Кіріспе
Циклдық бөлшектерді үдеткіштің түрі – синхротрон, бөлшектерді үдеткіш. Синхротрон – циклотрондан шыққан, үдетілген бөлшектер сәулесі бекітілген жабық циклдық жолмен қозғалатын циклдық бөлшектерді үдеткіштің ерекше түрі. Бөлшектер сәулесін жабық жолға бұратын магниттік өріс үдету процесінде уақыт өте келесе күшейеді, бұл бөлшектердің кинетикалық энергиясының өсуімен синхронды болады. Синхротрон – ірі құрылыстарды салуға мүмкіндік берген алғашқы үдеткіш концепцияларының бірі, себебі иілу, сәулені фокустау және үдетуді әртүрлі компоненттерге бөлуге болады. Қазіргі заманғы ең қуатты бөлшектер үдеткіштері синхротрон конструкциясының түрлерін пайдаланады. Синхротрон типіндегі ең ірі үдеткіш, сонымен қатар әлемдегі ең ірі бөлшектер үдеткіші – 2008 жылы Еуропалық ядролық зерттеулер ұйымы (CERN) Швейцариядағы Женеваның жанында салған Үлкен адрондық коллайдер (LHC). Ол протондар сәулесін 7 тераэлектронвольтқа (TeV немесе 1012 эВ) дейін үдетуге қабілетті. Синхротрон принципін 1944 жылы Владимир Векслер ойлап тапты. Эдвин Макмиллан 1945 жылы бірінші электрондық синхротронды құрды, бұл идеяға өздігінен келді, Векслердің жарияланымын жіберіп алды (ол тек советтік журналдарда ғана қол жетімді болды, тіпті ағылшын тілінде де болса). Бірінші протондық синхротронды сэр Маркус Олифант жобалап, 1952 жылы салды. Синхротронда бұл бейімделу магниттік өрістің күшінің кеңістікте емес, уақытта өзгеруі арқылы жүзеге асырылады. Жарық жылдамдығына жақын емес бөлшектер үшін қолданылатын электромагниттік өрістің жиілігі олардың тұрақты емес айналым уақытына сәйкес өзгеруі мүмкін. Бөлшектер энергия жинаған сайын осы параметрлерді арттыру арқылы олардың айналым жолын үдетілгенде де тұрақты ұстауға болады. Бұл бөлшектердің вакуумдық камерасын алдыңғы, ықшам үдеткіш конструкциясындағыдай дискіге қарағанда үлкен, жұқа торға айналдырады. Сондай-ақ, вакуумдық камераның жұқа профилі циклотронға қарағанда магниттік өрістерді тиімді пайдалануға мүмкіндік берді, бұл үлкен синхротрондарды тиімді құруға мүмкіндік берді. Космотрон және АДА сияқты алғашқы синхротрондар мен сақтау сақиналары тороид пішінін қатаң қолданғанда, Эрнест Курант және басқалар өздігінен ашқан күшті фокустау принципі бөлшектердің жолы бойынша арнайы функциялары бар компоненттерге үдеткішті толық бөлуге мүмкіндік берді, жолды бұрыштармен көпбұрышқа айналдырды. Кейбір маңызды компоненттер тікелей үдету үшін радиожиілік қуыстары, бөлшектерді бұру үшін дипольді магниттер (бұрылу магниттері) (жолды жабу үшін) және сәулені фокустау үшін квадропольді/секспупольді магниттер арқылы беріледі. Уақытқа тәуелді бағыттаушы магниттік өрістер мен күшті фокустау принципінің үйлесімі коллайдерлер мен синхротрон жарық көздері сияқты заманауи ірі масштабты үдеткіш құрылғыларын жобалауға және пайдалануға мүмкіндік берді. Мұндай құрылғылардағы жабық жол бойындағы түзу бөлімдер радиожиілік қуыстар үшін ғана емес, сонымен қатар бөлшектерді анықтағыштар (колайдерлерде) және фотон тудыру құрылғылары үшін де қажет, мысалы, виггерлер мен ундуляторлар (үшінші буын синхротрон жарық көздерінде). Циклдық үдеткіш бере алатын ең жоғары энергия әдетте магниттік өрістердің ең жоғары күшімен және бөлшектер жолының ең төменгі радиусымен (ең жоғары қисығымен) шектеледі. Сондықтан энергия шегін арттырудың бір жолы – суперөткізгіш магниттерді пайдалану, олар магниттік қанығумен шектелмейді. Электрондық/позитрондық үдеткіштерді синхротрон сәулесінің шығарылуы да шектеуі мүмкін, нәтижесінде бөлшектер сәулесінің кинетикалық энергиясының бір бөлігі жоғалады. Шектеуші сәуле энергиясы сәуле жолын шеңберде ұстауға қажетті бүйірлік үдемеге жұмсалған энергия әрбір циклда қосылған энергияға тең болғанда жетеді. Күшті үдеткіштер үлкен радиустық жолдарды және көптеген қуатты микротолқынды қуыстарды пайдалану арқылы жасалады. Жеңіл бөлшектер (мысалы, электрондар) бұрылу кезінде энергиясының үлкен бөлігін жоғалтады. Іс жүзінде электрондық/позитрондық үдеткіштердің энергиясы осы сәулелену шығынымен шектеледі, ал бұл протондық немесе иондық үдеткіштердің динамикасында маңызды рөл атқармайды. Мұндай үдеткіштердің энергиясы магниттердің күшімен және құнымен шектеледі.
the synchrotron, a particle accelerator
