Синхротронное представляет собой особый тип циклического ускорителя частиц , происходил из циклотрона , в котором ускорение пучка частиц путешествует по заданному пути в замкнутом контуре. Магнитное поле , которое сгибает пучок частиц в его замкнутом пути увеличивается со временем в процессе ускоряющего, будучи синхронизировано с увеличением кинетической энергии частиц (см изображения [1]). Синхротрон - одна из первых концепций ускорителей, позволяющих создавать крупномасштабные объекты, поскольку изгиб, фокусировка луча и ускорение могут быть разделены на разные компоненты. Самые мощные современные ускорители частиц используют варианты конструкции синхротрона. Крупнейший ускоритель синхротронного типа, а также крупнейший ускоритель частиц в мире - это Большой адронный коллайдер (LHC) с окружностью 27 километров (17 миль ) недалеко от Женевы, Швейцария, построенный в 2008 году Европейской организацией ядерных исследований (CERN). ). Он может ускорять пучки протонов до энергии 6,5 тераэлектронвольт (ТэВ).
Принцип синхротрона был изобретен Владимиром Векслером в 1944 году. [2] Эдвин Макмиллан построил первый электронный синхротрон в 1945 году, придя к этой идее независимо, пропустив публикацию Векслера (которая была доступна только в советском журнале, хотя и на английском языке). [3] [4] [5] Первый протонный синхротрон был разработан сэром Маркусом Олифантом [4] [6] и построен в 1952 году. [4]
Типы [ править ]
 | В этом разделе не процитировать любые источники . ( Январь 2021 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Сегодня используются несколько специализированных типов синхротронных машин:
- Накопительное кольцо представляет собой особый тип синхротрона , в котором кинетическая энергия частиц поддерживается постоянным.
- 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 каналах передачи . В дополнение к накопительному кольцу источник синхротронного света обычно содержит линейный ускоритель (линейный ускоритель) и другой синхротрон, который в этом контексте иногда называют бустером . 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 накопительных кольца и соответствующие предварительные ускорители.
Принцип работы [ править ]
Синхротрон произошел от циклотрона , первого циклического ускорителя частиц. В то время как классический циклотронного использует как константу направляющей магнитное поле и постоянная частоту электромагнитного поле (и работает в классическом приближении ), его преемник, изохронный циклотрон , работает путем локальных вариаций направляющей магнитного поля, адаптируя возрастающую релятивистскую массу из частицы при разгоне. [ необходима цитата ]
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 изменяться в соответствии с их непостоянным временем циркуляции. Путем увеличения этих параметров по мере того, как частицы набирают энергию, можно поддерживать постоянный путь их циркуляции по мере их ускорения. Это позволяет вакуумной камере для частиц представлять собой большой тонкий 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. [цитата необходима ]
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. [7] [8] и Николас Кристофилос [9] позволили полностью разделить ускоритель на компоненты со специализированными функциями вдоль пути частицы, сформировав путь в многоугольник с закругленными углами. Некоторые важные компоненты представлены радиочастотными резонаторами для прямого ускорения, дипольными магнитами ( поворотными магнитами ) для отклонения частиц (чтобы закрыть путь) и квадрупольными магнитами./ секступольные магниты для фокусировки луча. [ необходима цитата ]
Комбинация управляющих магнитных полей, зависящих от времени, и принцип сильной фокусировки позволили разработать и эксплуатировать современные крупномасштабные ускорительные установки, такие как коллайдеры и синхротронные источники света . Прямые участки по замкнутому пути в таких установках необходимы не только для радиочастотных резонаторов, но также для детекторов частиц (в коллайдерах) и устройств генерации фотонов, таких как вигглеры и ондуляторы (в синхротронных источниках света третьего поколения). [ необходима цитата ]
