Synchrotron: werking, geschiedenis en toepassingen van de deeltjesversneller

De synchrotron is een verbetering ten opzichte van de cyclotron waarbij de deeltjes zich in een spiraalvormig patroon voortbewegen. Een cyclotron gebruikt een constant magnetisch veld en een constant elektrisch veld. (In de synchrocyclotron wordt één van deze velden gevarieerd). Beide velden worden in de synchrotron gevarieerd om het pad van een spiraal in een cirkel te veranderen. Door de velden voorzichtig groter te maken naarmate de deeltjes meer energie krijgen, kan de breedte van het cirkelvormige pad gelijk blijven terwijl de machine de deeltjes versnelt. Hierdoor kan de vacuümkamer voor de deeltjes een grote dunne cirkelvormige pijpentorus (donutvorm) zijn. Het is gemakkelijker om enkele rechte secties tussen de buigende magneten en enkele gebogen secties binnen de magneten te gebruiken, waardoor de torus de vorm krijgt van een veelhoek met ronde hoeken. Een pad dat werkt als een zeer grote cirkel kan worden geconstrueerd met behulp van eenvoudige rechte en gebogen pijpsegmenten, in tegenstelling tot de schijfvormige kamer van de apparaten van het cyclotontype. De vorm vereist ook het gebruik van meerdere magneten om de deeltjesbundels te buigen. Voor beide radiofrequentieholtes zijn rechte secties nodig op afstanden rond een ring, en in opstellingen van de derde generatie is er ruimte voor het inbrengen van inrichtingen voor energie-extractie, zoals wigglers en undulators. De meeste synchrotrons gebruiken twee soorten magneten: dipoolmagneten om de deeltjesbundel te buigen en quadrupoolmagneten om de bundel te focussen.

De maximale energie die een cyclische versneller kan leveren, wordt doorgaans beperkt door de sterkte van het magneetveld en de minimale straal (maximale kromming) van het deeltjespad. Daarom hebben natuurkundigen in de loop der tijd versnellers gebouwd met grotere magneten en grotere cirkels om hogere deeltjesenergieniveaus te bereiken.

In een cyclotron is de maximale straal vrij beperkt, aangezien de deeltjes in het centrum beginnen en naar buiten spiraliseren. Het hele traject moet dus een zelfdragende schijfvormige vacuümkamer zijn. Aangezien de straal beperkt is, wordt het vermogen van de machine beperkt door de sterkte van het magneetveld. Bij een gewone elektromagneet wordt de veldsterkte beperkt door de verzadiging van de kern (wanneer alle magnetische domeinen op dezelfde manier zijn opgesteld, kan het veld in de praktijk niet verder worden vergroot). De opstelling van een enkel paar magneten over de volle breedte van het apparaat beperkt ook de economische omvang van het apparaat.

Synchrotrons overwinnen deze beperkingen door gebruik te maken van een smalle bundelbuis die kan worden omgeven door veel kleinere en strakker gerichte magneten. Het vermogen van dit apparaat om deeltjes te versnellen wordt beperkt door het feit dat de deeltjes geladen moeten zijn om überhaupt te worden versneld, maar geladen deeltjes die worden versneld zenden fotonen (lichtdeeltjes) uit, waardoor zij energie verliezen. De beperkende stralingsenergie wordt bereikt wanneer de energie die verloren gaat aan de laterale (buigende) versnelling die nodig is om de bundelbaan in een cirkel te houden, gelijk is aan de energie die elke cyclus wordt toegevoegd. Krachtiger versnellers worden gebouwd door gebruik te maken van paden met een grote straal en door meer en krachtigere microgolfholtes te gebruiken om de deeltjesbundel tussen de hoeken te versnellen. Lichtere deeltjes (zoals elektronen) verliezen een groter deel van hun energie bij het draaien. In de praktijk wordt de energie van elektronen/positronenversnellers beperkt door dit stralingsverlies, terwijl het geen rol van betekenis speelt in de dynamiek van protonen- of ionenversnellers. De energie daarvan wordt strikt beperkt door de sterkte van de magneten en door de kosten.