A synchrotron is a particular type of cyclic particle accelerator, descended from the cyclotron, in which the accelerating particle beam travels around a fixed closed loop path. The magnetic field which bends the particle beam into its closed path increases with time during the accelerating process, being synchronized to the increasing kinetic energy of the particles. The synchrotron is one of the first accelerator concepts to enable the construction of large scale facilities, since bending, beam focusing and acceleration can be separated into different components. The most powerful modern particle accelerators use versions of the synchrotron design. The largest synchrotron type accelerator, also the largest particle accelerator in the world, is the Large Hadron Collider (LHC) near Geneva, Switzerland, built in 2008 by the European Organization for Nuclear Research (CERN). It can accelerate beams of protons to an energy of 7 tera electronvolts (TeV or 1012 eV). The synchrotron principle was invented by Vladimir Veksler in 1944. Edwin McMillan constructed the first electron synchrotron in 1945, arriving at the idea independently, having missed Veksler's publication (which was only available in a Soviet journal, although in English). The first proton synchrotron was designed by Sir Marcus Oliphant and built in 1952. In a synchrotron, this adaptation is done by variation of the magnetic field strength in time, rather than in space. For particles that are not close to the speed of light, the frequency of the applied electromagnetic field may also change to follow their non constant circulation time. By increasing these parameters accordingly as the particles gain energy, their circulation path can be held constant as they are accelerated. This allows the vacuum chamber for the particles to be a large thin torus, rather than a disk as in previous, compact accelerator designs. Also, the thin profile of the vacuum chamber allowed for a more efficient use of magnetic fields than in a cyclotron, enabling the cost effective construction of larger synchrotrons. While the first synchrotrons and storage rings like the Cosmotron and ADA strictly used the toroid shape, the strong focusing principle independently discovered by Ernest Courant et al. and Nicholas Christofilos allowed the complete separation of the accelerator into components with specialized functions along the particle path, shaping the path into a round cornered polygon. Some important components are given by radio frequency cavities for direct acceleration, dipole magnets (bending magnets) for deflection of particles (to close the path), and quadrupole / sextupole magnets for beam focusing. The combination of time dependent guiding magnetic fields and the strong focusing principle enabled the design and operation of modern large scale accelerator facilities like colliders and synchrotron light sources. The straight sections along the closed path in such facilities are not only required for radio frequency cavities, but also for particle detectors (in colliders) and photon generation devices such as wigglers and undulators (in third generation synchrotron light sources). The maximum energy that a cyclic accelerator can impart is typically limited by the maximum strength of the magnetic fields and the minimum radius (maximum curvature) of the particle path. Thus one method for increasing the energy limit is to use superconducting magnets, these not being limited by magnetic saturation. Electron/positron accelerators may also be limited by the emission of synchrotron radiation, resulting in a partial loss of the particle beam's kinetic energy. The limiting beam energy is reached when the energy lost to the lateral acceleration required to maintain the beam path in a circle equals the energy added each cycle. More powerful accelerators are built by using large radius paths and by using more numerous and more powerful microwave cavities. Lighter particles (such as electrons) lose a larger fraction of their energy when deflected. Practically speaking, the energy of electron/positron accelerators is limited by this radiation loss, while this does not play a significant role in the dynamics of proton or ion accelerators. The energy of such accelerators is limited strictly by the strength of magnets and by the cost.
