Synkrotroni on eräänlainen hiukkaskiihdytin, jossa hiukkaset kiertävät useita kertoja ympyrää. Se käyttää magneettikenttää hiukkasten kääntämiseen ympyrällä ja sähkökenttää hiukkasten nopeuttamiseen. Komponentit sovitetaan huolellisesti yhteen kulkevan hiukkassäteen kanssa niin, että ympyrä pysyy samankokoisena samalla kun hiukkaset kulkevat nopeammin. Mark Oliphant keksi protonisynkrotronin. Vladimir Veksler julkaisi idean ensimmäisenä. Edwin McMillan rakensi ensimmäisen elektronisynkrotronin.

 

Toimintaperiaate

Synkrotronin perusajatus on pitää hiukkassen kiertorata vakiona samalla kun niiden liike-energiaa nostetaan vaiheittain. Tämä saavutetaan synkronoimalla kaksi asiaa: radan kääntämisestä vastaava magneettikenttä ja radan pituuteen nähden hiukkasten nopeuttamisesta vastaava taajuudella toimiva RF-kenttä (resonanssikammio). Kun hiukkasten nopeus kasvaa, magneettikenttää nostetaan vastaavasti siten, että näiden kahden välinen voimasuhde pitää sädekehän samankokoisena. Lisäksi synkrotroneissa hyödynnetään niin sanottua vaihevakautta (phase stability) — pieniä nopeuseroja kompensoidaan siten, että hiukkaset pysyvät synkronoituna RF-kentän kanssa eivätkä karkaa pois paketista.

Rakenteen pääosat

  • Taipuvat magnetit (dipolit) – antavat tarvittavan keskeiskentän, joka taivuttaa hiukkaset radalle.
  • Fokusointimagneetit (kvadrupolit) – pitävät säteen koolla ja estävät hajautumisen; lisäksi käytetään usein sekoitusmagneetteja (sextupolit) korjaamaan värähtelyjä ja kromaatioita.
  • RF-kammiot – antavat hiukkasille impulssin nopeuden nostamiseksi ja määrittävät kierron ajoituksen (taajuuden ja vaiheen).
  • Tyhjiöputki – lähes tyhjä putki, jossa hiukkaset kiertävät; matala paine vähentää törmäyksiä kaasumolekyylien kanssa.
  • Injektio- ja ekstraktiolaitteet – tuovat hiukkaset sisään ja vievät ne pois kiertoradalta tutkimusta tai törmäytystä varten.
  • Mitta- ja ohjausjärjestelmät – beam diagnostiikka, position ja intensiteetin mittaus sekä magneettien ja RF:n säätö.

Synkrotronisäteily ja sen vaikutukset

Kun varautuneet hiukkaset kiertävät magneettikentässä, ne säteilevät energiaa elektromagneettisena säteilynä — tätä kutsutaan synkrotronisäteilyksi. Ilmiö on erityisen voimakas kevyillä ja nopeilla hiukkasilla kuten elektroneilla. Synkrotronisäteily on kaksiteräinen: se rajoittaa käytännöllistä huippu-energiaa elektronisynkrotrooneissa (koska säteilyhäviöt kasvavat nopeasti energian noustessa), mutta toisaalta se on erittäin käyttökelpoinen lähde voimakkaalle, hyvin kollimoidulle säteilylle monenlaiseen tieteelliseen tutkimukseen (materiaali- ja elintutkimus, lääketiede jne.). Säteilytehon riippuvuus energiaan ja radon säteeseen on voimakas (noin energia^4 / säde), minkä vuoksi suuret laitteet tarjoavat kirkkaampaa säteilyä.

Tyypit ja käyttötarkoitukset

  • Elektronisynkrotronit ja varastorenkaat – käytetään usein valo- ja röntgensäteilyn tuottamiseen tutkimuslähteiksi (synchrotron light sources, esim. ESRF, SPring-8, MAX IV).
  • Protoni- ja raskasionisynkrotronit – käytetään hiukkasfysiikassa törmäytyskokeissa, sädehoidossa (syövän hiukkassäteilyhoidot) ja isotooppituotannossa.
  • Hiukkastörmäyttimet – kaksi vastakkaissuuntaista synkrotronin kaltaista rengasta voidaan kytkeä törmäytyskokeisiin (esim. LHC on suuri protonitörmäytin/synkrotron).
  • Välijärjestelmät – pienemmät synkrotronit toimivat usein esikiihdyttiminä suuremmille laitoksille tai röntgensäteilyn lähteinä kliinisille ja teollisille sovelluksille.

Historia ja kehitys

Synkrotronien perusidea syntyi 1940-luvulla. Vladimir Veksler esitti ja julkaisi ajatuksen vaihevakautta hyödyntävästä kiihdyttimestä ensimmäisten joukossa, ja samanaikaisesti Edwin McMillan kehitti vastaavan periaatteen länsimaissa. McMillan rakensi myös varhaisia elektronisynkrotrooneja käytännössä. Mark Oliphant liittyy varhaiseen kehitystyöhön ja protonisynkrotroni-ajatuksen esilletuomiseen. Myöhemmin 1950- ja 1960-luvuilla kehitettiin voimakkaasti fokusoivia rakenteita (alternating-gradient tai strong focusing), mikä mahdollisti pienemmät laitteet ja korkeammat intensiteetit. Tästä seurasi synkrotronien nopea leviäminen sekä perushiukkasfysiikan tutkimukseen että teollisiin ja lääketieteellisiin sovelluksiin.

Nykytilanne ja esimerkkejä

Nykyiset synkrotronilaitokset ovat erikoistuneet eri tarkoituksiin: jotkin tuottavat äärimmäisen kirkasta röntgensäteilyä materiaalitutkimukseen ja biotieteisiin, toiset taas toimivat hiukkastörmäyttiminä perusfysiikan tutkimuksessa. Esimerkkejä tunnetuista laitoksista ovat Euroopan suuria laitoksia (esim. CERN ja ESRF), japanilaiset ja pohjoismaiset synkrotronit sekä lukuisat pienemmät yksiköt yliopistoissa ja tutkimuskeskuksissa.

Yhteenveto

Synkrotroni on monipuolinen ja tehokas hiukkaskiihdytintyyppi, jonka toiminta perustuu magneettikentän ja RF-kentän synkronointiin. Se on mahdollistanut merkittäviä edistysaskeleita sekä perusfysiikassa että sovelletussa tutkimuksessa, ja nykyaikaiset synkrotronivalon lähteet ovat itsessään tärkeitä tutkimusinfrastruktuureja monilla tieteenaloilla.