Deeltjes worden met aanzienlijke energie in de hoofdring geïnjecteerd door een lineaire versneller (linac) of door een tussenliggende synchrotron die op zijn beurt wordt gevoed door een lineaire versneller. De "linac" wordt op zijn beurt gevoed door deeltjes die door een eenvoudige hoogspanningsvoeding, meestal een Cockcroft-Walton-generator, tot intermediaire energie worden versneld.

Deeltjes moeten de linac met een bepaalde snelheid ("injectiesnelheid") verlaten om de synchrotron binnen te gaan. De operators berekenen de magnetische veldsterkte die nodig is om de deeltjes met de injectiesnelheid op het pad van de synchrotron te sturen. De operators geven de elektromagneten genoeg stroom om de juiste hoeveelheid magnetische veldsterkte te creëren.

Uitgaande van die aanvankelijke magnetische veldsterkte, wordt het magnetisch veld vervolgens vergroot. De deeltjes gaan door een elektrostatische versneller die wordt aangedreven door een hoge wisselspanning. Bij deeltjes die de lichtsnelheid niet benaderen kan de frequentie van de versnellingsspanning ongeveer evenredig worden gemaakt met de stroom in de buigmagneten. Een fijnere regeling van de frequentie wordt uitgevoerd door een servolus die reageert op de detectie van het passeren van de reizende groep deeltjes. Bij deeltjessnelheden die de lichtsnelheid benaderen wordt de frequentie vrijwel constanter, terwijl de stroom in de buigmagneten blijft toenemen. De maximale energie die op de deeltjes kan worden uitgeoefend (voor een bepaalde ringgrootte en een bepaald aantal magneten) wordt bepaald door de verzadiging van de kernen van de buigmagneten (het punt waarop toenemende stroom geen extra magnetisch veld produceert). Een manier om extra vermogen te verkrijgen is de torus groter te maken en extra buigmagneten toe te voegen. Hierdoor wordt de deeltjesomleiding bij verzadiging minder en kunnen de deeltjes dus energieker zijn. Een andere manier om een hoger vermogen te verkrijgen is het gebruik van supergeleidende magneten, die niet worden beperkt door verzadiging van de kern.

Wanneer de deeltjes hun maximale energie hebben bereikt, worden ze uit de synchrotron gestuurd en op een doelwit gericht. Vroege synchrotrons gebruikten stationaire doelen. Om de energie van een botsing te verdubbelen, begonnen natuurkundigen in de jaren zeventig twee deeltjesbundels die in tegengestelde richting reisden met elkaar te laten botsen in plaats van slechts één bundel en een stationair doelwit. Om twee bundels te hebben die in het synchrontron in tegengestelde richting reizen, gebruikten zij deeltjes met dezelfde massa maar met het tegenovergestelde teken. Bijvoorbeeld elektronen en positronen of protonen en antiprotonen.

Een van de eerste grote synchrotrons, die nu met pensioen is, is de Bevatron, gebouwd in 1950 in het Lawrence Berkeley Laboratory. De naam van deze protonversneller komt van zijn vermogen, in het bereik van 6,3 GeV (destijds BeV genoemd voor miljard elektronvolt; de naam dateert van vóór de invoering van het SI-voorvoegsel giga-). Een aantal zware elementen, ongezien in de natuur, werden voor het eerst met deze machine gecreëerd. Op deze plaats stond ook een van de eerste grote bubbelkamers die werden gebruikt om de resultaten van de door de machine veroorzaakte atoombotsingen te onderzoeken.

Een andere vroege grote synchrotron is de Cosmotron in Brookhaven National Laboratory, die in 1953 3,3 GeV bereikte. De eerste synchrotron van de Cornell University werd vóór 1950 gebouwd met een vermogen van 300 MeV.

Tot augustus 2008 was het Tevatron in het Fermi National Accelerator Laboratory in de Verenigde Staten de synchrotron met de hoogste energie ter wereld. Het versnelt protonen en antiprotonen tot een kinetische energie van iets minder dan 1 TeV en laat ze tegen elkaar botsen. De Large Hadron Collider (LHC), die is gebouwd in het Europees laboratorium voor hoge-energiefysica (CERN), heeft ongeveer zeven keer deze energie (proton-protonbotsingen vinden dus plaats bij ongeveer 14 TeV). Hij is gehuisvest in de 27 km lange tunnel waarin vroeger de Large Electron Positron (LEP) collider was ondergebracht, zodat hij aanspraak kan blijven maken op het grootste wetenschappelijke apparaat dat ooit is gebouwd. De LHC zal ook zware ionen (zoals lood) versnellen tot een energie van 1,15 PeV.