Инъекция жасау
Циклотроннан өзгеше, синхротрондар бөлшектерді бастапқы нөлдік кинетикалық энергиядан үдетуге шамасы келмейді; мұның айқын себебі – оның жабық бөлшектер траекториясы бөлшектер шығаратын құрылғымен қиылысады. Сондықтан, синхротронға алдын ала үдетілген бөлшектер шоғын енгізу схемалары жасалды. Алдын ала үдетуді линак, микротрон немесе тағы бір синхротрон сияқты басқа үдеткіш құрылымдар тізбегі арқылы іске асыруға болады; олардың барлығы да әдетте Коккрофт-Уолтон генераторы болатын қарапайым жоғары кернеулі қуат көзінен тұратын бөлшектер көзімен қамтамасыз етілуі керек. Инъекция энергиясымен анықталатын сәйкес бастапқы мәннен бастап, диполь магниттерінің өріс күші арттырылады. Егер жоғары энергиялы бөлшектер үдету процесінің соңында, мысалы, нысанаға немесе басқа үдеткішке шығарылса, өріс күші қайтадан инъекция деңгейіне төмендетіліп, жаңа инъекция циклы басталады. Магнитті басқару тәсіліне байланысты, бір циклға кететін уақыт интервалы әртүрлі орналымдарда айтарлықтай өзгеруі мүмкін.
Үлкен нысандарда
Алғашқы үлкен синхротронның бірі – 1950 жылы Лоренс Беркли зертханасында салынған Беватрон. Бұл протондық үдеткіштің атауы оның қуатынан шыққан, ол 6,3 ГэВ (бұрын миллиард электрон вольт үшін BeV деп аталған; атауы СИ префиксі гига қолданысқа енгенге дейін берілген). Табиғатта кездеспейтін бірқатар трансуран элементтері алғаш рет осы құрылғыда жасалды. Осы жерде атомдық соқтығысулардың нәтижелерін зерттеу үшін қолданылған алғашқы ірі көпіршік камераларының бірі де орналасқан. Тағы бір ертедегі үлкен синхротрон – 1953 жылы 3,3 ГэВ-қа жеткен Брукхейвен ұлттық зертханасында салынған Космотрон. Әлемдегі санаулы синхротрондардың ішінде 16-сы АҚШ-та орналасқан. Олардың көп бөлігі ұлттық зертханаларға қарасты, ал небары бірнешесі университеттерде орналасқан.
