Synkrotroni on suuri sähkömagneettinen väline on tarkoitettu korkean energian kiihtyvyys on alkeishiukkasten . Suurin synkronityyppinen kiihdytin on Sveitsissä Geneven lähellä sijaitseva 27 km: n ympärysmittainen Large Hadron Collider (LHC) , jonka rakensi vuonna 2008 Euroopan ydintutkimusjärjestö (CERN).
Synkrotronidiffraktiotutkimuksissa periaate lähestyttiin aikana toisen maailmansodan 1943 D r Oliphant on Birmingham . Ensimmäiset amerikkalaiset projektit ( Brookhaven ja Berkeley , 1947) seurasivat tarkasti synkrosyklotronin keksintöä . Relativistisiin hiukkasiin kytkettyjen syklotronien rajojen ylittämiseksi kuviteltiin muuttuvan kiihdyttävän jännitteen taajuutta siten, että se pysyy synkronoituna hiukkasten kulkemishetken kanssa. Kiihtyvyys on pulssitettava ja kiihdytysjännitteen vaihe on säädettävä siten, että hiukkaset pysyvät ryhmiteltyinä (hiukkaspakettien jatkamista niiden polkua pitkin on vältettävä).
Synkrotroni on pulssi-instrumentti, joka mahdollistaa stabiilien varautuneiden hiukkasten suuren energiakiihtyvyyden . Kuten syklotroni , se pakottaa partikkelit pyörivät ympyrää napojen sähkömagneettien järjestetty renkaan. Hiukkasia kiihdytetään jokaisella kierroksella. Jotta ne pysyisivät ympyrässä, säädämme magneettikentän hiukkasten saavuttamaan energiaan . Hiukkasia puhalletaan matalan magneettikentän renkaaseen, kiihdytetään kentän kasvaessa ja heitetään sitten ulos, kun kenttä on saavuttanut maksiminsa. Aloitamme sitten uudella puhalluksella. Vaihevakaus antaa hitaammille hiukkasille suuremman kiihdytysjännitteen kuin nopeammille hiukkasille. Tällöin puffin hiukkaset pysyvät ryhmissä.
Toisen maailmansodan jälkeen peräkkäisten synkrotronista ylitti symbolisen energia 1 GeV 1950, 30 GeV vuonna 1960, 500 GeV vuonna 1972, 1 TeV vuonna 1980 Synkrotronisäteilyn protonin ja 6 GeV tuotti ensimmäisen antiproton Berkeley vuonna 1956. Vuosina 1955 ja 1970 (Berkeley, Brookhaven, CERN) protoni synkrotronista sallittu löytö resonanssia, että muon neutriino , ja rikkoo CP symmetria .
Suuret protonisynkronit ovat ehdottaneet kaikenlaisia hiukkasia, jopa epävakaita tai neutraaleja . Pionit, kaons, Antiprotoni , myonit , neutriinot luotiin ja mahdollisti tutkia protonin ja tunnistaa kvarkit . Fermilabin ( 500 GeV ) ja CERN: n (SPS, 450 GeV ) koneet heijastivat hiukkaset muihin levossa oleviin hiukkasiin (kiinteä kohde) ja muutettiin sitten törmäyskoneiksi (protoni-antiproton) energiansa lisäämiseksi.
Tekninen rajoitus rajoittaa kiihdytettyjen hiukkasten maksimienergiaa. Se liittyy hiukkasten sivuttaisliikkeeseen. Sähkömagneettisten voimien vaikutuksesta hiukkaset pyrkivät värähtelemään teoreettisen, keskiradan, ympärillä. Aluksi valmistajat rakensivat suurempia sähkömagneetteja suurilla tyhjiökammioilla. Nämä heikosti fokusoivat synkrotronit antoivat vain heikot säteet (Dubna, Neuvostoliitto, 10 GeV ).
Brookhavenissa vuonna 1952 uusi ohjausmenetelmä mahdollisti synkronin (ja lineaaristen kiihdyttimien) tekniikan edistämisen. Magneettielementtien koon ja painon pienentämiseksi säde on kohdennettava vuorottelemalla magneettisektoreita, joilla on voimakkaasti positiivinen indeksi ja voimakkaasti negatiivinen indeksi. Magneettien napakappaleet on suunniteltu siten, että monimutkaiset magneettikentät tuottavat fokusoivan vaikutuksen niissä kiertäviin hiukkasiin. Sen sijaan, että ne olisivat yhdensuuntaiset, magneettien napakappaleiden päät ovat kallistuneet, kahden peräkkäisen magneetin kaltevuudet ovat vastakkaisia (puhumme vaihtelevista kaltevuuksista). Liikkeessä on pystysuora vakaus ja säteittäinen vakaus, kun synkrotroni koostuu peräkkäisistä magneeteista, joiden kenttäindeksit vaihtelevat. Vahva tarkennus mahdollistaa magneettien koon, tyhjiöputkien ja sähkönkulutuksen pienentämisen. 2 laitetta rakennettiin teoreettisten ennusteiden perusteella: CERN: ssä vuonna 1959 (halkaisija 200 m , ympärysmitta 600 m , säteen energia 25 GeV ) ja Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa, Long Island (NY) vuonna 1960 (halkaisija 200 m , ympärysmitta 600 m , säteen energia 30 GeV )
Synkroni koostuu pääasiassa seuraavista elementeistä:
Hiukkasia pidetään erittäin korkeassa tyhjiössä renkaan ympäri torikaisen putken sisällä .
