie pola magnetycznego zakrzywiającego tor ruchu oraz zwiększenie promienia toru przyspieszanych cząstek.

Akcelerator ze zmiennym gradientem pola - akcelerator, w którym orbity przyspieszanych cząstek są stabilizowane za pomocą soczewek magnetycznych ogniskujących i rozogniskowujących, ustawionych naprzemiennie.

LEP (z ang. Large Electron Positron Collider, Wielki Zderzacz Elektronowo Pozytonowy) to akcelerator pracujący w CERN pod Genewą w latach 1989-2000. Znajdował się on w tunelu o obwodzie 27 kilometrów. Akcelerator po wybudowaniu w 1989 roku potrafił rozpędzić elektrony do energii 45 GeV, a pod koniec swojego działania do 104.6 GeV.

W synchrotronach, w których przyspieszane cząstki wykonują setki tysięcy obiegów, zachodzi konieczność nadawanie rozpędzanym cząstkom odpowiedniego toru. Gdyby nie podejmowano działań w tym kierunku, jedynie niewielka część z początkowej liczby cząstek dotarłaby do celu. W tym celu kształtuje się odpowiednio pole magnetyczne, początkowo (obecnie tylko w małych akceleratorach) stosowano specjalne ukształtowanie pola zakrzywiającego tor ruchu cząstek i w związku z tym wprowadzono podział akceleratorów na: akceleratory bez gradientu pola, ze stałym gradientem pola, zmiennym gradientem pola.

Polskie Towarzystwo Promieniowania Synchrotronowego (PTPS) - Towarzystwo, którego celem jest działalność naukowa i oświatowa, w szczególności wspieranie rozwoju badań naukowych z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego a także popularyzacja badań wykorzystujących tego rodzaju promieniowanie. Towarzystwo działa na terenie całego kraju. W latach 1992 - 2007 Towarzystwo zorganizowało osiem międzynarodowych szkół i sympozjów International School and Symposium on Synchrotron Radiation in Natural Science (ISSRNS) oraz siedem konferencji krajowych pod nazwą Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego (KSUPS).

Antyproton – cząstka elementarna będąca antycząstką protonu, różniąca się od niego m.in. znakiem ładunku elektrycznego, momentu magnetycznego, liczby barionowej oraz liczby leptonowej, mająca zaś tę samą masę i czas życia. Oddziaływanie protonu z antyprotonem powoduje ich anihilację.

Obecnie w dużych akceleratorach stosuje się technikę polegającą na rozdzieleniu elementów kształtujących wiązkę i zakrzywiających wiązkę. Między sekcjami zakrzywiającymi tor ruchu, instaluje się sekcje ogniskujące wiązkę oparte zazwyczaj na kwadrupolach.

Duże synchrotrony

Tevatron w Fermilab (duże okręgi to synchrotrony)

Obecnie największym działającym akceleratorem na świecie jest Tevatron w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), w USA. Przyspiesza on protony i antyprotony do energii ponad 1 TeV (stąd jego nazwa) w celu zderzenia ich. Jego synchrotron ma średnicę 6,3 km.

Elektronowolt (eV) – jednostka energii stosowana w fizyce. Jeden elektronowolt jest to energia, jaką uzyskuje elektron, który jest przyspieszany napięciem równym 1 woltowi:

Fermilab (ang. Fermi National Accelerator Laboratory) – Państwowe Laboratorium Przyśpieszania Cząstek Elementarnych im. Enrico Fermiego – położony w Batavi, 20 km na zachód od Chicago, ośrodek badań nad fizyką cząstek elementarnych i fizyką wysokich energii. Mieści się w nim jeden z najpotężniejszych akceleratorów cząstek - Tevatron, przy pomocy którego m.in. w 1995 roku odkryto szósty kwark, kwark t.

Największy na świecie zderzacz cząstek Large Hadron Collider (LHC) jest umiejscowiony w Europejskim Laboratorium Wysokich Energii (CERN). Zderzacz zawiera synchrotron w tunelu o długości 27 km, w którym wcześniej był zainstalowany zderzacz elektronów z antyelektronami Large Electron Positron (LEP). LHC przyspieszać będzie protony do energii rzędu kilku TeV i zderzać je. Niektóre jony będą przyśpieszane do energii około 1150 TeV.

Pole magnetyczne — stan przestrzeni, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne, obok pola elektrycznego, jest przejawem pola elektromagnetycznego. W zależności od układu odniesienia w jakim znajduje się obserwator, to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego lub obu.

Promieniowanie synchrotronowe jest promieniowaniem elektromagnetycznym o charakterze nietermicznym, podobnym do promieniowania cyklotronowego, lecz generowanym przez naładowane cząstki (głównie elektrony) poruszające się z prędkością bliską prędkości światła w polu magnetycznym w wyniku czego są przyspieszane po krzywoliniowych torach. Można je uzyskać sztucznie w pierścieniach akumulacyjnych synchrotronów lub naturalnie w wyniku szybkiego ruchu elektronów przez pola magnetyczne w przestrzeni kosmicznej. Promieniowanie synchrotronowe zawiera typowo pasma podczerwone, widzialne, ultrafioletu oraz X.

Zobacz też

synchrotron elektronowy

synchrotron protonowy

promieniowanie synchrotronowe

Polskie Towarzystwo Promieniowania Synchrotronowego