Synkrotroni

Ominaisuudet

Synkrotroni on parannus syklotroniin, jossa hiukkaset liikkuvat spiraalimaisesti. Syklotronissa käytetään vakiomagneettikenttää ja vakiotaajuista sähkökenttää. (Synkrosyklotronissa toinen näistä vaihtelee). Molempia kenttiä vaihdellaan synkrotronissa, jotta polku muuttuu spiraalista ympyräksi. Kun kenttiä suurennetaan varovasti hiukkasten energian lisääntyessä, ympyränmuotoisen radan leveys voidaan pitää samana, kun laite kiihdyttää hiukkasia. Näin hiukkasten tyhjiökammiosta saadaan suuri ohut pyöreä putkitorus (donitsin muotoinen). On helpompaa käyttää joitakin suoria osia taivutusmagneettien välissä ja joitakin taivutettuja osia magneettien sisällä, jolloin torus saa pyöreäkulmaisen monikulmion muodon. Polku, joka toimii hyvin suuren ympyrän tavoin, voidaan rakentaa käyttämällä yksinkertaisia suoria ja kaarevia putkijaksoja, toisin kuin syklotronityyppisten laitteiden levynmuotoinen kammio. Muoto edellyttää myös useiden magneettien käyttöä hiukkassäteiden taivuttamiseksi. Suorat jaksot tarvitaan renkaan ympärillä olevilla väleillä molempia radiotaajuusonteloita varten, ja kolmannen sukupolven kokoonpanoissa on tilaa energian talteenottolaitteiden, kuten wigglereiden ja undulaattoreiden, asettamiselle. Useimmissa synkrotroneissa käytetään kahdenlaisia magneetteja: dipolimagneetteja hiukkassäteen taivuttamiseen ja nelipolimagneetteja säteen keskittämiseen.

Suurin energia, jonka syklinen kiihdytin voi antaa, on yleensä rajoitettu magneettikentän (magneettikenttien) voimakkuudella ja hiukkasreitin pienimmällä säteellä (suurin kaarevuus). Niinpä fyysikot ovat ajan mittaan rakentaneet kiihdyttimiä, joissa on suuremmat magneetit ja suuremmat ympyrät, jotta voidaan saavuttaa korkeampia hiukkasten energiatasoja.

Syklotronissa suurin säde on melko rajallinen, sillä hiukkaset alkavat keskuksesta ja kiertyvät spiraalimaisesti ulospäin. Niinpä koko radan on oltava itsekantava levynmuotoinen tyhjiökammio. Koska säde on rajallinen, koneen tehoa rajoittaa magneettikentän voimakkuus. Tavallisen sähkömagneetin tapauksessa kentän voimakkuutta rajoittaa ytimen kyllästyminen (kun kaikki magneettialueet ovat samassa rivissä, kenttää ei voi enää kasvattaa käytännöllisesti katsoen millään tavalla). Yhden magneettiparin sijoittaminen laitteen koko leveydelle rajoittaa myös laitteen taloudellista kokoa.

Synkrotronit ylittävät nämä rajoitukset käyttämällä kapeaa sädeputkea, jota voidaan ympäröidä paljon pienemmillä ja tiukemmin fokusoivilla magneeteilla. Tämän laitteen kykyä kiihdyttää hiukkasia rajoittaa se, että hiukkasten on oltava varattuja, jotta niitä voidaan kiihdyttää lainkaan, mutta kiihdytettävät varatut hiukkaset säteilevät fotoneja (valohiukkasia), jolloin ne menettävät energiaa. Säteilyä rajoittava energia saavutetaan, kun säteilykeilan pitämiseksi ympyränmuotoisena vaadittavaan sivuttaiskiihtyvyyteen (taivutukseen) menetetty energia on yhtä suuri kuin jokaisella syklillä lisätty energia. Tehokkaampia kiihdyttimiä rakennetaan käyttämällä suuria säteitä ja käyttämällä useampia ja tehokkaampia mikroaaltokuvioita kiihdyttämään hiukkassädettä kulmien välillä. Kevyemmät hiukkaset (kuten elektronit) menettävät suuremman osan energiastaan kääntyessään. Käytännössä tämä säteilyhäviö rajoittaa elektroni-/positronikiihdyttimien energiaa, kun taas protoni- tai ionikiihdyttimien dynamiikassa sillä ei ole merkittävää merkitystä. Niiden energiaa rajoittavat ainoastaan magneettien vahvuus ja kustannukset.