Synkrotronin ominaisuus on, että renkaan magneettikentän voimakkuus pidetään synkronisesti sovitettuna hiukkassäteen energiaan pitääkseen ne kiinteällä liikeradalla. Voi olla myös toinen rengas, jossa hiukkaset pyörivät vastakkaiseen suuntaan, jotta saavutettaisiin hiukkasten törmäykset erittäin korkealla käyttökelpoisella energialla. He ovat törmäyksiä .
Kahden tyyppiset synkronit tai törmäykset erotetaan pääasiassa rakentamisrajoituksistaan:
Alhaisen massan elektroneja , kiihtyvyyden aiheuttama kaarevuus niiden lentoradan muodostaa sähkömagneettisen aallossa Synkrotronisäteilyn . Tämä säteily kerätään toruksen, valojohtojen , eri paikkoihin . Kukin valonsäde kohtaa sitten linssejä, peilejä tai monokromaattoreita aallonpituusalueen valitsemiseksi ja kokeessa käytettävän säteen ominaisuuksien (koon, divergenssin ) muuttamiseksi. Jokaisen sädeviivan "loppuun" on asennettu näyte materiaalista, joka toimii kohteena. Tulevan säteen ja kohteen välisen vuorovaikutuksen aikana purkautuvat fotonit (tai elektronit) havaitaan piste-, lineaariset tai kaksiulotteiset mittalaitteet (CCD-kamera, litteä kuva). Renkaan koosta riippuen voidaan suorittaa jopa kymmeniä kokeita samanaikaisesti.
Piiri, jonka läpi elektronit ylittää koostuu putken osan kanssa muutaman mm², jossa suurtyhjössä on ensisijainen (10 -10 kPa, tai 10 -13 atm). Tämä tyhjiö on välttämätön estämään elektroneja osumasta ilmamolekyyleihin ja poistumasta säteestä.
Elektronikimppu, joka muodostaa ohuen säteen kuin hiukset, kiihdytetään ensin lineaarisessa kiihdyttimessä (Linac) nopeuteen, joka on hyvin lähellä valon nopeutta. Sitten elektronisuihku kulkee kiihtyvyysrenkaana kutsutun pyöreän kiihdyttimen läpi: Tämän renkaan tarkoituksena on lisätä elektronien energiaa, kunnes se saavuttaa noin 2 GeV (lähellä valon nopeutta, kiihtyvyys muuttaa nopeutta hyvin vähän, mutta vaikuttaa hiukkasen energiaan). Tämä käyttöenergian arvo on vain likimääräinen ja riippuu synkrotronista. Kun elektronit ovat saavuttaneet halutun energian, ne ruiskutetaan varastorenkaaseen (paljon suurempi kuin kiihdytysrengas, se saavuttaa useita satoja metrejä), missä ne tekevät satoja tuhansia kierroksia sekunnissa.
Yhdessä päivässä elektronipaketit tekivät miljardeja käännöksiä tallennusrenkaassa. Jokaisessa käännöksessä elektronit menettävät energiansa hieman (muutaman MeV: n kierrosta kierrosta kohti kiihdyttimistä riippuen) lähettämänsä säteilyn avulla. Tämän ilmiön kompensoimiseksi renkaan ympärille sijoitetaan kiihdyttävät ontelot elektronien kiihdyttämiseksi ja niiden nimellisenergian palauttamiseksi. Lisäksi putkessa vallitsevasta erittäin korkeasta tyhjiöstä huolimatta elektronien ja jäännösilmamolekyylien väliset törmäykset vähentävät säteen virtaa. Tämän ilmiön kompensoimiseksi rengas täytetään noin kolme kertaa päivässä.
