Synkrotron, maskin som brukes for å akselerere elektroner og protoner til meget høy energi. Synkrotronen er en ringformet akselerator, hvor partiklene akselereres av et høyfrekvent elektrisk felt som er synkronisert med partikkelbevegelsen slik at det driver partiklene fremover, og hvor partiklene holdes i en sirkulær bane av et magnetfelt som øker synkront med partikkelenergien. Akselerasjonen foregår i prinsippet på samme måte som i syklotron og lineærakselerator ved at det i hulromsresonatorer eller mellom hule metallelektroder dannes stående bølger som skifter fase mens partiklene er inne i hulrommet, nær et knutepunkt, eller ved at det dannes bærebølger som forplanter seg med samme hastighet som partiklene og fører dem med seg.

Teoretisk gis det ingen begrensning for hvilken energi partiklene kan akselereres til i en synkrotron, hvis baneradien gjøres stor nok. For en gitt baneradius er energien begrenset på to måter. Den magnetiske feltstyrke som må til for å holde partiklene i bane, øker med energien. I de fleste synkrotroner benyttes magneter med jernkjerne, og feltet kan da bare økes til jernet er magnetisk mettet, ved omkring 2 tesla. Med superledende magneter kan feltet økes til 8–10 tesla. Dette er sammen med størrelsen, dvs. baneradien, den energibegrensende faktor for protonsynkrotronene. Siden det bare er mulig å tilføre en begrenset energimengde for hvert omløp, vil for en bestemt baneradius energien bare kunne økes til det blir likevekt mellom tilført og utstrålt effekt. Den utstrålte effekten er omvendt proporsjonal med massen av de akselererte partiklene, og synkrotronstrålingen blir den energibegrensende faktoren ved elektronsynkrotroner.

Når ladede partikler beveger seg i en krum bane, stråler de ut energi, synkrotronstråling.

I de eldste synkrotronene øker magnetfeltet som partiklene beveger seg i, langsomt med økende radius. Strålen utfører da forholdsvis store oscillasjoner omkring den ideelle sirkulære banen. Oscillasjonene foregår både i aksial og i radial retning, og magnetfeltet må være nøyaktig tilpasset for at strålen ikke skal spre seg for mye og bli borte. For å gi plass til oscillasjonene må magnetene være brede og ha et vidt polgap.

Prinsippet for sterk fokusering ble oppdaget av N. Christofilos 1950. Etter dette prinsippet settes magneten sammen av seksjoner hvor feltet skiftevis øker sterkt og avtar sterkt i radial retning. Strålen blir da vekselvis spredt ut i aksial og samlet i radial retning og omvendt, men slik at strålen hele tiden totalt sett holdes samlet. Dermed kan både polgapet og tverrsnittet av polskoene reduseres betraktelig. Synkrotroner bygd etter dette prinsippet kalles alternerende gradient fokuserende synkrotroner, AGF-synkrotroner. En enda mer kompakt konstruksjon er oppnådd ved å skille magnetene som sørger for fokusering fra dem som avbøyer strålen. Man lar avbøyningen foregå i et homogent magnetfelt i korte seksjoner, og mellom hver seksjon skytes inn en magnetisk kvadrupollinse som holder strålen samlet.

Den første AGF-synkrotronen, en 28 GeV maskin ved CERN i Sveits, var ferdig 1959. Baneradien i denne maskinen er 100 m og magnetene veier 3400 tonn. En tilsvarende 33 GeV maskin er bygd i Brookhaven. En 70 GeV AGF-synkrotron er bygd i Serpukhov sør for Moskva. Den var ferdig 1967 og har en radius på 240 m. I 1971 var den første synkrotron bygd etter kvadrupolprinsippet ferdig ved Fermi-laboratoriet i Batavia, Illinois. Denne maskinen har en baneradius på 1 km og gir en protonenergi på 500 GeV. Magnetene er av konvensjonell type med maksimal feltstyrke 2 tesla og vekt ca. 9000 tonn. En maskin med superledende magneter og maksimal feltstyrke 4 tesla, plassert i samme tunnel, rett under 500 GeV-maskinen, var ferdig i 1983. Den gir en protonenergi på 900 GeV, altså nesten én TeV (teraelektronvolt = 1012 eV) og kalles derfor Tevatronen.

