Synchrotron

Vlastnosti

Synchrotron je vylepšením cyklotronu, kde se částice pohybují po spirále. Cyklotron využívá konstantní magnetické pole a elektrické pole o konstantní frekvenci. (V synchrocyklotronu se jedno z nich mění). V synchrotronu se mění obě tato pole, aby se dráha ze spirály změnila na kruh. Opatrným zvětšováním polí s tím, jak částice získávají energii, lze udržovat šířku kruhové dráhy stejnou, zatímco stroj částice urychluje. To umožňuje, aby vakuová komora pro částice byla velkým tenkým kruhovým trubkovým torzem (tvar koblihy). Jednodušší je použít některé rovné úseky mezi ohýbacími magnety a některé ohnuté úseky uvnitř magnetů, čímž získá torus tvar mnohoúhelníku s kruhovými rohy. Dráhu, která se chová jako velmi velký kruh, lze zkonstruovat pomocí jednoduchých rovných a zahnutých trubkových segmentů, na rozdíl od komory ve tvaru disku u zařízení cyklotronového typu. Tento tvar také vyžaduje použití více magnetů k ohýbání svazků částic. U obou radiofrekvenčních dutin jsou vyžadovány rovné úseky v rozestupech kolem kruhu a v sestavách třetí generace je ponechán prostor pro vložení zařízení pro získávání energie, jako jsou wigglery a undulátory. Většina synchrotronů používá dva typy magnetů: dipólové magnety k ohýbání svazku částic a kvadrupólové magnety k zaostřování svazku.

Maximální energie, kterou může cyklický urychlovač předat, je obvykle omezena silou magnetického pole (polí) a minimálním poloměrem (maximálním zakřivením) dráhy částic. Fyzici proto postupem času sestrojili urychlovače s většími magnety a většími kružnicemi, aby dosáhli vyšších energetických úrovní částic.

V cyklotronu je maximální poloměr značně omezený, protože částice začínají ve středu a spirálovitě se pohybují směrem ven. Celá dráha tedy musí být samonosnou vakuovou komorou ve tvaru disku. Protože je poloměr omezený, výkon stroje se stává limitovaným silou magnetického pole. V případě běžného elektromagnetu je síla pole omezena nasycením jádra (když jsou všechny magnetické domény seřazeny stejně, nelze pole dále prakticky zvětšovat). Uspořádání jediného páru magnetů na celou šířku zařízení rovněž omezuje ekonomickou velikost zařízení.

Synchrotrony tyto limity překonávají, protože využívají úzkou trubku svazku, kterou lze obklopit mnohem menšími a těsněji fokusujícími magnety. Schopnost tohoto zařízení urychlovat částice je omezena tím, že částice musí být nabité, aby vůbec mohly být urychleny, ale nabité částice při urychlování vyzařují fotony (světelné částice), čímž ztrácejí energii. Mezní energie svazku je dosaženo, když se energie ztracená bočním (ohybovým) urychlením, které je nutné k udržení dráhy svazku v kruhu, rovná energii přidané v každém cyklu. Výkonnější urychlovače se staví tak, že se používají dráhy s velkým poloměrem a k urychlování svazku částic mezi rohy se používají početnější a výkonnější mikrovlnné dutiny. Lehčí částice (například elektrony) ztrácejí při otáčení větší část své energie. Prakticky vzato je energie elektronových/pozitronových urychlovačů omezena touto ztrátou záření, zatímco v dynamice protonových nebo iontových urychlovačů nehraje významnou roli. U těch je energie omezena výhradně silou magnetů a cenou.

 
Interiér australského synchrotronu. Dominantou snímku je skladovací prstenec, na kterém je vpravo vpředu vidět optická diagnostická svazková linka. Uprostřed úložného prstence je urychlovací synchrotron a linac.  

Konstrukce a provoz

Částice se do hlavního prstence vstřikují při značných energiích buď lineárním urychlovačem (linacem), nebo mezilehlým synchrotronem, který je zase napájen lineárním urychlovačem. Linak je zase napájen částicemi urychlenými na střední energii jednoduchým zdrojem vysokého napětí, obvykle Cockcroft-Waltonovým generátorem.