 
Australian synkrotronilaitoksen sisätilat. Kuvassa hallitsee varastointirengas, jonka oikeassa etuosassa näkyy optinen diagnostinen sädelinja. Varastorenkaan keskellä on booster-synkrotroni ja linassäde.  

Suunnittelu ja toiminta

Hiukkaset ruiskutetaan pääkehään huomattavilla energioilla joko lineaarikiihdyttimestä (linac) tai välissä olevasta synkrotronista, jota puolestaan syöttää lineaarikiihdytin. Linacia puolestaan syötetään hiukkasilla, jotka on kiihdytetty välienergiaksi yksinkertaisella suurjännitelähteellä, tyypillisesti Cockcroft-Walton-generaattorilla.

Hiukkaset on suunniteltu poistumaan linacista tietyllä nopeudella ("injektionopeus") synkrotroniin pääsyä varten. Operaattorit laskevat magneettikentän voimakkuuden, joka tarvitaan injektionopeuden mukaisten hiukkasten ohjaamiseksi synkrotronin reitille. Operaattorit syöttävät sähkömagneetteihin riittävästi virtaa, jotta magneettikentän voimakkuus olisi oikea.

Tämän jälkeen magneettikentän voimakkuutta kasvatetaan tästä alkuperäisestä magneettikentän voimakkuudesta alkaen. Hiukkaset kulkevat sähköstaattisen kiihdyttimen läpi, jota ohjaa korkea vaihtojännite. Hiukkasten nopeuksilla, jotka eivät ole lähelläkään valonnopeutta, kiihdytysjännitteen taajuus voidaan tehdä suunnilleen verrannolliseksi taivutusmagneeteissa kulkevaan virtaan. Taajuuden tarkempi säätö tapahtuu servosilmukalla, joka reagoi kulkevan hiukkasryhmän ohituksen havaitsemiseen. Kun hiukkasten nopeus lähestyy valonnopeutta, taajuus muuttuu lähes vakioksi, kun taas taivutusmagneettien virta kasvaa edelleen. Hiukkasiin kohdistuvan energian enimmäismäärä (tietyllä rengaskoolla ja magneettien lukumäärällä) määräytyy taivutusmagneettien ytimien kyllästymisen mukaan (piste, jossa virran lisääminen ei tuota lisää magneettikenttää). Yksi tapa saada lisää tehoa on tehdä toruksesta suurempi ja lisätä lisää taivutusmagneetteja. Tällöin hiukkasten uudelleenohjautuminen kyllästymispisteessä on vähäisempää, jolloin hiukkaset voivat olla energisempiä. Toinen keino suuremman tehon saavuttamiseksi on käyttää suprajohtavia magneetteja, joita ytimen kyllästyminen ei rajoita.

Kun hiukkaset ovat saavuttaneet maksimienergiansa, ne ohjataan ulos synkrotronista ja kohdistetaan kohteeseen. Varhaisissa synkrotroneissa käytettiin paikallaan olevia kohteita. Jotta törmäyksen energia saataisiin kaksinkertaistettua, fyysikot alkoivat 1970-luvulla törmäyttää toisiinsa kahta vastakkaiseen suuntaan kulkevaa hiukkassädettä yhden säteen ja paikallaan olevan kohteen sijasta. Jotta synkronissa olisi kaksi sädettä, jotka kulkevat vastakkaisiin suuntiin, he käyttivät hiukkasia, joilla oli sama massa mutta vastakkainen merkki. Esimerkiksi elektronit ja positronit tai protonit ja antiprotonit.

