Wat is een Synchrotron?

EEN synchrotron is een ontwerp van een cyclische deeltjesversneller, waarbij een straal geladen deeltjes herhaaldelijk door een magnetisch veld passeert om bij elke doorgang energie te winnen. Terwijl de straal energie opdoet, past het veld zich aan om controle te houden over het pad van de straal terwijl deze rond de cirkelvormige ring beweegt. Het principe werd ontwikkeld door Vladimir Veksler in 1944, met de eerste elektronensynchrotron gebouwd in 1945 en de eerste protonsynchrotron gebouwd in 1952.

Hoe een Synchrotron werkt

De synchrotron is een verbetering van de cyclotron, die werd ontworpen in de jaren dertig van de vorige eeuw. In cyclotrons beweegt de straal geladen deeltjes door een constant magnetisch veld dat de straal in een spiraalvormig pad geleid en passeert vervolgens een constant elektromagnetisch veld dat voor een toename van energie zorgt bij elke doorgang door het veld. Deze bobbel in kinetische energie betekent dat de straal door een iets bredere cirkel op de doorgang door het magnetische veld beweegt, een andere bobbel krijgt, enzovoort totdat deze de gewenste energieniveaus bereikt.

De verbetering die leidt tot de synchrotron is dat in plaats van constante velden te gebruiken, de synchrotron een veld toepast dat in de tijd verandert. Terwijl de straal energie wint, past het veld zich dienovereenkomstig aan om de straal in het midden van de buis te houden die de straal bevat. Dit zorgt voor een grotere mate van controle over de straal, en het apparaat kan worden gebouwd om meer toename van energie gedurende een cyclus te bieden. 

Een specifiek type synchrotronontwerp wordt een opslagring genoemd, een synchrotron die is ontworpen met als enig doel het handhaven van een constant energieniveau in een straal. Veel deeltjesversnellers gebruiken de hoofdversnellerstructuur om de straal tot het gewenste energieniveau te versnellen en vervolgens in de te bewaren opslagring over te dragen totdat deze kan botsen met een andere straal die in de tegenovergestelde richting beweegt. Dit verdubbelt effectief de energie van de botsing zonder twee volledige versnellers te hoeven bouwen om twee verschillende stralen op het volledige energieniveau te krijgen.

Grote synchrotrons

De Cosmotron was een protonsynchrotron gebouwd in het Brookhaven National Laboratory. Het werd in gebruik genomen in 1948 en bereikte zijn volledige kracht in 1953. Destijds was het het krachtigste apparaat dat werd gebouwd, op het punt om energieën van ongeveer 3,3 GeV te bereiken, en het bleef in bedrijf tot 1968.

De bouw van de Bevatron in het Lawrence Berkeley National Laboratory begon in 1950 en werd voltooid in 1954. In 1955 werd de Bevatron gebruikt om de antiproton te ontdekken, een prestatie die in 1959 de Nobelprijs voor natuurkunde behaalde. (Interessante historische opmerking: het werd de Bevatraon genoemd omdat het energieën van ongeveer 6,4 BeV bereikte, voor "miljarden elektronen." Met de goedkeuring van SI-eenheden werd echter het voorvoegsel giga- aangenomen voor deze schaal, dus veranderde de notatie in GeV.)

De Tevatron-deeltjesversneller bij Fermilab was een synchrotron. In staat om protonen en antiprotonen tot kinetische energieniveaus iets minder dan 1 TeV te versnellen, was het de krachtigste deeltjesversneller ter wereld tot 2008, toen het werd overtroffen door de Large Hadron Collider. De 27 kilometer hoofdversneller bij de Large Hadron Collider is ook een synchrotron en kan momenteel versnellingsenergieën bereiken van ongeveer 7 TeV per balk, resulterend in 14 TeV botsingen.