Částice jsou navrženy tak, aby opouštěly linak určitou rychlostí ("rychlost vstřikování") a vstupovaly do synchrotronu. Operátoři vypočítají intenzitu magnetického pole potřebnou k usměrnění částic s injekční rychlostí na dráze synchrotronu. Operátoři dodávají elektromagnetům dostatečný proud, aby vytvořily správnou intenzitu magnetického pole.

Od této počáteční intenzity magnetického pole se pak magnetické pole zvyšuje. Částice procházejí elektrostatickým urychlovačem poháněným vysokým střídavým napětím. Při rychlostech částic, které se neblíží rychlosti světla, může být frekvence urychlovacího napětí zhruba úměrná proudu v ohybových magnetech. Jemnější regulaci frekvence provádí servosmyčka, která reaguje na detekci průchodu putující skupiny částic. Při rychlostech částic blížících se rychlosti světla se frekvence stává téměř konstantní, zatímco proud v ohýbacích magnetech se stále zvyšuje. Maximální energie, kterou lze na částice aplikovat (pro danou velikost prstence a počet magnetů), je určena nasycením jader ohybových magnetů (bod, kdy zvyšování proudu nevytváří další magnetické pole). Jedním ze způsobů, jak získat dodatečný výkon, je zvětšit torus a přidat další ohybové magnety. To umožňuje, aby množství přesměrování částic při nasycení bylo menší, a částice tak mohou být energetičtější. Dalším způsobem získání vyššího výkonu je použití supravodivých magnetů, které nejsou omezeny nasycením jádra.

Když částice dosáhnou maximální energie, jsou vyvedeny ze synchrotronu a namířeny na cíl. První synchrotrony používaly stacionární terče. Aby se energie srážky zdvojnásobila, začali fyzikové v 70. letech 20. století srážet dva svazky částic pohybující se v opačném směru namísto jednoho svazku a stacionárního terče. Aby měli dva paprsky, které se pohybují v synchrontronu v opačných směrech, použili částice o stejné hmotnosti, ale s opačným znaménkem. Například elektrony a pozitrony nebo protony a antiprotony.

 

Velké synchrotrony

Jedním z prvních velkých synchrotronů, který je dnes již v důchodu, je Bevatron, postavený v roce 1950 v Lawrence Berkeley Laboratory. Název tohoto urychlovače protonů je odvozen od jeho výkonu v rozsahu 6,3 GeV (tehdy se nazýval BeV jako miliarda elektronvoltů; název předcházel přijetí předpony giga- v soustavě SI). Na tomto zařízení byla poprvé vytvořena řada těžkých prvků, které se v přírodě nevyskytují. Na tomto místě se také nachází jedna z prvních velkých bublinových komor, která sloužila ke zkoumání výsledků srážek atomů, jež přístroj vytvářel.

Dalším raným velkým synchrotronem je Cosmotron postavený v Brookhavenské národní laboratoři, který v roce 1953 dosáhl 3,3 GeV. První synchrotron na Cornellově univerzitě byl postaven před rokem 1950 a měl výkon 300 MeV.

Až do srpna 2008 byl synchrotron s nejvyšší energií na světě Tevatron ve Fermiho národní urychlovačové laboratoři ve Spojených státech. Urychluje protony a antiprotony na kinetickou energii o něco menší než 1 TeV a sráží je dohromady. Velký hadronový urychlovač (LHC), který byl vybudován v Evropské laboratoři pro fyziku vysokých energií (CERN), má zhruba sedminásobek této energie (takže ke srážkám protonů s protony dochází při zhruba 14 TeV). Je umístěn v 27 km dlouhém tunelu, v němž se dříve nacházel Velký elektronový pozitronový urychlovač (LEP), takže si zachová nárok na největší vědecké zařízení, jaké kdy bylo postaveno. LHC bude také urychlovat těžké ionty (např. olova) až na energii 1,15 PeV.