Säilytysrengas ei ole täysin pyöreä. Se koostuu noin kolmekymmentä suoraviivaisesta segmentistä. Kahden segmentin risteyksessä on taivutusmagneetti. Se on suuri sähkömagneetti, joka tuottaa magneettikentän 1 - 2 Teslan välillä (ja on siten kytketty tehokkaaseen jäähdytyspiiriin), joka on kohtisuorassa elektronien liikeradan suuntaan. Tämä kenttä taipuu elektronit ja kohdistaa ne seuraavan segmentin akselin kanssa. Siten elektronien liikerata on melkein pyöreä monikulmio.
Näiden kaarevuusmagneettien tasolla elektronit käyvät läpi kiihtyvyyden. Sähkömagneettisen teorian mukaan tämä johtaa säteilyyn, jota kutsutaan jarrutussäteilyksi: tämä on synkrotronisäteily . Tämä fotonien polykromaattinen säteily (jonka spektri on suhteellisen leveä ja voi ulottua infrapunasta kovaan röntgensäteeseen) säteilee tangentiaalisesti elektronien liikeradalle. Relativististen vaikutusten vuoksi säteen kulma-aukko on äärimmäisen pieni (luokkaa milliradan ). Elektronisäteestä erottuva fotonisäde lähetetään valojonoihin. Kun elektronit on ryhmitelty paketteihin varastorenkaassa, synkrotronisäteily lähetetään hyvin lyhytaikaisina pulsseina.
Vielä voimakkaampien fotonisäteiden saamiseksi kolmannen sukupolven synkronit sisältävät niin sanottuja "inserttielementtejä". Nämä ovat magneetteja, jotka sijaitsevat kunkin segmentin keskellä tavallisten taivutusmagneettien lisäksi.
On olemassa kahta tyyppiä: wigglers ja undulators . Molemmat koostuvat magneeteista, jotka tarjoavat vuorottelevan magneettikentän. Näiden alkuaineiden tasolla elektronit käyvät läpi useita peräkkäisiä kiihtyvyyksiä, mikä synkronisäteilyä tuottaa paljon voimakkaammin kuin yksinkertaisen kaarevuusmagneetin synnyttämä. On selvää, että sädeviiva on sijoitettu jokaisen lisäyselementin tasolle.
Ero wigglerin ja undulaattorin välillä on yksinkertaisesti vaihtelevan kentän värähtelyjaksossa (tämä jakso ei ole triviaali, ja sillä on vaikutuksia häiriöiden ja lähetetyn synkrotronisäteen spektrileveyden suhteen).
Synkrotronivalolla on poikkeukselliset ominaisuudet verrattuna laboratoriossa saataviin tavanomaisiin valonlähteisiin: sen emissiospektri ulottuu infrapunasta röntgensäteeseen poikkeuksellisen kirkkaalla (pieni koko, intensiteetti), säteily on vakaa, pulssi ja vahva alueellinen ja ajallinen yhtenäisyys . Se voidaan näin ollen verrata laser viritettävä laajalla spektrin taajuuksien, koska infrapuna etäisyys X-ray vaikea synkrotronista 3 : nnen sukupolven.
Ominaisuuksiensa ansiosta se sallii pääsyn lukuisiin kokeisiin, jotka on toteutettu "sädeviivoilla", todellisissa laboratorioissa, jotka toimivat samanaikaisesti samasta varastorenkaasta:
Nämä kokeet koskevat monenlaisia aloja, aina perustekemiasta ja fysiikasta aina arkeologisten materiaalien (ks. Esimerkiksi SOLEIL-synkrotronin perintö- ja arkeologinen foorumi ) tai mikroskooppisten organismien analysointiin. Niitä voidaan käyttää myös teollisiin tarkoituksiin.
Synkrotronisäteilyn käyttö yksiväristämisen jälkeenLähetetty synkrotronisäteily on monikromaattinen. Sen pääasiallinen käyttö on kuitenkin yksivärinen lähde sijoittamalla koelaitteen ja synkronitulolähteen väliin yksivärinen kromaattori (difraktiokide, ritilä + valikoiva rako). Diffraktio olosuhteet antama Braggin lain kertoa meille, että riippuen tulokulma on monivärisen säteen on kide , saadaan useita vaihesiirretyn monokromaattista palkit, jossa haluttu aallonpituus on tilallisesti valitaan ja kollimoidaan. Saatu aallonpituus voidaan vaihdella hyvin tarkasti, erityisesti näytteen absorptiokehityksen mittaamiseksi tietyn kynnyksen läheisyydessä ja johtaakseen siitä kemiallisista tiedoista materiaalissa tutkitusta elementistä.
Polykromaattisen lähteen suora käyttöPolychromaticity käytetään myös suoraan kokeen valkoinen palkki Laue diffraktio , nopea röntgen- absorption avulla kaareva kide, infrapuna-Fourier-muunnos-spektroskopialla käyttäen Michelson-interferometri .
Eurooppa:
Aasia:
Amerikka: