Синхротрон: принцип работы и современные применения.

Введение

Тип циклического ускорителя частиц
синхротрон, ускоритель частиц

Синхротрон – это особый тип циклического ускорителя частиц, произошедший от циклотрона, в котором ускоряемый пучок частиц движется по фиксированному замкнутому пути. Магнитное поле, отклоняющее пучок частиц по замкнутой траектории, увеличивается со временем в процессе ускорения, синхронизируясь с возрастающей кинетической энергией частиц. Синхротрон – одна из первых концепций ускорителей, позволившая строить крупномасштабные установки, поскольку отклонение, фокусировка пучка и ускорение могут быть разделены на различные компоненты. Самые мощные современные ускорители частиц используют варианты синхротронной конструкции. Крупнейшим ускорителем синхротронного типа, а также крупнейшим в мире ускорителем частиц, является Большой адронный коллайдер (LHC) вблизи Женевы (Швейцария), построенный в 2008 году Европейской организацией по ядерным исследованиям (CERN). Он способен ускорять пучки протонов до энергии 7 тераэлектронвольт (ТэВ или 10¹² эВ). Принцип синхротрона был изобретен Владимиром Векслером в 1944 году. Эдвин Макмиллан построил первый электронный синхротрон в 1945 году, придя к этой идее независимо, не ознакомившись с публикацией Векслера (которая была доступна только в советском журнале, хотя и на английском языке). Первый протоновый синхротрон был спроектирован сэром Маркусом Олифантом и построен в 1952 году. В синхротроне эта адаптация осуществляется путем изменения напряженности магнитного поля во времени, а не в пространстве. Для частиц, скорость которых значительно меньше скорости света, частота приложенного электромагнитного поля также может изменяться, чтобы соответствовать их непостоянному времени обращения. Увеличивая эти параметры по мере приобретения частицами энергии, можно поддерживать постоянной их траекторию обращения в процессе ускорения. Это позволяет вакуумной камере для частиц иметь форму большого тонкого тора, а не диска, как в предыдущих, компактных конструкциях ускорителей. Кроме того, тонкий профиль вакуумной камеры обеспечил более эффективное использование магнитных полей по сравнению с циклотроном, что позволило экономически эффективно строить более крупные синхротроны. В то время как первые синхротроны и накопительные кольца, такие как Космотрон и ADA, строго использовали тороидальную форму, принцип сильной фокусировки, независимо открытый Эрнестом Курантом и др. и Николаем Кристофилосом, позволил полностью разделить ускоритель на компоненты со специализированными функциями вдоль траектории частиц, придавая ей форму многоугольника со скругленными углами. Важнейшие компоненты включают в себя радиочастотные резонаторы для непосредственного ускорения, дипольные магниты (отклоняющие магниты) для отклонения частиц (для замыкания траектории) и квадрупольные/секступольные магниты для фокусировки пучка. Сочетание изменяющихся во времени направляющих магнитных полей и принципа сильной фокусировки позволило разработать и эксплуатировать современные крупномасштабные ускорительские комплексы, такие как коллайдеры и источники синхротронного излучения. Прямые участки вдоль замкнутой траектории в таких установках необходимы не только для радиочастотных резонаторов, но и для детекторов частиц (в коллайдерах) и устройств генерации фотонов, таких как вигглеры и ондуляторы (в источниках синхротронного излучения третьего поколения). Максимальная энергия, которую может передать циклический ускоритель, обычно ограничена максимальной напряженностью магнитных полей и минимальным радиусом (максимальной кривизной) траектории частиц. Таким образом, одним из способов увеличения энергетического предела является использование сверхпроводящих магнитов, которые не ограничены магнитным насыщением. Ускорители электронов/позитронов также могут быть ограничены излучением синхротронного излучения, приводящим к частичной потере кинетической энергии пучка частиц. Предельная энергия пучка достигается, когда энергия, теряемая при боковом ускорении, необходимом для поддержания траектории пучка по окружности, равна энергии, добавляемой за каждый цикл. Более мощные ускорители строятся с использованием траекторий большего радиуса и с использованием большего числа и более мощных микроволновых резонаторов. Более легкие частицы (например, электроны) теряют большую долю своей энергии при отклонении. На практике энергия ускорителей электронов/позитронов ограничена этой потерей излучения, в то время как это не играет существенной роли в динамике протонов или ионных ускорителей. Энергия таких ускорителей ограничена исключительно напряженностью магнитов и стоимостью.

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.

Процедура инъекции

В отличие от циклотрона, синхротроны не могут ускорять частицы, начиная с нулевой кинетической энергии; одна из очевидных причин этого заключается в том, что замкнутая траектория частиц в синхротроне была бы прервана устройством, вводящим частицы. Поэтому были разработаны схемы для инжекции предварительно ускоренных пучков частиц в синхротрон. Предварительное ускорение может быть реализовано цепочкой других ускорительных структур, таких как линак, микротрон или другой синхротрон; все они, в свою очередь, нуждаются в питании от источника частиц, включающего простой источник высокого напряжения, обычно генератор Кокрофта-Уолтона. Начиная с соответствующего начального значения, определяемого энергией инжекции, затем увеличивается напряженность магнитного поля дипольных магнитов. Если высокоэнергетические частицы выводятся в конце процедуры ускорения, например, на мишень или в другой ускоритель, напряженность поля снова снижается до уровня инжекции, запуская новый цикл инжекции. В зависимости от используемого метода управления магнитами, длительность одного цикла может существенно различаться на разных установках.