Бәсекелестердің бөлігі ретінде
2008 жылдың тамызына дейін әлемдегі ең жоғары энергиялы коллайдер АҚШ-тағы Ферми ұлттық жеделдетуші зертханасындағы Теватрон болды. Ол протондар мен антипротондарды 1 ТэВ-тан аспайтын кинетикалық энергияға дейін үдетіп, оларды бір-бірімен соқтығыстырды. Еуропалық жоғары энергиялы физика зертханасында (CERN) салынған Үлкен адрондық коллайдер (LHC) шамамен жеті есе көп энергияға ие (сондықтан протон-протон соқтығысулары шамамен 14 ТэВ-та жүзеге асады). Ол бұрын Үлкен электрон-позитрон (LEP) коллайдері орналасқан 27 км туннельде орналасқан, сондықтан ол құрылған ең үлкен ғылыми құрылғы ретіндегі мәртебесін сақтайды. LHC сондай-ақ ауыр иондарды (мысалы, қорғасынды) 1,15 PeV энергиясына дейін үдетеді. Осы типтегі ең ірі құрылғы – АҚШ-та салынуы жоспарланған Суперөткізгіш Суперколайдер (SSC) болды. Бұл жоба, басқалары сияқты, өзектің қанығуының шектеулерінен туындамайтын, күшті магнит өрістерін жасауға мүмкіндік беретін суперөткізгіш магниттерді пайдаланды. Құрылыс басталғаннан кейін, жоба 1994 жылы бюджеттен шығынның артуына байланысты тоқтатылды. Бұл негізгі инженерлік ақауларға емес, шығындарды дұрыс бағаламау мен экономикалық басқару мәселелеріне байланысты болды. Сонымен қатар, "суық соғыстың" аяқталуы ғылыми қаржыландыру басымдықтарының өзгеруіне әкелді, бұл жобаның тоқтатылуына да себеп болды деп айтуға болады. Дегенмен, оның орналасуы үшін салынған туннель әлі де бос тұр. Протондық және ауыр бөлшектерді үдететін қуатты циклдік жеделдетушілердің құрылуы мүмкін болғанымен, электрондық сәуле энергиясын арттыру үшін синхротрон сәулеленуінен туындайтын шығындарды болдырмау қажет. Бұл сызықтық үдеткіштерге қайта оралуды талап етеді, бірақ қазіргі қолданыстағы құрылғылардан әлдеқайда ұзын құрылғылар қажет. Қазіргі уақытта Халықаралық сызықтық коллайдерді (ILC) жобалау және салу жөнінде үлкен жұмыстар жүргізілуде, ол екі қарама-қарсы сызықтық жеделдетушіден – электрондар үшін біреуінен және позитрондар үшін біреуінен тұрады. Олардың соқтығысуының жалпы массалық энергиясы 0,5 ТэВ құрайды.
Синхротронды жарық көздерінің бөлігі ретінде
Синхротрон сәулеленуінің де кең қолданылу саласы бар (синхротрондық жарықты қараңыз), және оны қолдану үшін көптеген 2-ші және 3-ші буын синхротрондары арнайы салынды. Осы 3-ші буын синхротрондық жарық көздерінің ең ірілері – Гренобльдегі (Франция) Еуропалық синхротрондық сәулелену орталығы (ESRF), Чикаго маңындағы (АҚШ) Күшті фотондар көзі (APS) және Жапониядағы SPring 8, электронды тиісінше 6, 7 және 8 ГэВ жылдамдыққа дейін үдетіп жібереді. Соңғы шешімдерді зерттеу үшін пайдалы синхротрондар – өте үлкен құрылғылар, оларды салуға ондаған, тіпті жүздеген миллион доллар жұмсалады, ал әрбір сәуле желісі (ірі синхротронда 20-дан 50-ге дейін болуы мүмкін) орташа есеппен тағы екі-үш миллион доллар тұрады. Мұндай орталықтарды көбінесе дамыған елдердің ғылымды қаржыландыру агенттіктері немесе аймақтағы бірнеше елдердің бірлескен күштерімен салады және олар елдің, аймақтың немесе әлемнің университеттері мен ғылыми-зерттеу ұйымдарының ғалымдарына қолжетімді инфрақұрылымдық нысандар ретінде қызмет етеді. Дегенмен, шағын үлгілер де жасалды, мысалы, Шағын жарық көзі.