 

Suuret synkrotronit

Yksi varhaisista suurista synkrotroneista, joka on nykyään poistettu käytöstä, on Bevatron, joka rakennettiin vuonna 1950 Lawrence Berkeleyn laboratorioon. Tämän protonikiihdyttimen nimi tulee sen tehosta, joka oli 6,3 GeV (silloinen nimi BeV tarkoitti miljardia elektronivolttia; nimi oli ennen SI-alkuisesta etuliitteestä giga-). Tällä laitteella luotiin ensimmäisen kerran useita raskaita alkuaineita, joita ei ole nähty luonnossa. Tässä paikassa sijaitsee myös yksi ensimmäisistä suurista kuplakammioista, joita käytettiin koneen tuottamien atomitörmäysten tulosten tutkimiseen.

Toinen varhainen suuri synkrotroni on Brookhavenin kansalliseen laboratorioon rakennettu Cosmotron, joka saavutti 3,3 GeV:n tehon vuonna 1953. Ensimmäinen Cornellin yliopiston synkrotroni rakennettiin ennen vuotta 1950 ja sen teho oli 300 MeV.

Elokuuhun 2008 asti maailman suuritehoisin synkrotroni oli Yhdysvalloissa Fermin kansallisessa kiihdytinlaboratoriossa sijaitseva Tevatron. Se kiihdyttää protonit ja antiprotonit hieman alle 1 TeV:n liike-energiaan ja törmäyttää ne yhteen. Euroopan suurten energioiden fysiikan laboratorioon (CERN) rakennetussa suuressa hadronitörmäyttimessä (Large Hadron Collider, LHC) energia on noin seitsemänkertainen (eli protoni-protonitörmäykset tapahtuvat noin 14 TeV:n nopeudella). Se on sijoitettu 27 kilometrin pituiseen tunneliin, jossa aiemmin sijaitsi LEP-törmäytin (Large Electron Positron), joten se säilyttää asemansa suurimpana koskaan rakennettuna tieteellisenä laitteena. LHC kiihdyttää myös raskaita ioneja (kuten lyijyä) 1,15 PeV:n energiaan asti.

Suurin vakavasti ehdotettu tämäntyyppinen laite oli Teksasiin rakennettava suprajohtava supertörmäytin (Superconducting Super Collider, SSC). Tässä mallissa, kuten muissakin, käytettiin suprajohtavia magneetteja, jotka mahdollistavat voimakkaampien magneettikenttien luomisen ilman ytimen kyllästymisen aiheuttamia rajoituksia. Sen suunniteltu kehän ympärysmitta oli 87,1 kilometriä, ja protonisäteen energia oli 20 TeV. Rakentaminen aloitettiin vuonna 1991, mutta se peruttiin vuonna 1994. Hanketta oli johdettu huonosti. Jotkut sanovat, että kylmän sodan päättyminen johti tieteellisen rahoituksen painopisteiden muuttumiseen, mikä osaltaan vaikutti hankkeen peruuntumiseen.

Vaikka protonien ja raskaiden hiukkasten syklisiin kiihdyttimiin on vielä potentiaalia, näyttää siltä, että elektronisuihkun energian seuraavassa vaiheessa on vältettävä synkrotronisäteilyn aiheuttamat häviöt. Tämä edellyttää paluuta lineaarikiihdyttimiin, mutta huomattavasti nykyisin käytössä olevia laitteita pidemmillä laitteilla. Parhaillaan on käynnissä mittavat ponnistelut kansainvälisen lineaarikiihdyttimen (International Linear Collider, ILC) suunnittelemiseksi ja rakentamiseksi, joka koostuu kahdesta vastakkaisesta lineaarikiihdyttimestä, joista toinen on tarkoitettu elektroneille ja toinen positroneille. Nämä törmäyttävät toisiinsa massakeskipisteen kokonaisenergialla, joka on 0,5 TeV.

