Vad är en Synchrotron?

EN synkrotron är en design av en cyklisk partikelaccelerator, i vilken en stråle av laddade partiklar passerar upprepade gånger genom ett magnetfält för att få energi på varje pass. När strålen får energi justeras fältet för att behålla kontrollen över strålens bana när den rör sig runt den cirkulära ringen. Principen utvecklades av Vladimir Veksler 1944, med den första elektronsynkrotronen byggd 1945 och den första protonsynkrotronen byggdes 1952.

Hur en Synchrotron fungerar

Synkrotronen är en förbättring av cyklotronen, som designades på 1930-talet. I cyklotroner rör sig strålen med laddade partiklar genom ett konstant magnetfält som styr strålen i en spiralväg och passerar sedan genom ett konstant elektromagnetiskt fält som ger en ökning av energi på varje pass genom fältet. Denna ojämnhet i kinetisk energi innebär att strålen rör sig genom en något bredare cirkel på passagen genom magnetfältet, får en annan bult, och så vidare tills den når de önskade energinivåerna.

Förbättringen som leder till synkrotronen är att istället för att använda konstanta fält tillämpar synkrotronen ett fält som ändras i tid. När strålen får energi justeras fältet i enlighet därmed för att hålla strålen i mitten av röret som innehåller strålen. Detta möjliggör större grader av kontroll över strålen, och enheten kan byggas för att ge fler ökningar av energi under en cykel. 

En specifik typ av synkrotronkonstruktion kallas en lagringsring, som är en synkrotron som är konstruerad för det enda syftet att upprätthålla en konstant energinivå i en balk. Många partikelacceleratorer använder huvudacceleratorstrukturen för att accelerera strålen upp till den önskade energinivån och överför den sedan till lagringsringen som ska upprätthållas tills den kan kollideras med en annan stråle som rör sig i motsatt riktning. Detta fördubblar effektivt kollisionens energi utan att behöva bygga två fulla acceleratorer för att få två olika balkar upp till full energinivå.

Major Synchrotrons

Cosmotron var en protonsynkrotron som byggdes vid Brookhaven National Laboratory. Den togs i drift 1948 och nådde full styrka 1953. Vid den tiden var det den mest kraftfulla enheten som byggdes, på väg att nå energier på cirka 3,3 GeV, och den förblev i drift till 1968.

Byggandet av Bevatron vid Lawrence Berkeley National Laboratory började 1950 och det slutfördes 1954. År 1955 användes Bevatron för att upptäcka antiproton, en prestation som fick Nobelprisen 1959 i fysik. (Intressant historisk anmärkning: Det kallades Bevatraon eftersom det uppnådde energier på cirka 6,4 BEV, för "miljarder elektronvolt." Med antagandet av SI-enheter antogs emellertid prefixet giga-för denna skala, så notationen ändrades till GeV.)

Tevatron-partikelacceleratorn vid Fermilab var en synkrotron. Förmåga att påskynda protoner och antiprotoner till kinetiska energinivåer mindre än 1 TeV, det var den mest kraftfulla partikelacceleratorn i världen fram till 2008, då den överträffades av Large Hadron Collider. Den 27 kilometer stora huvudacceleratorn vid Large Hadron Collider är också en synkrotron och kan nu uppnå accelerationsenergier på cirka 7 TeV per balk, vilket resulterar i 14 TeV-kollisioner.