Kas ir Sinhrotrons?

Augsta leņķa skats uz sinhrotronu laboratorijā, Kalifornijas Tehnoloģiju institūts, Pasadena, CA. SuperStock/Getty Images

A sinhrotrons ir cikliska daļiņu paātrinātāja konstrukcija, kurā uzlādētu daļiņu stars atkārtoti iziet cauri magnētiskajam laukam, lai katrā gājienā iegūtu enerģiju. Kad stars iegūst enerģiju, lauks pielāgojas, lai saglabātu kontroli pār stara ceļu, kad tas pārvietojas ap apļveida gredzenu. Principu izstrādāja Vladimirs Vekslers 1944. gadā, pirmo elektronu sinhrotronu uzbūvējot 1945. gadā un pirmo protonu Sinhrotrons uzbūvēts 1952. gadā.

Kā darbojas Sinhrotrons

Sinhrotrons ir uzlabojums ciklotrons , kas tika izstrādāta pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados. Ciklotronos lādēto daļiņu stars pārvietojas pa pastāvīgu magnētisko lauku, kas virza staru kūli pa spirālveida ceļu, un pēc tam iet caur pastāvīgu elektromagnētisko lauku, kas nodrošina enerģijas pieaugumu katrā caurgājienā cauri laukam. Šis kinētiskās enerģijas trieciens nozīmē, ka stars pārvietojas pa nedaudz plašāku apli, ejot cauri magnētiskajam laukam, iegūstot vēl vienu triecienu un tā tālāk, līdz tas sasniedz vēlamo enerģijas līmeni.

Uzlabojums, kas noved pie sinhrotrona, ir tāds, ka tā vietā, lai izmantotu nemainīgus laukus, sinhronais izmanto lauku, kas mainās laikā. Kad stars iegūst enerģiju, lauks attiecīgi pielāgojas, lai noturētu staru kūli tās caurules centrā, kurā atrodas stars. Tas ļauj vairāk kontrolēt staru kūli, un ierīci var uzbūvēt, lai nodrošinātu lielāku enerģijas pieaugumu visā ciklā.

Viens konkrēts sinhrotrona konstrukcijas veids tiek saukts par uzglabāšanas gredzenu, kas ir sinhrotrons, kas ir paredzēts vienīgajam mērķim uzturēt pastāvīgu enerģijas līmeni starā. Daudzi daļiņu paātrinātāji izmanto galveno akseleratora struktūru, lai paātrinātu staru līdz vajadzīgajam enerģijas līmenim, pēc tam pārnes to uzglabāšanas gredzenā, lai to uzturētu, līdz to var sadurties ar citu staru, kas kustas pretējā virzienā. Tas efektīvi dubulto sadursmes enerģiju, neveidojot divus pilnus paātrinātājus, lai iegūtu divus dažādus starus līdz pilnam enerģijas līmenim.

Galvenie sinhrotroni

Cosmotron bija protonu sinhrotrons, kas uzbūvēts Brūkhavenas Nacionālajā laboratorijā. Tas tika nodots ekspluatācijā 1948. gadā un sasniedza pilnu jaudu 1953. gadā. Tajā laikā tā bija visspēcīgākā uzbūvētā ierīce, kas gandrīz sasniedza aptuveni 3,3 GeV enerģiju, un tā darbojās līdz 1968. gadam.

Bevatron celtniecība Lorensa Bērklija Nacionālajā laboratorijā sākās 1950. gadā un tika pabeigta 1954. gadā. 1955. gadā Bevatron tika izmantots, lai atklātu antiprotonu — sasniegumu, kas 1959. gadā nopelnīja Nobela prēmiju fizikā. (Interesanta vēsturiska piezīme: to sauca par Bevatraonu, jo tas sasniedza aptuveni 6,4 BeV enerģiju “miljardiem elektronvoltu”. SI mērvienības tomēr šai skalai tika pieņemts prefikss giga-, tāpēc apzīmējums tika mainīts uz GeV.)

Tevatron daļiņu paātrinātājs Fermilabā bija sinhrotrons. Spēja paātrināt protonus un antiprotonus līdz kinētiskās enerģijas līmenim, kas ir nedaudz mazāks par 1 TeV, un tas bija visspēcīgākais daļiņu paātrinātājs pasaulē līdz 2008. gadam, kad to pārspējaLielais hadronu paātrinātājs. 27 kilometrus garais lielā hadronu paātrinātāja galvenais paātrinātājs ir arī sinhrons, un tas spēj sasniegt paātrinājuma enerģiju aptuveni 7 TeV uz vienu staru kūli, kā rezultātā rodas 14 TeV sadursmes.