De grootste serieus voorgestelde machine van dit type was de Superconducting Super Collider (SSC), die in Texas zou worden gebouwd. Dit ontwerp maakte, net als andere, gebruik van supergeleidende magneten waarmee intensere magnetische velden kunnen worden gecreëerd zonder de beperkingen van kernverzadiging. De geplande ringomtrek was 87,1 kilometer met een energie van 20 TeV per bundel protonen. Met de bouw werd in 1991 begonnen, maar deze werd in 1994 geannuleerd. Het project werd slecht beheerd. Sommigen zeggen dat het einde van de Koude Oorlog leidde tot een verandering van de wetenschappelijke financieringsprioriteiten die bijdroeg tot de uiteindelijke annulering.

Hoewel er nog potentieel is voor nog krachtiger protonen- en zware-deeltjescyclische versnellers, lijkt het erop dat de volgende stap in energie van elektronenbundels verliezen door synchrotronstraling moet vermijden. Dit vereist een terugkeer naar de lineaire versneller, maar met toestellen die aanzienlijk langer zijn dan die welke momenteel in gebruik zijn. Momenteel wordt hard gewerkt aan het ontwerp en de bouw van de Internationale Lineaire Collider (ILC), die zal bestaan uit twee tegengestelde lineaire versnellers, één voor elektronen en één voor positronen. Deze zullen botsen met een totale massa-massa-energie van 0,5 TeV.

Synchrotronstraling heeft echter ook een breed scala van toepassingen (zie synchrotronlicht) en veel synchrotrons van de 2e en 3e generatie zijn speciaal gebouwd om deze te benutten. De grootste van die synchrotronlichtbronnen van de 3e generatie zijn de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankrijk, de Advanced Photon Source (APS) bij Chicago, VS, en SPring-8 in Japan, die elektronen versnellen tot respectievelijk 6, 7 en 8 GeV.

Synchrotrons die nuttig zijn voor geavanceerd onderzoek zijn grote machines, waarvan de bouw tientallen of honderden miljoenen dollars kost, en elke beamline (er kunnen er 20 tot 50 zijn bij een grote synchrotron) kost gemiddeld nog eens twee of drie miljoen dollar. Deze installaties worden meestal gebouwd door de wetenschappelijke financieringsinstanties van regeringen van ontwikkelde landen, of door samenwerkingsverbanden tussen verschillende landen in een regio, en worden geëxploiteerd als infrastructuurfaciliteiten die beschikbaar zijn voor wetenschappers van universiteiten en onderzoeksorganisaties in het hele land, de hele regio of de hele wereld. Er zijn echter compactere modellen ontwikkeld, zoals de Compact Light Source.

• Opmerking: in het geval van colliders is de vermelde energie vaak het dubbele van wat hier wordt getoond. De bovenstaande tabel toont de energie van één straal, maar als twee tegengestelde stralen frontaal op elkaar botsen, is de energie van het massamiddelpunt het dubbele van de getoonde stralingsenergie.

• Biowetenschappen: kristallografie van eiwitten en grote moleculen
• LIGA gebaseerde microfabricage
• Ontdekking en onderzoek van geneesmiddelen
• "Branden" computerchip ontwerpen in metalen wafers
• Analyseren van chemicaliën om hun samenstelling te bepalen
• Observeren van de reactie van levende cellen op geneesmiddelen
• Kristallografie en microanalyse van anorganische materialen
• Fluorescentiestudies
• Analyse van halfgeleidermateriaal en structuurstudies
• Analyse van geologisch materiaal
• Medische beeldvorming
• Protontherapie voor de behandeling van sommige vormen van kanker

• Lijst van synchrotronstralingsfaciliteiten
• Synchrotron röntgentomografische microscopie
• Energieversterker
• Supergeleidende radiofrequentie