Σύγχροτρο

Το σύγχροτρο (synchrotron) είναι ένας τύπος κυκλικού επιταχυντή σωματίδιων, που κατάγεται από το κύκλοτρο. Στο σύγχροτρο η επιταχυνόμενη δέσμη σωματιδίων διατρέχει μία σταθερή κλειστή τροχιά. Το μαγνητικό πεδίο που κάμπτει τη δέσμη στην τροχιά αυτή αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου κατά τη διάρκεια της επιταχύνσεως, επειδή συγχρονίζεται με την αυξανόμενη κινητική ενέργεια των σωματιδίων. Το σύγχροτρο είναι από τις πρώτες επιταχυντικές διατάξεις που επέτρεψαν την κατασκευή τέτοιων συσκευών μεγάλης κλίμακας, εφόσον η κάμψη, η εστίαση και η επιτάχυνση της δέσμης μπορούν να διαχωρίζονται σε ξεχωριστά τμήματα της συσκευής. Οι ισχυρότεροι σύγχρονοι επιταχυντές σωματιδίων αποτελούν παραλλαγές του βασικού σχεδιασμού του συγχρότρου, όπως ο μεγαλύτερος επιταχυντής παγκοσμίως, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων, που έχει περιφέρεια 27 χιλιομέτρων και κατασκευάσθηκε από το 1999 ως το 2008 για λογαριασμό του CERN.
Η αρχή λειτουργίας του συγχρότρου επινοήθηκε το 1944 από τον Σοβιετικό φυσικό Βλαντίμιρ Βέκσλερ. Το πρώτο σύγχροτρο ωστόσο κατασκευάσθηκε από τον Έντουιν Μ. ΜακΜίλαν το 1945 και επετάχυνε ηλεκτρόνια. Ο ΜακΜίλαν ανέπτυξε την ίδια ιδέα με τον Βέκσλερ ανεξάρτητα, μη γνωρίζοντας τη δημοσίευση του τελευταίου (η οποία ήταν διαθέσιμη μόνο σε σοβιετικό περιοδικό, αν και στην αγγλική γλώσσα). Το πρώτο σύγχροτρο που επετάχυνε πρωτόνια σχεδιάσθηκε από τον Μαρκ Όλιφαντ και κατασκευάσθηκε το 1952.