Největším vážně navrhovaným zařízením tohoto typu byl supravodivý superurychlovač (SSC), který měl být postaven v Texasu. Tento projekt, stejně jako jiné, využíval supravodivé magnety, které umožňují vytvářet intenzivnější magnetická pole bez omezení plynoucích z nasycení jádra. Plánovaný obvod jeho prstence byl 87,1 km (54,1 mil) s energií 20 TeV na svazek protonů. Výstavba byla zahájena v roce 1991, ale později v roce 1994 byla zrušena. Projekt byl špatně řízen. Někteří lidé tvrdí, že konec studené války vedl ke změně priorit financování vědy, což přispělo k jeho konečnému zrušení.

I když stále existuje potenciál pro výkonnější cyklické urychlovače protonů a těžkých částic, zdá se, že další krok v oblasti energie elektronového svazku musí zabránit ztrátám způsobeným synchrotronovým zářením. To bude vyžadovat návrat k lineárním urychlovačům, ale se zařízeními podstatně delšími, než jsou ta, která se používají v současnosti. V současné době probíhá rozsáhlá snaha o projektování a výstavbu mezinárodního lineárního urychlovače (ILC), který se bude skládat ze dvou protilehlých lineárních urychlovačů, jednoho pro elektrony a druhého pro pozitrony. Ty se budou srážet při celkové energii středu hmoty 0,5 TeV.

Synchrotronové záření má však také širokou škálu využití (viz synchrotronové světlo) a mnoho synchrotronů 2. a 3. generace bylo postaveno speciálně pro jeho využití. Největšími z těchto zdrojů synchrotronového světla 3. generace jsou European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) v Grenoblu ve Francii, Advanced Photon Source (APS) poblíž Chicaga v USA a SPring-8 v Japonsku, které urychlují elektrony až na 6, 7 a 8 GeV.

Synchrotrony, které jsou užitečné pro špičkový výzkum, jsou velké stroje, jejichž konstrukce stojí desítky nebo stovky milionů dolarů, a každá svazková linka (ve velkém synchrotronu jich může být 20 až 50) stojí v průměru další dva až tři miliony dolarů. Tato zařízení jsou většinou budována agenturami pro financování vědy vládami vyspělých zemí nebo ve spolupráci několika zemí v regionu a provozována jako infrastrukturní zařízení, která jsou k dispozici vědcům z univerzit a výzkumných organizací z celé země, regionu nebo světa. Byly však vyvinuty i kompaktnější modely, jako je například kompaktní zdroj světla.

 
Moderní průmyslové synchrotrony mohou být velmi velké (zde Soleil u Paříže).  

