Un sincrotron este un tip de accelerator de particule circular.
Istoric edit
Ciclotroanele sunt limitate de un efect relativistic care duce la creşterea masei particulei accelerate. Betatroanele au demonstrat posibilitatea accelerarii particulelor la o rază a traiectoriei constantă şi posibilitatea focalizării fascicului astfel obţinut.
Sincrotronul combină metoda de accelerare a unui accelerator liniar cu orbita circulară a unui betatron.
Primul sincrotron operaţional a fost fabricat în 1947 de General Electric.
În prezent, sincrotronul este cel mai utilizat model de accelerator circular.
Principiul de functionare edit
Deviere si colimare edit
Câmpul magnetic al magneţilor "dipolari" amplasaţi în lungul orbitei deviază electronii între secţiuni liniare succesive. Aceste secţiuni formează o structură închisă cu o formă aproximativ circulară. Focalizarea fascicului de electroni este realizată separat, de magneţi "cuadrupolari" şi "hexapolari".
Accelerare edit
Pentru creşterea energiei particulelor este utilizat un câmp electric variabil (câmpul electric static nu poate forma linii de câmp circulare).
Într-un betatron, devierea particulelor în orbita circulară (de către câmpul magnetic la traiectorie) şi accelerarea prin inducţie (de fluxul magnetic variabil prin area dată de traiectorie) sunt realizate de acelaşi set de bobine. Într-un sincrotron aceste două funcţii sunt separate. Astfel, două frecvenţe sunt prezente: frecvenţa de ciclotron dată de magneţii amplasaţi în lungul orbitei şi frecvenţa de acceleraţie dată de "cavităţile RF". Aceste frecvenţe sunt egale în amplitudine dar au faze diferite.
Particulele sunt accelerate treptat utilizând o idee inspirată de această diferenţă de fază, numită stabilitatea de fază, prin scăderea frecvenţei RF sau creşterea frecvenţei de ciclotron (modificată prin creşterea câmpului magnetic B).
Diferite variante de aplicare a stabilitatii de fază au fost iniţial utilizate în "sincro-ciclotroane" ( fixă, variabilă), în "sincrotroanele de protoni" (Berkeley Bevatron, Brookhaven Cosmotron) (ambele frecvenţe variabile) şi în final, în sincrotroanele propriu-zise pentru electroni ( variabilă, fixă).
Inelul de acumulare edit
Primele sincrotroane au fost utilizate pentru accelerarea de particule pentru cercetarari de fizică a particulelor elementare. În 1961, o inovaţie deosebită a fost demonstrarea în instalaţia "Tantalus", administrată de un consorţiu de universitati americane, a ideii inelului de acumulare (engl. storage ring). Într-un inel de acumulare particulele sunt mentinute la o energie constantă. Acesta, cu un vid de mai bună calitate, a permis păstrarea unui flux de particule pentru un interval mai îndelungat şi creşterea intervalului de timp dintre acceleraţii. Într-un sincrotron contemporan accelerarea particulelor dureaza câteva minute, în restul timpului acestea deplasându-se cu o energie constantă. Din punct de vedere practic, aceasta a simplificat mult utilizarea instalaţiei în experimente cu razele X generate.
| National Synchrotron Light Source I |
Advanced Photon Source |
Advanced Light Source | |
|---|---|---|---|
| Energia (GeV) | 2.8 | 7 | 1.9 |
| Circumferinţa (m) | 170.08 | 1104 | 196.8 |
| Număr de linii experimentale | 29 | 67 | 43 |
| În folosire din | 1984 | 1995 | 1993 |
Utilizare edit
Radiaţia de sincrotron edit
Sincrotroanele sunt construite deoarece luminozitatea radiaţiilor X generate de deplasarea electronilor în orbita circulară, numită radiatie de sincrotron, este între 5 şi 10 ordine de mărime mai mare decât în cazul surselor de laborator. În plus, radiaţia emisă, descrisă de o teorie de Julian Schwinger, are un spectru continuu.
Radiaţia emisă din interiorul magneţilor dipolari are luminozitatea cu aproximativ 5 ordine de mărime mai ridicată în comparaţie cu o sursă de laborator. Pentru creşterea luminozităţii radiaţiei X cu alte 5 ordine de mărime, structuri adiţionale, numite "undulator" sau "wiggler", sunt instalate care, deoarece conţin un câmp magnetic, imprimă o oscilaţie adiţională electronilor (câmpul magnetic al unui wiggler duce la o oscilaţie a electronilor mai pronunţată decât cel al unui undulator).
Linii şi staţii experimetale edit
Radiaţia X generată în magneţi dipolari, undulatori sau wiggleri nu poate fi deviată de către câmpuri magnetice sau electrice şi se propagă în linie dreaptă în interiorul unei structuri ataşate la inelul de acumulare, denumită linie experimentală.
La capatul liniei experimentale se află staţia experimentală unde au loc experimentele propriu-zise (de biologie, chimie, fizică, geologie, etc.). Experimentele se desfăşoară întotdeauna prin colaborare cu personalul tehnic şi ştiintific al staţiei experimentale respective.