Максимальная энергия, которую может передать циклический ускоритель, обычно ограничивается максимальной напряженностью магнитных полей и минимальным радиусом (максимальной кривизной ) пути частицы. Таким образом, одним из способов увеличения предела энергии является использование сверхпроводящих магнитов , которые не ограничиваются магнитным насыщением . Ускорители электронов / позитронов также могут быть ограничены испусканием 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 окружности, равна энергии, добавляемой за каждый цикл. [ необходима цитата]
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 ускорителей электронов / позитронов ограничена этими радиационными потерями, хотя они не играют существенной роли в динамике ускорителей протонов или ионов . Энергия таких ускорителей строго ограничена силой магнитов и стоимостью. [ необходима цитата ]
Процедура инъекции [ править ]
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 пучков частиц в синхротрон. Предварительное ускорение может быть реализовано цепочкой других структур ускорителя, таких как линейный ускоритель , микротрон или другой синхротрон; все они, в свою очередь, должны получать питание от источника частиц, включающего простой источник высокого напряжения, обычно генератор Кокрофта-Уолтона . [ необходима цитата ]
Затем, начиная с подходящего начального значения, определяемого энергией инжекции, напряженность поля дипольных магнитов увеличивается. Если частицы высокой энергии испускаются в конце процедуры ускорения, например, в цель или в другой ускоритель, напряженность поля снова снижается до уровня инжекции, начиная новый цикл инжекции . В зависимости от используемого метода управления магнитом временной интервал для одного цикла может существенно различаться между различными установками. [ необходима цитата ]
На крупных объектах [ править ]
Один из первых больших синхротронов, ныне списанный, - это Беватрон , построенный в 1950 году в лаборатории Лоуренса Беркли . Название этого ускорителя протонов происходит от его мощности в диапазоне 6,3 ГэВ (тогда он назывался БэВ для миллиарда электрон-вольт ; это название появилось раньше, чем приставка SI giga- ). Ряд трансурановых элементов , невидимых в мире природы, были впервые созданы с помощью этой машины. Это место также является местом расположения одной из первых больших пузырьковых камер, использовавшихся для изучения результатов атомных столкновений, произведенных здесь. [ необходима цитата ]
Еще один ранний большой синхротрон - Космотрон, построенный в Брукхейвенской национальной лаборатории, мощность которого достигла 3,3 ГэВ в 1953 г. [10]
Из немногих синхротронов в мире 16 расположены в США. Многие из них принадлежат национальным лабораториям; немногие из них находятся в университетах. [ необходима цитата ]
В составе коллайдеров [ править ]
До августа 2008 года коллайдером с самой высокой энергией в мире был Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в США . Он ускорял протоны и антипротоны до кинетической энергии чуть менее 1 ТэВ и сталкивал их вместе. Большой адронный коллайдер (БАК), который был построен в Европейской лаборатории физики высоких энергий ( CERN ), имеет примерно в семь раз этой энергии (так протон-протонные столкновения происходят в примерно 14 Т). Он расположен в 27-километровом туннеле, в котором раньше размещался Большой электронно-позитронный комплекс ( LEP) коллайдер, поэтому он будет претендовать на звание самого большого научного устройства из когда-либо построенных. LHC также будет ускорять тяжелые ионы (например, свинец ) до энергии 1,15 ПэВ . [ необходима цитата ]
Самым крупным серьезно предложенным устройством такого типа был сверхпроводящий суперколлайдер (SSC), который должен был быть построен в Соединенных Штатах . В этой конструкции, как и в других, использовались сверхпроводящие магниты, которые позволяют создавать более интенсивные магнитные поля без ограничения насыщения сердечника. Когда строительство было начато, проект был отменен в 1994 году, сославшись на чрезмерный перерасход бюджета - это было связано с наивной оценкой затрат и проблемами экономического управления, а не с какими-либо основными инженерными недостатками. Также можно утверждать, что окончание холодной войныпривело к изменению приоритетов научного финансирования, что привело к его окончательной отмене. Однако туннель, построенный для его размещения, 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 синхротронного излучения . Это потребует возврата к линейному ускорителю , но с устройствами, значительно более длинными, чем те, которые используются в настоящее время. В настоящее время предпринимаются серьезные усилия по разработке и созданию Международного линейного коллайдера (ILC), который будет состоять из двух противостоящих друг другу линейных ускорителей , одного для электронов и одного для позитронов. Они столкнутся в общемэнергия центра масс 0,5 ТэВ . [ необходима цитата ]
