Sincrotron

Interiorul instalației de sincrotron australian

Sincrotronul este un tip de accelerator de particule circular și ciclic, în care câmpul magnetic (necesar pentru a îndoi traiectoria particulelor) și câmpul electric variabil (care accelerează particulele) sunt sincronizate cu fasciculul de particule.

Tipuri de sincrotron

Există două tipuri distincte de sincrotron, care diferă în ceea ce privește utilizarea intenționată:

sincrotronii pentru studiul fizicii nucleare sunt construiți în așa fel încât să accelereze și să ciocnească particule nucleare și subnucleare;
sincrotronii pentru studiul fizicii-chimiei stării solide și a suprafețelor sunt construiți în așa fel încât să producă radiații electromagnetice.

Sincrotroni pentru studiul fizicii subnucleare

Sincrotronii pentru studiul fizicii elementare a particulelor sunt construiți în așa fel încât să producă evenimente caracteristice fizicii subnucleare. Din acest motiv, ele accelerează particulele, de obicei electroni și pozitroni , sau protoni și anti-protoni la viteze apropiate de cea a luminii . Mașinile de acest tip au fost extrem de populare în anii 1950 și 1960, când cercetarea fizicii nucleare era la vârf. Astăzi, energiile necesare pentru studiul aprofundat al fizicii nucleare sunt atât de mari încât permit construirea a foarte puține acceleratoare competitive în lume. Prin urmare, nu mai folosește termenul "sincrotron" pentru a se referi la acceleratorii pentru fizica subnucleară, care sunt mai degrabă indicați de termenul englez colizor (LHC).

Unul dintre primii sincrotroni operaționali mari a fost laboratorul național Lawrence Berkeley Bevatron , construit în 1954 . A fost numit astfel deoarece energia sa inițială era de ordinul 6,3 GeV , care în engleză a fost denumită 6,3 miliarde de electronvolți, prescurtată în BeV. Cu această mașină au fost create elemente chimice artificiale prezise de tabelul periodic . În 1955 a fost descoperit antiprotonul și anul următor antineutronul . În aceste laboratoare, a fost instalată una dintre primele camere cu bule , folosită pentru a examina particulele generate de coliziunile dintre protonii produși cu acceleratorul și atomii de pe plăci fixe.

Cel mai mare dispozitiv propus de acest tip este Superconducting Super Collider (SSC), care trebuia să fie construit în Statele Unite și să folosească magneți supraconductori . Proiectul, aflat deja în construcție, a fost anulat de guvern din cauza costurilor excesive. Eforturile la nivel mondial s-au concentrat pe construirea marelui accelerator LHC (Large Hadron Collider) la CERN , Europa . Aceasta reprezintă o creștere semnificativă a tehnologiei acceleratorului și a tuturor tehnologiilor auxiliare ( superconductivitate , refrigerare , detectoare, analize de date etc.). Mașina, inaugurată oficial pe 21 octombrie 2008 , a atins energii de 7 TeV în 2010 , doi ani mai târziu s-au făcut coliziuni la o energie record de 8 TeV , record care va fi depășit din nou în 2015 când LHC începe să atingă energia finală . definitiv: 14 TeV .

Italia are o lungă tradiție în fabricarea mașinilor de acest tip. În 1958 s-a născut electroscincronul Frascati, comandat de nou-înființatul Comitet Național pentru Cercetări Nucleare ( CNRN ), care a devenit CNEN în 1960 și a fost construit cu ajutorul managerului de atunci Luciano Cesarini . Chiar în 1960 , în urma intuiției strălucite a fizicianului Bruno Touschek , în aceste laboratoare a fost construită prima mașină din lume cu grinzi încrucișate (colider). Ideea revoluționară este de a face ca fasciculele de particule și antiparticule să circule în inel în direcții opuse, făcându-le să se ciocnească în puncte definite. Această schemă permite să exploateze toată energia fasciculului și de atunci a fost adoptată de multe mașini de accelerare din lume. După realizarea prototipului AdA, în 1967 a fost construit fratele mai mare ADONE, folosit și ca sursă de lumină sincrotronă.

