Синхротро́н (от «синхронизация» + «электрон») — один из типов резонансных циклических ускорителей заряженных частиц, в котором ускоряемый пучок частиц движется по фиксированной замкнутой траектории. Характеризуется тем, что в процессе ускорения частиц орбита пучка остаётся постоянного радиуса, а напряжённость магнитного поля поворотных магнитов, определяющее этот радиус, возрастает во времени, будучи синхронизированной с возрастающей кинетической энергией частиц. Кроме того, остаётся постоянной частота ускоряющего электрического поля (в отличие от синхрофазотрона). Для пучков ультрарелятивистских частиц период обращения определяется только длиной орбиты, и поскольку она не изменяется, то нет необходимости изменять частоту электрического поля. Поэтому все резонансные циклические ускорители лёгких частиц (электронов и позитронов), а также высокоэнергетические протонные и ионные машины, такие как Большой адронный коллайдер и Тэватрон — это синхротроны.
Синхротрон является одной из первых концепций ускорителей, позволивших создавать крупномасштабные установки, поскольку поворот, фокусировка пучка и ускорение могут быть разделены на различные компоненты. Самые мощные современные ускорители частиц используют различные версии конструкции синхротрона. Крупнейшим ускорителем синхротронного типа, а также самым большим ускорителем частиц в мире, является Большой адронный коллайдер (БАК) с длиной окружности 27 километров, расположенный недалеко от Женевы, Швейцария, построенный в 2008 году Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН).
Наибольшие достигнутые энергии столкновений в синхротронах составляют 13,6 тераэлектронвольт (ТэВ, или 1012 эВ) при протонном столкновении в БАК и 209 гигаэлектронвольт (ГэВ, или 109 эВ) при электронном столкновении в LEP. Дальнейшее повышение энергии в электронных синхротронах требует сильного увеличения их размеров вследствие огромных потерь энергии на излучениеСинхротрон . Ядерная физика в интернете. Проект кафедры общей ядерной физики физического факультета МГУ и отдела электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер НИИЯФ МГУ..
Принципиальное устройство синхротрона Синхротрон представляет собой электровакуумную установку с приблизительно кольцевой вакуумной камерой, в которой частицы ускоряются до скорости, близкой к скорости света, а стоящие на их пути мощные электромагниты задают траекторию их движения. В вакуумной камере постоянно поддерживается сверхвысокий вакуум (порядка 10−9 Торр и выше), чтобы избежать рассеяния частиц пучка на атомах остаточного газа. Синхротрон действует по резонансному принципу ускорения, то есть циркулирующий сгусток частиц попадает в ускоряющее электрическое поле ВЧ-резонатора всегда в одной и той же фазе, и частицы получают небольшую порцию энергии, много меньшую, чем уже имеющаяся у них кинетическая энергия. Ускорение частиц происходит за счёт многократного пролёта (~106 раз в секунду) через ускоряющую секцию. Вывод излучения из специализированных источников синхротронного излучения осуществляется через экспериментальные станции (бимлайны).
Типы Крупные синхротроны обычно имеют линейный ускоритель (линак) для придания частицам начального ускорения и синхротрон более низкой энергии, который иногда называют бустером, для увеличения энергии частиц перед их инжекцией (введением) в высокоэнергетическое синхротронное кольцо.
Сегодня используется несколько специализированных типов синхротронных установок: Коллайдер — тип ускорителя, в котором частицы, движущиеся в двух встречных кольцах, сталкиваются лоб в лоб, что делает возможными столкновения с более высокой энергией. Накопительное кольцо — тип синхротрона, в котором кинетическая энергия частиц поддерживается постоянной. Источник синхротронного излучения — это комбинация различных типов электронных ускорителей, включая накопительное кольцо, в котором создаётся желаемое электромагнитное излучение. Затем это излучение используется на экспериментальных станциях, расположенных на различных каналах вывода пучка (бимлайнах). Источники синхротронного излучения целиком иногда называют «синхротронами», хотя технически это неверно.
Принцип работы Синхротрон эволюционировал от циклотрона, первого циклического ускорителя частиц. Классический циклотрон использует как постоянное направляющее магнитное поле, так и электромагнитное поле постоянной частоты (и работает в классическом приближении). Но его преемник, изохронный циклотрон, работает за счёт локальных вариаций направляющего магнитного поля, адаптируясь к возрастающей релятивистской массе частиц во время ускорения.
В синхротроне напряжённость магнитного поля и радиочастота (ВЧ-частота) изменяются во время ускорения. Для частиц, скорость которых не близка к скорости света, частота прикладываемого электромагнитного поля также может изменяться, чтобы следовать за их непостоянным временем обращения. За счёт соответствующего увеличения этих параметров по мере того, как частицы набирают энергию, их траектория обращения может оставаться постоянной в процессе ускорения. Это позволяет сделать вакуумную камеру для частиц в виде большого тонкого тора, а не диска, как в предыдущих, компактных конструкциях ускорителей.
Первые синхротроны и накопительные кольца, такие как Космотрон (Cosmotron) и AdA, строго использовали форму тороида. Однако принцип сильной фокусировки, независимо открытый Эрнестом Курантом и соавторами, а также Николасом Христофилосом, позволил полностью разделить ускоритель на компоненты со специализированными функциями вдоль пути частиц, придавая траектории форму многоугольника со скруглёнными углами. Некоторыми важными компонентами являются радиочастотные резонаторы для непосредственного ускорения, дипольные магниты (поворотные магниты) для отклонения частиц (чтобы замкнуть траекторию) и квадрупольные/секступольные магниты для фокусировки пучка.