Seznam instalací

Synchrotron	Poloha a země	Energie (GeV)	Obvod (m)	Objednáno	Vyřazené z provozu
Pokročilý zdroj fotonů (APS)	Národní laboratoř Argonne, USA	7.0	1104	1995
ALBA	Cerdanyola del Vallès u Barcelony, Španělsko	3	270	2010
Tantalus	Madison, Wisconsin, USA	.2	9.38	1968	1995
ISIS	Rutherford Appleton Laboratory, Velká Británie	0.8	163	1985
Australský synchrotron	Melbourne, Austrálie	3	216	2006
ANKA	Technologický institut v Karlsruhe, Německo	2.5	110.4	2000
LNLS	Campinas, Brazílie	1.37	93.2	1997
SESAME	Allaan, Jordánsko	2.5	125	V rámci designu
Bevatron	Lawrence Berkeley Laboratory, USA	6	114	1954	1993
Birminghamský synchrotron	Birminghamská univerzita, Velká Británie	1	-	1953
Pokročilý zdroj světla	Lawrence Berkeley Laboratory, USA	1.9	196.8	1993
Cosmotron	Brookhavenská národní laboratoř, USA	3	72	1953	1968
Národní synchrotronový zdroj světla	Brookhavenská národní laboratoř, USA	2.8	170	1982
Nimrod	Rutherford Appleton Laboratory, Velká Británie	7		1957	1978
Synchrotron se střídavým gradientem (AGS)	Brookhavenská národní laboratoř, USA	33	800	1960
Stanfordský zdroj synchrotronového záření	SLAC National Accelerator Laboratory, USA	3	234	1973
Centrum synchrotronového záření (SRC)	Madison, Spojené státy americké	1	121	1987
Cornellův vysokoenergetický synchrotronový zdroj (CHESS)	Cornellova univerzita, USA	5.5	768	1979
Soleil	Paříž, Francie	3	354	2006
Šanghajské synchrotronové radiační zařízení (SSRF)	Šanghaj, Čína	3.5	432	2007
Protonový synchrotron	CERN, Švýcarsko	28	628.3	1959
Tevatron	Fermi National Accelerator Laboratory, USA	1000	6300	1983	2011
Švýcarský zdroj světla	Paul Scherrer Institute, Švýcarsko	2.8	288	2001
Velký hadronový urychlovač (LHC)	CERN, Švýcarsko	7000	26659	2008
BESSY II	Helmholtz-Zentrum Berlin v Berlíně, Německo	1.7	240	1998
Evropské zařízení pro synchrotronové záření (ESRF)	Grenoble, Francie	6	844	1992
MAX-I	MAX-lab, Švédsko	0.55	30	1986
MAX-II	MAX-lab, Švédsko	1.5	90	1997
MAX-III	MAX-lab, Švédsko	0.7	36	2008
ELETTRA	Terst, Itálie	2-2.4	260	1993
Zdroj synchrotronového záření	Daresbury Laboratory, Velká Británie	2	96	1980	2008
ASTRID	Aarhuská univerzita, Dánsko	0.58	40	1991
Diamantový zdroj světla	Oxfordshire, Velká Británie	3	561.6	2006
DORIS III	DESY, Německo	4.5	289	1980
PETRA II	DESY, Německo	12	2304	1995	2007
PETRA III	DESY, Německo	6.5	2304	2009
Kanadský zdroj světla	University of Saskatchewan, Kanada	2.9	171	2002
SPring-8	RIKEN, Japonsko	8	1436	1997
KEK	Tsukuba, Japonsko	12	3016
Národní výzkumné centrum synchrotronového záření	Vědecký park Hsinchu, Tchaj-wan	3.3	518.4	2008
Výzkumný ústav synchrotronového světla (SLRI)	Nakhon Ratchasima, Thajsko	1.2	81.4	2004
Indus 1	Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore, Indie	0.45	18.96	1999
Indus 2	Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore, Indie	2.5	36	2005
Synchrofasotron	JINR, Dubna, Rusko	10	180	1957	2005
Synchrotron U-70	Ústav fyziky vysokých energií, Protvino, Rusko	70		1967
CAMD	LSU, Louisiana, USA	1.5	-	-
PLS	PAL, Pohang, Korea	2.5	280.56	1994

• Poznámka: v případě srážečů je uváděná energie často dvojnásobná oproti zde uvedené hodnotě. Výše uvedená tabulka uvádí energii jednoho paprsku, ale pokud se dva protilehlé paprsky srazí čelně, je energie středu hmoty dvojnásobná oproti uvedené energii paprsku.

 

Aplikace

• Vědy o živé přírodě: krystalografie proteinů a velkých molekul
• Mikrofabrikace na bázi LIGA
• Objevování a výzkum léčiv
• "vypalování" návrhů počítačových čipů do kovových destiček
• Analýza chemických látek za účelem zjištění jejich složení
• Pozorování reakce živých buněk na léky
• Krystalografie a mikroanalýza anorganických materiálů
• Fluorescenční studie
• Analýza polovodičových materiálů a strukturní studie
• Analýza geologického materiálu
• Lékařské zobrazování
• Protonová terapie k léčbě některých forem rakoviny

 

Související stránky

• Seznam zařízení pro synchrotronové záření
• Synchrotronová rentgenová tomografická mikroskopie
• Energetický zesilovač
• Supravodivé rádiové frekvence