În 1971 INFN este separat de CNEN (care în 1982 va deveni ENEA ) devenind un organism public, iar în anul următor laboratoarele Frascati sunt împărțite între CNEN și INFN. ADONE va rămâne sub conducerea acestui ultim organism până la oprirea sa în 1993 pentru a face loc noii mașini DAΦNE . Astăzi, în Italia, o sursă modernă de lumină sincrotronă funcționează în parcul științific Trieste AREA , care găzduiește, de asemenea, proiectul EUFELE (European Storage Ring Free Electron Laser).

Operațiune

Graficul inelului de acumulare al unui sincrotron

Sincrotronul derivă din ciclotron , în care se utilizează un câmp magnetic constant și un câmp electric alternativ la frecvență constantă. O variantă este sincrociclotronul, unde câmpul magnetic sau frecvența câmpului electric sunt variabile în funcție de creșterea energiei deținute de particule. În sincrotron, ambele câmpuri sunt controlate pentru a menține orbita fasciculului de particule în interiorul unui recipient gol în formă de toroid (forma unei gogoși cu o gaură) în care a fost creat un vid . În practică, pentru mașinile cu o rază mai mare, se folosesc secțiuni drepte scurte, astfel încât forma generală este poligonală cu margini rotunjite. La fiecare colț există un magnet pentru a îndoi traiectoria fasciculului.

Maximă de energie obținută printr - un accelerator circular este limitată de intensitatea câmpului magnetic și maxim raza orbitei particulelor. În ciclotron, raza este limitată de dimensiunea camerei cilindrice în care particulele spirală din centru. Câmpul magnetic produs de un magnet obișnuit este limitat de saturația materialului, realizată atunci când toate domeniile magnetice sunt aliniate. Aranjarea perechilor de magneți obișnuiți de-a lungul întregii traiectorii a unui accelerator ar implica costuri ridicate.

În sincrotroni, aceste limitări sunt depășite folosind grinzi foarte înguste focalizate de magneți mici, dar al căror câmp este foarte concentrat. Limita de energie aplicabilă fasciculului este determinată de faptul că o particulă încărcată supusă accelerației emite energie sub formă de fotoni . Când energia pierdută prin emisie electromagnetică este echivalentă cu cea furnizată la fiecare ciclu, fasciculul nu poate fi accelerat în continuare. Această limită este mărită prin construirea acceleratoarelor cu o rază mai mare și prin adăugarea a numeroase cavități cu microunde la fiecare secțiune dreaptă capabilă să accelereze în continuare fasciculul. Particulele mai ușoare (de exemplu, electronii ) pierd o fracție mai mare de energie, motiv pentru care particulele grele încărcate, cum ar fi protonii și nucleii atomici, sunt utilizate în accelerații majori.

Sincrotroni pentru producerea radiațiilor

Diagrama de principiu a unui sincrotron pentru producerea radiației

Majoritatea sincrotronilor care funcționează astăzi sunt utilizați pentru producerea razelor X colimate și relativ monocromatice, așa-numita radiație sincrotronă .

Din punct de vedere practic, sincrotronii sunt evoluția mașinilor cu raze X catodice utilizate de la începutul secolului al XX-lea . Radiația este utilizată pentru studiul stării solide și a fizicii suprafețelor .

Operațiune

Aceste mașini sunt mult mai mici și relativ mai puțin costisitoare decât colizioanele moderne, deoarece funcționează de obicei la o energie mult mai mică, la ordinea câtorva G eV . De asemenea, ei folosesc întotdeauna electroni, deoarece energia lor poate fi controlată mai precis.

Primii sincrotroni aveau o structură egală cu cea a colizoarelor, dar, în corespondență cu curbele inelului de acumulare, unde accelerația suferită de electroni determină emisia de radiații, existau ferestre din care radiația a fost extrasă și transportată la experiment. camere.

Diagrama unui ondulator. 1) magneți 2) fascicul de electroni 3) radiații sincrotrone

Sincrotronii de nouă generație, construiți începând cu anii nouăzeci , sunt în schimb foarte diferiți de colizori, deoarece conțin sisteme de magneți concepute pentru a stimula producția de radiații electromagnetice. Aceste sisteme, numite ondulatori, forțează electronii să călătorească de-a lungul traiectoriilor sinusoidale sau spirale ; permit producerea de lumină mult mai colimată și chiar polarizată circular în modul dorit.