Комбинация зависящих от времени направляющих магнитных полей и принципа сильной фокусировки позволила спроектировать и эксплуатировать современные крупномасштабные ускорительные комплексы, такие как коллайдеры и источники синхротронного излучения. Прямолинейные участки вдоль замкнутой траектории в таких установках требуются 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 придать циклический ускоритель, обычно ограничивается максимальной напряжённостью магнитных полей и минимальным радиусом (максимальной кривизной) траектории частиц. Таким образом, одним из методов увеличения предела энергии является использование сверхпроводящих магнитов, которые не ограничены магнитным насыщением. Электронные/позитронные ускорители также могут быть ограничены испусканием синхротронного излучения, что приводит к частичной потере кинетической энергии пучка частиц. Предельная энергия пучка достигается, когда энергия, теряемая на поперечное ускорение, необходимое для поддержания круговой траектории пучка, становится равной энергии, добавляемой в каждом цикле.
Более мощные ускорители строятся путём использования траекторий большего радиуса, а также за счёт применения более многочисленных и мощных микроволновых резонаторов. Потеря энергии за один оборот пропорциональна 4-й степени энергии частиц: W ~ E4/R. Более лёгкие частицы (такие как электроны) теряют бо́льшую часть своей энергии при отклонении. С практической точки зрения энергия электронных/позитронных ускорителей ограничена этими радиационными потерями, в то время как это не играет существенной роли в динамике протонных или ионных ускорителей. Энергия таких ускорителей строго ограничена напряжённостью магнитов и стоимостью.
Процедура инжекции (введения) В отличие от циклотрона, синхротроны не способны ускорять частицы, начиная с нулевой кинетической энергии; одной из очевидных причин этого является то, что его замкнутая траектория пересекалась бы устройством, испускающим частицы. Таким образом, были разработаны схемы для инжекции предварительно ускоренных пучков частиц в синхротрон. Предварительное ускорение может быть реализовано с помощью цепочки других ускорительных структур, таких как линак, микротрон или другой синхротрон.
Начиная с соответствующего начального значения, определяемого энергией инжекции, напряжённость поля дипольных магнитов затем увеличивается. Если частицы высоких энергий испускаются в конце процедуры ускорения, например, на мишень или в другой ускоритель, напряжённость поля снова снижается до уровня инжекции, начиная новый цикл инжекции. В зависимости от используемого метода управления магнитами, временной интервал одного цикла может существенно различаться на разных установках.
История и развитие Синхротроны первого поколения Принцип синхротрона был предложен Владимиром Векслером в 1944 году. Эдвин Макмиллан построил первый электронный синхротрон в 1945 году, придя к этой идее независимо, поскольку пропустил публикацию Векслера (которая была доступна только в советском журнале, хотя и на английском языке) .
Первый протонный синхротрон был спроектирован сэром Маркусом Олифантом и построен в Бирмингемском университете в 1952 году. В 1963 году Макмиллан и Векслер были совместно удостоены премии «За мирный атом» за изобретение синхротрона.
Одним из ранних крупных синхротронов является Беватрон, построенный в 1950 году в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Беватрон мог ускорять протоны до энергии 6,2 ГэВ (тогда они назывались БэВ, от миллиарда электронвольт; это название предшествовало принятию приставки СИ гига-). Он также мог ускорять более тяжёлые ионы, такие как дейтроны, альфа-частицы и азот. С помощью этого инструмента впервые был создан ряд трансурановых элементов, не встречающихся в природе. На этой площадке также находилась одна из первых крупных пузырьковых камер, созданных для изучения результатов атомных столкновений, происходивших здесь. В 1955 году физики Оуэн Чемберлен и Эмилио Сегре использовали Беватрон для обнаружения доказательств существования антипротона, за что получили Нобелевскую премию по физике 1959 года. Беватрон был выведен из эксплуатации в феврале 1993 года.
Ещё одним ранним крупным синхротроном является Космотрон, построенный в Брукхейвенской национальной лаборатории, который достиг энергии 3,3 ГэВ в 1953 году.
Синхротроны второго поколения В 1980-х годах начали появляться данные о втором поколении синхротронов. Эти устройства были созданы специально для экспериментов с получением синхротронного излучения, а не для исследований в области физики элементарных частиц. Источник синхротронного излучения (SRS) на 2 ГэВ в Дарсбери, Англия, заработавший в 1981 году, стал первым из таких синхротронных источников «второго поколения». Кроме того, синхротроны первого поколения модернизировались, становясь источниками второго поколения.
В составе коллайдеров
До августа 2008 года коллайдером с самой высокой энергией в мире был Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в США. Он ускорял протоны и антипротоны до кинетической энергии чуть менее 1 ТэВ и сталкивал их друг с другом. Большой адронный коллайдер (БАК), построенный в Европейской лаборатории физики высоких энергий (ЦЕРН), имеет примерно в семь раз бо́льшую энергию (поэтому протон-протонные столкновения происходят при энергии примерно 14 ТэВ). Он размещён в тоннеле длиной 27,6 км, в котором ранее находился Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP). БАК также ускоряет тяжёлые ионы (такие как свинец) до энергии 1,15 ПэВ при столкновении. По состоянию на 2025 год он считается крупнейшим и самым мощным коллайдером частиц.