Αρχή λειτουργίας

Το σύγχροτρο αποτελεί εξέλιξη του κυκλότρου, του πρώτου κυκλικού επιταχυντή σωματιδίων. Ενώ ένα κλασικό κύκλοτρο χρησιμοποιεί σταθερό καθοδηγητικό μαγνητικό πεδίο και ένα σταθερής συχνότητας ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (και λειτουργεί με κλασική προσέγγιση), ο άμεσος διάδοχός του, το συγχροκύκλοτρο ή ισόχρονο κύκλοτρο, δέχεται τοπική προσαρμογή στη μεταβαλλόμενη αδρανειακή μάζα των σωματιδίων εξαιτίας της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας.
Στο σύγχροτρο, τον άμεσο διάδοχο του συγχροκυκλότρου, αυτή η προσαρμογή γίνεται με τη μεταβολή του μαγνητικού πεδίου στον χρόνο αντί του χώρου. Για σωματίδια με ταχύτητα αρκετά μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός, η συχνότητα του εφαρμοζόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μπορεί να μεταβάλλεται επίσης, ώστε να ακολουθεί τον μεταβαλλόμενο χρόνο περιφοράς τους. Αυξάνοντας αυτές τις παραμέτρους καταλλήλως καθώς τα σωματίδια κερδίζουν ενέργεια, η τροχιά τους μπορεί να κρατηθεί σταθερή όσο επιταχύνονται. Αυτό επιτρέπει ο θάλαμος κενού μέσα στον οποίο κινούνται να έχει το σχήμα μιας λεπτής μεγάλης σαμπρέλας (τόρου), αντί δίσκου όπως στο (συγχρο-)κύκλοτρο. Η λεπτότητα του θαλάμου κενού επέτρεψε μια αποτελεσματικότερη χρήση των μαγνητικών πεδίων σε σχέση με ένα κύκλοτρο, με αποτέλεσμα την οικονομική κατασκευή μεγαλύτερων συγχρότρων.
Τα πρώτα σύγχροτρα, όπως το Cosmotron και το ιταλικό ADA, είχαν αυστηρά τοροειδές σχήμα θαλάμου, αλλά η αρχή της ισχυρής εστίασης, που ανακαλύφθηκε από τον Νικόλαο Χριστοφίλου και τον Έρνεστ Κούραντ και τους συνεργάτες του, επέτρεψε τον πλήρη διαμερισμό του επιταχυντή σε τμήματα με εξειδικευμένη λειτουργία κατά μήκος της τροχιάς των σωματιδίων, την οποία διαμορφώνουν σε ένα προσεγγιστικό πολύγωνο με στρογγυλευμένες κορυφές: Υπάρχουν κοιλότητες ραδιοσυχνοτήτων για την επιτάχυνση, διπολικοί μαγνήτες για την κάμψη της δέσμης (ώστε τελικώς να ολοκληρώνεται μία περιφέρεια) και τετραπολικοί ή και εξαπολικοί μαγνήτες για την εστίαση της δέσμης.
Ο συνδυασμός χρονομεταβλητών μαγνητικών πεδίων καθοδηγήσεως και της αρχής της ισχυρής εστίασης επέτρεψε τον σχεδιασμό και τη λειτουργία των σύγχρονων τεράστιων επιταχυντικών εγκαταστάσεων. Τα ευθύγραμμα τμήματα της τροχιάς κατά μήκος της διαδρομής σε τέτοιες εγκαταστάσεις απαιτούνται όχι μόνο για τις κοιλότητες ραδιοσυχνοτήτων, αλλά και για την τοποθέτηση ανιχνευτών σωματιδίων ή συσκευές παραγωγής φωτονίων (στις πηγές ακτίνων συγχρότρου).
Η μέγιστη ενέργεια που μπορεί να προσδώσει ένας κυκλικός επιταχυντής περιορίζεται από τη μέγιστη ένταση των μαγνητικών πεδίων και τη μέγιστη καμπυλότητα της τροχιάς των σωματιδίων. Μία μέθοδος για την αύξηση του ορίου της ενέργειας είναι η χρήση υπεραγώγιμων μαγνητών, που δεν περιορίζονται από μαγνητικό κορεσμό. Οι επιταχυντές ηλεκτρονίων/ποζιτρονίων περιορίζονται επίσης από την έντονη απώλεια ενέργειας εξαιτίας ακτινοβολίας συγχρότρου. Φθάνουμε στην οριακή ενέργεια της δέσμης όταν η ενέργεια που χάνεται από τις πλευρικές επιταχύνσεις που απαιτούνται για τη διατήρηση της κλειστής τροχιάς ισούται με την ενέργεια που προστίθεται σε κάθε περιφορά.
Ισχυρότεροι επιταχυντές του τύπου του συγχρότρου κατασκευάζονται αυξάνοντας τις ακτίνες καμπυλότητας της τροχιάς και ενσωματώνοντας περισσότερες και ισχυρότερες κοιλότητες μικροκυμάτων. Τα ελαφρότερα φορτισμένα σωματίδια (όπως τα ηλεκτρόνια) χάνουν μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειάς τους όταν επιταχύνονται πλευρικά. Πρακτικά, η ενέργεια των επιταχυντών ηλεκτρονίων/ποζιτρονίων περιορίζεται από αυτή την απώλεια εξαιτίας ακτινοβολίας συγχρότρου, ενώ αυτή η απώλεια δεν παίζει σημαντικό ρόλο στη δυναμική των επιταχυντών πρωτονίων/ιόντων. Η ενέργεια των τελευταίων περιορίζεται μόνο από τις δυνάμεις που μπορούν να ασκήσουν οι μαγνήτες και από το κόστος.

Τροφοδότηση

Σε αντίθεση με το κύκλοτρο, ένα σύγχροτρο δεν μπορεί να επιταχύνει σωματίδια από μηδενική ταχύτητα. Για την «ένεση» προ-επιταχυνθέντων δεσμών σωματιδίων μέσα σε ένα σύγχροτρο, επινοήθηκαν διάφοροι τρόποι. Η προ-επιτάχυνση μπορεί να γίνεται από μία ή περισσότερες δομές, όπως από έναν γραμμικό επιταχυντή, ένα μίκροτρο ή ένα άλλο σύγχροτρο. Και όλα αυτά με τη σειρά τους πρέπει να τροφοδοτούνται από μία πηγή σωματιδίων, συνήθως μία γεννήτρια υψηλής τάσεως Cockcroft-Walton.
Αρχίζοντας από μια κατάλληλη αρχική τιμή, που καθορίζεται από την ενέργεια τροφοδοτήσεως, η ένταση του πεδίου των διπολικών μαγνητών αυξάνεται σταδιακά. Αν στο τέλος της διαδικασίας επιταχύνσεως τα σωματίδια υψηλής ενέργειας ενίονται, π.χ. σε έναν άλλο επιταχυντή, τότε η ένταση του πεδίου μειώνεται και πάλι σε ένα επίπεδο ενέσεως, αρχίζοντας ένα νέο στάδιο επιταχύνσεως. Ανάλογα με τη μέθοδο του μαγνητικού ελέγχου που εφαρμόζεται, το χρονικό διάστημα ενός σταδίου μπορεί να διαφέρει πολύ σε διάφορες εγκαταστάσεις.