В крупных объектах

Одним из первых крупных синхротронов, уже выведенных из эксплуатации, является Беватрон, построенный в 1950 году в Лоуренсовской Берклийской лаборатории. Название этого протонного ускорителя происходит от его мощности, составляющей около 6,3 ГэВ (тогда обозначаемой как BeV, что означало миллиард электронвольт; название появилось до принятия СИ-префикса "гига"). На этой установке впервые были созданы ряд трансурановых элементов, не встречающихся в природе. На этом же месте располагалась одна из первых крупных пузырьковых камер, использовавшаяся для изучения результатов атомных столкновений, производимых здесь. Другой ранний крупный синхротрон – Космотрон, построенный в Брукхейвенской национальной лаборатории, достиг энергии 3,3 ГэВ в 1953 году. Из немногочисленных синхротронов по всему миру, 16 находятся в Соединенных Штатах. Многие из них принадлежат национальным лабораториям, лишь немногие – университетам.

В составе коллайдеров

До августа 2008 года самым мощным коллайдером в мире был Теватрон, расположенный в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Соединенных Штатах. Он разгонял протоны и антипротоны до кинетической энергии, немного меньшей 1 ТэВ, и сталкивал их. Большой адронный коллайдер (LHC), построенный в Европейской организации ядерных исследований (CERN), обладает примерно в семь раз большей энергией (поэтому столкновения протонов происходят при энергии около 14 ТэВ). Он размещен в 27-километровом туннеле, который ранее использовался для Большого электронно-позитронного коллайдера (LEP), и поэтому сохранит за собой звание крупнейшего научного прибора, когда-либо созданного. LHC также будет разгонять тяжелые ионы (например, свинец) до энергии 1,15 ПеВ. Самым крупным из предложенных проектов подобного типа был Суперпроводящий суперколлидер (SSC), который планировалось построить в Соединенных Штатах. Эта конструкция, как и другие, использовала сверхпроводящие магниты, позволяющие создавать более сильные магнитные поля без ограничений, связанных с насыщением сердечника. Хотя строительство и было начато, проект был отменен в 1994 году из-за значительного превышения бюджета – это было вызвано неточной оценкой стоимости и проблемами экономического управления, а не какими-либо фундаментальными инженерными недостатками. Можно также утверждать, что окончание холодной войны привело к изменению приоритетов в научном финансировании, что также способствовало отмене проекта. Однако туннель, построенный для него, до сих пор существует, хотя и пустует. Несмотря на то, что существует потенциал для создания еще более мощных циклических ускорителей протонов и тяжелых частиц, похоже, что следующий шаг в увеличении энергии электронного пучка потребует решения проблемы потерь на синхротронное излучение. Это потребует возвращения к линейным ускорителям, но с устройствами значительно большей длины, чем используемые в настоящее время. В настоящее время ведется активная работа по проектированию и строительству Международного линейного коллайдера (ILC), который будет состоять из двух встречных линейных ускорителей – одного для электронов и одного для позитронов. Они будут сталкиваться при общей энергии в центре масс 0,5 ТэВ.

Until August 2008, the highest energy collider in the world was the Tevatron, at the Fermi National Accelerator Laboratory, in the United States. It accelerated protons and antiprotons to slightly less than 1 TeV of kinetic energy and collided them together. The Large Hadron Collider (LHC), which has been built at the European Laboratory for High Energy Physics (CERN), has roughly seven times this energy (so proton proton collisions occur at roughly 14 TeV). It is housed in the 27 km tunnel which formerly housed the Large Electron Positron (LEP) collider, so it will maintain the claim as the largest scientific device ever built. The LHC will also accelerate heavy ions (such as lead) up to an energy of 1.15 PeV. The largest device of this type seriously proposed was the Superconducting Super Collider (SSC), which was to be built in the United States. This design, like others, used superconducting magnets which allow more intense magnetic fields to be created without the limitations of core saturation. While construction was begun, the project was cancelled in 1994, citing excessive budget overruns — this was due to naïve cost estimation and economic management issues rather than any basic engineering flaws. It can also be argued that the end of the Cold War resulted in a change of scientific funding priorities that contributed to its ultimate cancellation. However, the tunnel built for its placement still remains, although empty. While there is still potential for yet more powerful proton and heavy particle cyclic accelerators, it appears that the next step up in electron beam energy must avoid losses due to synchrotron radiation. This will require a return to the linear accelerator, but with devices significantly longer than those currently in use. There is at present a major effort to design and build the International Linear Collider (ILC), which will consist of two opposing linear accelerators, one for electrons and one for positrons. These will collide at a total center of mass energy of 0.5 TeV.

В составе синхротронных источников света

Синхротронное излучение также имеет широкий спектр применений (см. Синхротронный свет), и многие синхротроны второго и третьего поколений были построены специально для его получения. Крупнейшие из этих источников синхротронного света третьего поколения – Европейский центр синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле (Франция), Усовершенствованный источник фотонов (APS) близ Чикаго (США) и SPring 8 в Японии, разгоняющие электроны до энергий 6, 7 и 8 ГэВ соответственно. Синхротроны, пригодные для передовых исследований, – это крупные установки, строительство которых обходится в десятки или сотни миллионов долларов, а стоимость каждой линии (их может быть от 20 до 50 на крупном синхротроне) в среднем составляет еще два-три миллиона долларов. Эти установки в основном строятся научными фондами правительств развитых стран или в рамках сотрудничества между несколькими странами региона и функционируют как инфраструктурные объекты, доступные для ученых из университетов и исследовательских организаций по всей стране, региону или миру. Однако были разработаны и более компактные модели, такие как компактный источник света.