Prinsippet for elektronsynkrotronen ble utviklet uavhengig av russeren V- I. Veksler og amerikaneren E. M. McMillan 1945, og maskiner av denne type har vært i drift siden 1946. Den er det eneste alternativet til lineærakseleratoren ved energier over 500 MeV. Alle elektronsynkrotroner kan akselerere positroner til samme energi, men med motsatt omløpsretning. Siden positroner ikke på samme måte som elektroner er lett tilgjengelig i naturen, vil positronstrålen i en akselerator alltid være svak til å begynne med. Men strålen kan lagres og bygges opp til høy intensitet i en såkalt lagringsring, som i prinsippet er en variant av synkrotronen. I lagringsringen sirkulerer partiklene i et magnetfelt med bestemt styrke, og de tilføres for hvert omløp tilstrekkelig energi til å kompensere for synkrotronstrålingen. Samtidig kan strålen bygges opp ved at det ledes inn partikler med samme energi fra en annen akselerator. Hvis man bygger opp strålen ved lav energi, kan lagringsringen, etter at man har fått den stråleintensiteten man ønsker, tas i bruk som akselerator ved å øke magnetfeltet og samtidig tilføre mer energi per omløp. Man kan bygge opp og lagre stråler av positroner og elektroner samtidig ved å lede dem i litt forskjellige baner slik at de ikke kolliderer, og etterpå også akselerere dem samtidig til samme maksimale energi. Når man har oppnådd full energi, ledes strålene mot hverandre og partiklene kolliderer idet det frigjøres en energimengde lik summen av de to partiklenes energi.

Prinsippet med å bruke en stor elektronsynkrotron som kombinert lagringsring og akselerator ble først utnyttet ved Cornell University, USA, i 1987. I synkrotronen, som har en omkrets på 800 m, akselereres elektroner og positroner samtidig til en energi på 12 GeV. Elektronsynkrotronen DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron ) i Hamburg var opprinnelig beregnet for akselerasjon av elektroner til 7 GeV, men ble i 1980 forsynt med en lagringsring med omkrets på 2,3 km og en maksimal energi på 19 GeV for elektroner og positroner. I 1989 ble LEP (Large Electron Positron Collider) ved CERN tatt i bruk. Denne har en omkrets på 27 km og er beregnet for en partikkelenergi på 60 GeV. LEP ble tatt ut av drift i 2000 for å gi plass til bygging av LHC (Large Hadron Collider) .

Protonsynkrotroner ble først foreslått av M. L. Oliphant i 1943, og byggingen av en 1 GeV maskin ble under hans ledelse satt i gang ved University of Birmingham like etter den annen verdenskrig. Den var ferdig 1953. I mellomtiden var det ved Brookhaven National Laboratory, USA, bygd en 2,3 GeV synkrotron, kalt Cosmotron, som kom i drift 1952. En 5,7 GeV synkrotron, Bevatron, i Berkeley, USA, var ferdig 1954 og 1957 ble en 10 GeV maskin, synkrofasotron, tatt i bruk i Dubna nær Moskva. Den er den største av de konvensjonelle synkrotronene med en baneradius på 30 m og et magnetsystem som veier 35 000 tonn. Flere mindre konvensjonelle synkrotroner er senere bygd andre steder.

På samme måte som en elektronsynkrotron kan benyttes for å akselerere positroner, kan en protonsynkrotron benyttes for å lagre og akselerere antiprotoner. I den hensikt er Tevatronen knyttet sammen med en 500 GeV maskin og er fra 1987 nyttet som lagringsring og akselerator for både protoner og antiprotoner. En synkrotron på omtrent samme størrelse som 500 GeV-maskinen ved Fermi-laboratoriet, Super Proton Synchrotron (SPS), var ferdig ved CERN i 1977. Denne maskinen ble siden ombygd for å lagre og akselerere både protoner og antiprotoner. Siden partikler og antipartikler har nøyaktig samme masse, og nøyaktig like stor ladning, men med motsatt fortegn, kan de akselereres i motsatt retning i samme akselerator-rør med de samme akselerasjons- og bøyemagneter. Simon van der Meer delte Nobelprisen i fysikk for 1984 med Carlo Rubbia for utvikling av teknikken som gjorde en slik ombygning mulig.

Den største protonsynkrotronen bygget så langt, er LHC (Large Hadron Collider) ved CERN, 27 km lang, og bygget i samme tunnel som LEP. Denne maskinen ble satt i ordinær drift i 2009. LHC er en kollisjonsmaskin med to strålerør. Avbøyningsmagnetene er konstruert slik at de samme magnetene kan utnyttes til å avbøye strålene i hvert rør i motsatt retning. LHC vil bli brukt både til å akselerere protoner til en maksimal energi på 8 TeV og til å akselerere blykjerner til en energi på 5,5 TeV per nukleon (totalt 1144 TeV for hele blykjernen).

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.