Synkrotronisäteilyllä on kuitenkin myös monenlaisia sovelluksia (ks. synkrotronivalo), ja monet toisen ja kolmannen sukupolven synkrotronit on rakennettu erityisesti sen hyödyntämistä varten. Suurimmat näistä 3. sukupolven synkrotronivalon lähteistä ovat Euroopan synkrotronisäteilylaitos (ESRF) Grenoblessa Ranskassa, Advanced Photon Source (APS) Chicagon lähellä Yhdysvalloissa ja SPring-8 Japanissa, jotka kiihdyttävät elektroneja 6, 7 ja 8 GeV:iin asti.

Huippututkimukseen soveltuvat synkrotronit ovat suuria koneita, joiden rakentaminen maksaa kymmeniä tai satoja miljoonia dollareita, ja jokainen sädelinja (suuressa synkrotronissa voi olla 20-50 sädelinjaa) maksaa keskimäärin kaksi tai kolme miljoonaa dollaria lisää. Nämä laitokset rakennetaan useimmiten kehittyneiden maiden hallitusten tiedealan rahoituslaitosten toimesta tai useiden alueen maiden yhteistyönä, ja niitä käytetään infrastruktuurilaitoksina, jotka ovat yliopistojen ja tutkimusorganisaatioiden tutkijoiden käytettävissä koko maassa, alueella tai maailmassa. On kuitenkin kehitetty kompaktimpia malleja, kuten Compact Light Source.

 
Nykyaikaiset teollisen mittakaavan synkrotronit voivat olla hyvin suuria (tässä Soleil lähellä Pariisia).  

