Synchrotron

Een synchrotron is een deeltjesversneller voor deeltjes met relativistische snelheden. Net als een cyclotron is een synchrotron een versneller waarin de deeltjes een ronde baan beschrijven. In tegenstelling tot een cyclotron beschrijven alle deeltjes echter een baan met dezelfde straal. In plaats van een schijfvormige kamer wordt daarom een buis gebruikt. Rechte segmenten van die buis worden gebruikt als een lineaire versneller, en in bochten worden sterke magneten gebruikt om de deeltjes in de juiste baan te houden.

Pakketjes elektronen
Bij de energieën waarbij een synchrotron werkt, hebben alle deeltjes, onafhankelijk van hun kinetische energie, dezelfde snelheid: hun snelheid benadert die van het licht. De deeltjes suizen het apparaat rond in pakketjes (bunches) die zo dicht mogelijk bij elkaar worden gehouden. Als de energie van een deeltje een klein beetje lager is dan die van de andere, zal dit deeltje achter gaan lopen, en daardoor in de versneller-gedeeltes een grotere versnelling ondervinden. Het omgekeerde geldt voor deeltjes met een te grote energie. Door deze compressie blijven de deeltjes in de pas lopen.

In moderne synchrotrons kunnen meerdere pakketjes (multibunch) met deeltjes tegelijkertijd rondlopen. De totale hoeveelheid deeltjes in de ring wordt uitgedrukt in een elektrische stroom in ampère, de stroom is het totaal aantal elementaire ladingsdragers in de ring, vermenigvuldigd met het aantal keren dat ze per seconde langskomen.

Synchrotrons kunnen niet worden gebruikt om deeltjes van stilstand af te versnellen. Daarom worden zogenaamde injectoren gebruikt om deeltjes die al een grote energie hebben in de synchrotron ring te brengen. De eerste versneller is vaak een lineaire versneller (LINAC), zoals te zien in het schema van Soleil boven. Het synchrotron zelf kan de deeltjes dan verder versnellen.

Doel
In de natuurkunde worden synchrotrons voor drie totaal verschillende doelen gebruikt:
 Als producent van snelle deeltjes, die daarna in een experiment buiten de ring kunnen worden gebruikt.
 Als producent van snelle deeltjes, die binnen de ring met elkaar kunnen botsen: een collider.
 Als producent van synchrotronstraling: de straling die snelle deeltjes uitzenden als ze gedwongen worden om door een bocht te gaan. Dit type wordt vaak lichtbron (Light Source of Photon Source) genoemd.

Deze drie doelen sluiten elkaar bijna uit, ze hebben elk hun eigen synchrotron nodig. Als voorbeeld: voor de eerste twee is de synchrotronstraling een last, want door het uitzenden van straling verliezen de deeltjes een deel van hun energie. Een synchrotron dat voor deeltjesfysica wordt gebruikt heeft daarom een zo groot mogelijke straal om de hoeveelheid synchrotronstraling bij dezelfde energie te minimaliseren.

Productie
Voor het produceren van synchrotronstraling worden meestal elektronen-synchrotrons gebruikt, die naast de gewone afbuigmagneten nog andere mogelijkheden hebben om de deeltjes zo veel mogelijk straling in dezelfde richting uit te laten stralen (undulators en wigglers). De straling verlaat de ring in een zogenaamde beamline waar ze wordt gebruikt voor allerhande experimenten. De straling ligt in gebieden tussen het vacuümultraviolet en harde röntgenstraling.

Toepassingen
Levenswetenschappen: kristallografie van eiwitten en grote moleculen
 LIGAmicrofabricatie
 Ontwikkeling van geneesmiddelen
"Burning" computerchip ontwerpen in metalen wafers
 Spectroscopie met röntgenstraling om samenstelling van stoffen te bepalen
Reactie van levende cellen op geneesmiddelen
 Fluorescentie-onderzoek
 Halfgeleider-onderzoek
 Geologische materiaalonderzoek
 Beeldvormend medisch onderzoek
 Protonentherapie om sommige kankers te behandelen
 Confocale microscopie

Lijst synchrotrons

 Noot: voor deeltjesversnellers van het type collider is de energie vaak het dubbele van het getal dat hier genoemd wordt voor maar één bundel.

Zie ook
 Synchrotronstraling

Externe links

Bronnen
 Lijst bronnen
 Lightsources.org
 Website SESAME, Jordanië
 Australian Synchrotron
 Diamond UK Synchrotron
 CERN Large Hadron Collider
 Website SRS, Daresbury, Verenigd Koninkrijk. Gesloten
 Braziliaanse Synchrotron Light Laboratory
 A Miniature Synchrotron: Klein synchrotron biedt onderzoekers mogelijkheden om in hun eigen lab geavanceerde proeven met röntgenstraling te doen, Technology Review, February 04, 2008

Theorie
 Cosmic Magnetobremsstrahlung (synchrotron Radiation), door Ginzburg, V. L., Syrovatskii, S. I., ARAA, 1965
 Developments in the Theory of Synchrotron Radiation and its Reabsorption, door Ginzburg, V. L., Syrovatskii, S. I., ARAA, 1969
 X-Ray Data Booklet Handboek

Interview
 Podcast interview met een onderzoeker van de European Synchrotron Radiation Facility

Natuurkunde