Σύγχροτρα σε εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας

Μία από τις πρώτες μεγάλες διατάξεις συγχρότρου, σήμερα σε αχρησία, ήταν το Bevatron, που κατασκευάσθηκε το 1950 στο Εθνικό Εργαστήριο Λώρενς στο Μπέρκλεϋ. Το όνομά του προήλθε από την ενέργεια των 6,3 GeV που έδινε στα πρωτόνια που επετάχυνε (τότε αποκαλούνταν BeV, δηλαδή δισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ). Μερικά υπερουράνια στοιχεία, που δεν απαντώνται στον φυσικό κόσμο, δημιουργήθηκαν για πρώτη φορά από αυτή τη μηχανή.
Μεγάλο πρώιμο σύγχροτρο ήταν και το Cosmotron, που κατασκευάσθηκε στο Εθνικό Εργαστήριο του Μπρουκχέιβεν και έφθασε σε ενέργεια 3,3 GeV το 1953.

Ως τμήμα διατάξεων συγκρούσεως

Μέχρι τον Αύγουστο του 2008 ο υψηλότερης ενέργειας δακτύλιος συγκρούσεως στη Γη ήταν το Tevatron στο Φέρμιλαμπ (ΗΠΑ). Επετάχυνε πρωτόνια και αντιπρωτόνια σε ενέργειες λίγο μικρότερες από 1 TeV και τα συνέκρουε μεταξύ τους. Σήμερα ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), που κατασκευάσθηκε στο CERN, έχει περίπου επταπλάσια ενέργεια (έτσι ώστε οι συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου έχουν ενέργεια 14 περίπου TeV ανά ζεύγος σωματιδίων). Στεγάζεται στη σήραγγα των 27 km που φιλοξενούσε παλαιότερα τον LEP και αποτελεί τη μεγαλύτερη επιστημονική/ερευνητική συσκευή που κατασκευάσθηκε ποτέ.
Αν και υπάρχει η δυνατότητα για ακόμα ισχυρότερους κυκλικούς επιταχυντές πρωτονίων και βαρέων σωματιδίων, φαίνεται ότι το επόμενο βήμα ως προς την επιτάχυνση ηλεκτρονίων πρέπει να αποφεύγει απώλειες εξαιτίας της ακτινοβολίας συγχρότρου, κάτι που θα απαιτήσει μάλλον επιστροφή στους γραμμικούς επιταχυντές, με πολύ μεγαλύτερα μήκη.

Ως τμήμα πηγών ακτινοβολίας συγχρότρου

Η ακτινοβολία συγχρότρου έχει επίσης ευρύ πεδίο εφαρμογών και πολλά σύγχροτρα δεύτερης και τρίτης γενιάς έχουν κατασκευασθεί ειδικά για να την εκμεταλλευθούν. Τα μεγαλύτερα από αυτά είναι η Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Συγχρότρου (ESRF) στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας, η Προηγμένη Πηγή Φωτονίων (APS) κοντά στο Σικάγο και το SPring-8 στην Ιαπωνία, τα οποία επιταχύνουν ηλεκτρόνια σε ενέργειες έως 6, 7 και 8 GeV αντιστοίχως.
Τα σύγχροτρα που είναι ικανά για έρευνα αιχμής είναι μεγάλες κατασκευές, που κοστίζουν δεκάδες ή εκατοντάδες εκατομμύρια ευρώ, ενώ η κάθε έξοδος δέσμης (και μπορεί να υπάρχουν 20 ως 50 σε ένα μεγάλο σύγχροτρο) κοστίζει άλλα δύο εκατομμύρια ευρώ ή και περισσότερο. Αυτές οι εγκαταστάσεις κατασκευάζονται κυρίως από τις υπηρεσίες χρηματοδοτήσεως επιστημών κυβερνήσεων αναπτυγμένων κρατών, ή από συνεργασίες μεταξύ περισσότερων κρατών. Λειτουργούν ως εγκαταστάσεις υποδομής, διαθέσιμες σε επιστήμονες από πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα. Ωστόσο, έχουν αναπτυχθεί πολύ μικρότερες εκδοχές πηγών ακτινοβολίας συγχρότρου.