Luettelo asennuksista

Synkrotroni	Sijainti ja maa	Energia (GeV)	Ympärysmitta (m)	Toimeksianto	Käytöstä poistettu
Kehittynyt fotonilähde (APS)	Argonnen kansallinen laboratorio, Yhdysvallat	7.0	1104	1995
ALBA	Cerdanyola del Vallès lähellä Barcelonaa, Espanja	3	270	2010
Tantalus	Madison, Wisconsin, Yhdysvallat	.2	9.38	1968	1995
ISIS	Rutherford Appleton Laboratory, Yhdistynyt kuningaskunta	0.8	163	1985
Australian synkrotroni	Melbourne, Australia	3	216	2006
ANKA	Karlsruhen teknillinen korkeakoulu, Saksa	2.5	110.4	2000
LNLS	Campinas, Brasilia	1.37	93.2	1997
SESAME	Allaan, Jordania	2.5	125	Suunnittelun alla
Bevatron	Lawrence Berkeley Laboratory, Yhdysvallat	6	114	1954	1993
Birminghamin synkrotroni	Birminghamin yliopisto, Yhdistynyt kuningaskunta	1	-	1953
Kehittynyt valonlähde	Lawrence Berkeley Laboratory, Yhdysvallat	1.9	196.8	1993
Cosmotron	Brookhaven National Laboratory, Yhdysvallat	3	72	1953	1968
Kansallinen synkrotronivalonlähde	Brookhaven National Laboratory, Yhdysvallat	2.8	170	1982
Nimrod	Rutherford Appleton Laboratory, Yhdistynyt kuningaskunta	7		1957	1978
Vaihtuvan gradientin synkrotroni (AGS)	Brookhaven National Laboratory, Yhdysvallat	33	800	1960
Stanfordin synkrotronisäteilyn valonlähde	SLAC National Accelerator Laboratory, Yhdysvallat	3	234	1973
Synkrotronisäteilykeskus (SRC)	Madison, Yhdysvallat	1	121	1987
Cornellin korkean energian synkrotronilähde (CHESS)	Cornellin yliopisto, Yhdysvallat	5.5	768	1979
Soleil	Pariisi, Ranska	3	354	2006
Shanghain synkrotronisäteilylaitos (SSRF)	Shanghai, Kiina	3.5	432	2007
Protonisynkrotroni	CERN, Sveitsi	28	628.3	1959
Tevatron	Fermi National Accelerator Laboratory, Yhdysvallat	1000	6300	1983	2011
Sveitsin valonlähde	Paul Scherrer Institute, Sveitsi	2.8	288	2001
Suuri hadronitörmäytin (LHC)	CERN, Sveitsi	7000	26659	2008
BESSY II	Helmholtz-Zentrum Berlin, Berliini, Saksa	1.7	240	1998
Euroopan synkrotronisäteilylaitos (ESRF)	Grenoble, Ranska	6	844	1992
MAX-I	MAX-lab, Ruotsi	0.55	30	1986
MAX-II	MAX-lab, Ruotsi	1.5	90	1997
MAX-III	MAX-lab, Ruotsi	0.7	36	2008
ELETTRA	Trieste, Italia	2-2.4	260	1993
Synkrotronisäteilylähde	Daresbury Laboratory, Yhdistynyt kuningaskunta	2	96	1980	2008
ASTRID	Aarhusin yliopisto, Tanska	0.58	40	1991
Timanttivalonlähde	Oxfordshire, Yhdistynyt kuningaskunta	3	561.6	2006
DORIS III	DESY, Saksa	4.5	289	1980
PETRA II	DESY, Saksa	12	2304	1995	2007
PETRA III	DESY, Saksa	6.5	2304	2009
Kanadan valonlähde	Saskatchewanin yliopisto, Kanada	2.9	171	2002
SPring-8	RIKEN, Japani	8	1436	1997
KEK	Tsukuba, Japani	12	3016
Kansallinen synkrotronisäteilyn tutkimuskeskus	Hsinchu Science Park, Taiwan	3.3	518.4	2008
Synkrotronivalon tutkimuslaitos (SLRI)	Nakhon Ratchasima, Thaimaa	1.2	81.4	2004
Indus 1	Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore, Intia	0.45	18.96	1999
Indus 2	Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore, Intia	2.5	36	2005
Synkrofasotron	JINR, Dubna, Venäjä	10	180	1957	2005
U-70 synkrotroni	Korkean energian fysiikan instituutti, Protvino, Venäjä	70		1967
CAMD	LSU, Louisiana, Yhdysvallat	1.5	-	-
PLS	PAL, Pohang, Korea	2.5	280.56	1994

• Huomautus: törmäytysautomaateissa ilmoitettu energia on usein kaksinkertainen tässä esitettyyn verrattuna. Yllä olevassa taulukossa on esitetty yhden säteen energia, mutta jos kaksi vastakkaista sädettä törmää suoraan, massakeskipisteen energia on kaksinkertainen esitettyyn säteen energiaan verrattuna.

 

Sovellukset

• Biotieteet: proteiinien ja suurten molekyylien kiteytys.
• LIGA-pohjainen mikrovalmistus
• Lääkkeiden löytäminen ja tutkimus
• Tietokonesirujen suunnittelun "polttaminen" metallikiekkoihin
• Kemikaalien analysointi niiden koostumuksen määrittämiseksi
• Elävien solujen reaktioiden havainnointi lääkkeisiin
• Epäorgaanisten aineiden kiteytys ja mikroanalyysi
• Fluoresenssitutkimukset
• Puolijohdemateriaalien analyysi ja rakennetutkimukset
• Geologisen materiaalin analyysi
• Lääketieteellinen kuvantaminen
• Protonihoito joidenkin syöpämuotojen hoitoon

 

Aiheeseen liittyvät sivut

• Luettelo synkrotronisäteilyn laitoksista
• Synkrotroniröntgentomografiamikroskopia
• Energian vahvistin
• Suprajohtava radiotaajuus