În Italia, cel mai puternic sincrotron de funcționare este cel instalat în parcul științific Trieste AREA . Mașina face parte din complexul ELETTRA, capabil să producă grinzi cu energie de 2-2,4 G eV , disponibile comunității științifice internaționale pentru experimente în multe domenii ale fizicii , chimiei și ingineriei materialelor.

Aplicații

Radiația electromagnetică produsă de accelerarea particulelor încărcate în interiorul sincrotronului se numește radiație sincrotronă și are mai multe utilizări.

Cristalografia proteinelor și a moleculelor organice și neorganice mari
Analize chimice pentru determinarea compoziției
Observarea celulelor vii și a interacțiunilor lor moleculare
Gravare electronică cu cipuri
Analiza și controlul semiconductorilor
Studii de fluorescență
Detectarea drogurilor
Analiza materialelor în geologie
Imagistica în medicină

Lista sincronilor principali

Exteriorul sincrotronului SOLEIL din Franța

Nume	Acronim al numelui	Locație	Notă
Sursă de lumină avansată	ALS	Berkeley
Sursă avansată de fotoni	APS	Argonne
Sincrotron ALBA	RĂSĂRIT	Barcelona
ANKA Synchrotron Strahlungsquelle		Karlsruhe
Sincrotronul australian		Melbourne	În construcție
Instalația de radiație sincrotronă din Beijing	BSRF	Beijing
Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung	BESSY	Berlin
Bevatron		Berkeley	Demolat
Sursă de lumină canadiană	CLS	Saskatoon
Centru pentru Microstructuri și Dispozitive Avansate	CAMD	Baton Rouge
Centrul pentru Tehnologie Avansată (INDUS-1 și INDUS-2)		Indore
Centrul Național de Adroterapie Oncologică	CNAO	Pavia
Sursă de sincrotron de înaltă energie Cornell	ŞAH	Itaca
DAΦNE		Frascati
Diamant		Didcot
Accelerator de testare electronică Dortmund	DELTA	Dortmund
Accelerator cu targă de electroni	ELSA	Bonn
Instalație de accelerare a electronilor de laborator electrotehnic (NIJI-II, NIJI-IV, TERAS)		Tsukuba
Elettra Sincrotrone Trieste	Electra	Trieste
Facilitatea europeană de radiație a sincronului	ESRF	Grenoble
Hamburger Synchrotronstrahlungslabor	HASYLAB	Hamburg
Institutul pentru instalații de depozitare a inelelor	ISA, ASTRID	Aarhus
Laboratoire pour Utilisation du Rayonnement Electromagnétique	ISPITIRE	Orsay
Laboratório Nacional de Luz Síncrotron	Sirius	Sfântul Paul
Collider mare de hadroni	LHC	Geneva
MAX-lab		Lund
Proiect Nano-hana		Ichihara
Sursă de lumină sincronică națională	NSLS	Brookhaven
Laboratorul Național de Radiații Sincrotron	NSRL	Hefei
Centrul Național de Cercetare a Radiațiilor Sincrotronice	NSRRC	Hsinchu
Centrul Național de Cercetare Sincrotron	NSRC	Nakhon Ratchasima
Fabrica de fotoni	PF	Tsukuba
Laboratorul de accelerare Pohang		Pohang
Sincrotron de protoni	PS	Geneva
Centrul de radiații sincrotronului siberian	SSRC	Novosibirsk
Sursa de lumină sincrotronă din Singapore	SSLS	Singapore
SOLEIL Sincrotron		Saint-Aubin
Laboratorul de radiații sincrotrone Stanford	SSRL	Parcul Menlo
Super Photon Ring - 8 GeV (SPring8)		Nishi-Harima
Sincrotron Super Proton	SPS	Geneva
Sursă de lumină elvețiană	SLS	Villigen
Centrul de radiații sincrotron	SRC	Madison
Sursa de radiație sincrotronă	SRS	Daresbury
Instalație de radiații ultraviolete sincrotrone (SURF III)		Gaithersburg
Facilitatea UVSOR		Okazaki
Sursă de lumină VSX		Kashiwa
Max IV		Lund	În construcție