В составе синхротронных источников света [ править ]
Синхротронное излучение также имеет широкий спектр применений (см. Синхротронный свет ), и многие синхротроны 2-го и 3-го поколений были созданы специально для его использования. Крупнейшими из этих источников синхротронного света 3-го поколения являются Европейский центр синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле , Франция, Advanced Photon Source ( APS ) возле Чикаго, США, и SPring-8 в Японии , ускоряющие электроны до 6, 7 и 8 ГэВ соответственно. [ необходима цитата ]
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 по финансированию науки 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 . [ необходима цитата ]
Исследование [ править ]
Синхротроны - уникальные устройства, потому что они производят необычный 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. [ необходима цитата ]
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 [ править ]
- Науки о жизни: кристаллография белков и крупных молекул
- Микрофабрикация на основе LIGA
- Открытие и исследование лекарств
- Рентгеновская литография
- Анализ химикатов для определения их состава
- Наблюдение за реакцией живых клеток на лекарства
- Кристаллография и микроанализ неорганических материалов
- Флуоресцентные исследования
- Анализ полупроводниковых материалов и структурные исследования
- Анализ геологического материала
- Медицинская визуализация
- Терапия частицами для лечения некоторых форм рака
- Радиометрия : калибровка детекторов и радиометрических эталонов
См. Также [ править ]
- Список объектов синхротронного излучения
- Синхротронный свет
- Компьютерная рентгеновская томография
- Усилитель энергии
- Сверхпроводящая радиочастота
- Когерентная дифракционная визуализация
Ссылки [ править ]
- ^ Чао, AW; Беспорядок, KH; Тигнер, М .; и др., ред. (2013). Справочник по физике и технике ускорителей (2-е изд.). World Scientific. DOI : 10,1142 / 8543 . ISBN 978-981-4417-17-4.
- ↑ Векслер, В.И. (1944). «Новый метод ускорения релятивистских частиц» (PDF) . Comptes Rendus de l'Académie des Sciences de l'URSS . 43 (8): 346–348.
- ^ Дж. Дэвид Джексон и WKH Panofsky (1996). "ЭДВИН МЭТТИСОН МАКМИЛЛАН: Биографические воспоминания". Национальная академия наук . Отсутствует или пусто
|url=( справка ) - ^ a b c Уилсон. «Пятьдесят лет синхротронов» (PDF) . ЦЕРН . Проверено 15 января 2012 .
- ^ Зиновьева, Лариса. «К вопросу об авторстве открытия автофазировки» . Проверено 29 июня 2015 .
- ^ Ротблат, Джозеф (2000). «Некролог: Марк Олифант (1901–2000)» . Природа . 407 (6803): 468. DOI : 10.1038 / 35035202 . PMID 11028988 .
- ^ Курант, ED ; Ливингстон, MS ; Снайдер, HS (1952). «Синхротрон с сильной фокусировкой - новый ускоритель высоких энергий». Физический обзор . 88 (5): 1190–1196. Полномочный код : 1952PhRv ... 88.1190C . DOI : 10.1103 / PhysRev.88.1190 . hdl : 2027 / mdp.39015086454124 .
- ^ Блюитт, JP (1952). «Радиальная фокусировка в линейном ускорителе». Физический обзор . 88 (5): 1197–1199. Полномочный код : 1952PhRv ... 88.1197B . DOI : 10.1103 / PhysRev.88.1197 .
- ^ Патент США 2736799 , Николас Кристофилоса , « фокусирующая система для ионов и электронов », выданный 1956-02-28
- ^ Космотрон
- ^ https://synchrotron.uj.edu.pl/en_GB/dla-gosci-i-mediow/solaris-w-pigulce
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме синхротронов . |
- ESRF (Европейский центр 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 Soleil
- Синхротрон Diamond UK
- Lightsources.org
- База данных МАГАТЭ по электронному синхротрону и накопительным кольцам
- Большой адронный коллайдер ЦЕРН
- Синхротронные источники света мира
- Миниатюрный синхротрон: синхротрон размером с комнату предлагает ученым новый способ проведения высококачественных рентгеновских экспериментов в их собственных лабораториях, Technology Review , 4 февраля 2008 г.
- Бразильская лаборатория синхротронного света
- Подкаст, интервью с ученым из Европейского центра синхротронного излучения
- Индийская SRS
- Испанский источник света ALBA
- Настольный синхротрон MIRRORCLE
- Синхротрон SOLARIS в Польше
