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, maar in tegenstelling tot in een cyclotron beschrijven alle deeltjes in een synchrotron 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.
Lichtquanta Bij de energie waarbij een synchrotron werkt, hebben alle deeltjes, onafhankelijk van hun kinetische energie, dezelfde snelheid: hun snelheid benadert die van het licht. De deeltjes draaien in pakketjes, in bunches, het apparaat rond 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 meer pakketjes, in een multibunch met deeltjes tegelijkertijd rondgaan. De totale hoeveelheid deeltjes in de ring wordt in elektrische stroom uitgedrukt. 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 injectoren gebruikt om deeltjes die al een grote energie hebben in de synchrotron ring te brengen. Deze eerste versneller is vaak een lineaire versneller, zoals is te zien in het schema van Soleil. Het synchrotron zelf kan de deeltjes daarna 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 genoemd, Light Source of Photon Source.
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 behalve de gewone afbuigmagneten nog andere mogelijkheden hebben om de deeltjes zo veel mogelijk straling in dezelfde richting uit te laten stralen. 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.
Voorbeelden Soleil in Frankrijk thumb|Soleil|250px
In de figuur staat het schema van de Franse synchrotron Soleil met twee versnellers, een lineaire versneller en een boostersynchrotron, voor de injectie van elektronen aan de binnenzijde en bundelpijpen aan de buitenzijde. Negen magneten en acht bundelpijpen en -stations zijn aangegeven in de opslagring. Soleil ligt bij Gif-sur-Yvette ten zuidwesten van Parijs, en produceert elektronen met een energie van 2,75 GeV.
Australian Synchrotron thumb|Australian Synchrotron|250px
Het Australian Synchrotron bevindt zich in Victoria. De opslagring met een doorsnee van 216 m staat centraal met de optische diagnostische bundelpijp vooraan. Binnen de opslagring zijn de lineaire versneller en het aansluitende ronde boostersynchrotron met een doorsnee van 130 m voor de voorversnelling van elektronen zichtbaar. Deze brengen de elektronen op gang, voordat ze in de opslagring geïnjecteerd worden. Op het karretje staan twee soorten magneten, om de elektronenbundel af te buigen en te focusseren.
Toepassingen Levenswetenschappen: kristallografie van eiwitten en grote moleculen 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 van synchrotrons Synchrotron Plaats en land Energie (GeV) Omtrek (m) In gebruik genomen Gesloten Advanced Photon Source Argonne National Laboratory, VS 7,0 1104 1995 ISIS Rutherford Appleton Laboratory, VK 0,81631985 Australian Synchrotron Melbourne, Australië 32162006 LNLS Campinas, Brazilië 1,3793.21997 SESAME Jordanië2,5125wordt ontworpen Bevatron Lawrence Berkeley Laboratory, VS 611419541993 Advanced Light Source Lawrence Berkeley Laboratory, VS 1,9196,81993 Cosmotron Brookhaven National Laboratory, VS 372 19531968 National Synchrotron Light Source Brookhaven National Laboratory, VS 2,8170 19822014 National Synchrotron Light Source II Brookhaven National Laboratory, VS 3,0792 2014 Nimrod Rutherford Appleton Laboratory, VK 719571978 Alternating Gradient Synchrotron Brookhaven National Laboratory, VS 33 800 1960 Stanford Synchrotron Radiation Lightsource SLAC National Accelerator Laboratory, VS 32341973 Synchrotron Radiation Center Madison, VS 1211968 Cornell High Energy Synchrotron Source Cornell-universiteit, VS 5,57681979 Soleil Gif-sur-Yvette, Frankrijk 33542006 Shanghai Synchrotron Radiation Facility Shanghai, China 3,54322007 Proton Synchrotron CERN, Zwitserland 28628,3 1959 Tevatron Fermi National Accelerator Laboratory, VS 100063001983 Swiss Light Source Paul Scherrer Institute, Zwitserland 2,82882001 Large Hadron Collider (LHC) CERN, Zwitserland 7000266592008 BESSY II Helmholtz-Zentrum Berlin, Berlijn, Duitsland 1,72401998 European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) Grenoble, Frankrijk 68441992 MAX-I MAX-lab, Zweden 0,55301986 MAX-lab MAX-lab, Zweden 1,5901997 MAX-lab MAX-lab, Zweden 0,7362008 ELETTRA Triëst, Italië 2-2,42601993 Synchrotron Radiation Source Daresbury Laboratory, VK 29619802008 Diamond Light Source Oxfordshire, VK 3561,62006 DORIS III DESY, Duitsland 4,52891980 PETRA II DESY, Duitsland 12230419952007 Canadian Light Source University of Saskatchewan, Canada 2,91712002 SPring-8 RIKEN, Japan 814361997 Taiwanese National Synchrotron Radiation Research Center Hsinchu Science Park, Taiwan 3,3518.4 2008 Synchrotron Light Research Institute (SLRI) Nakhon Ratchasima, Thailand 1.281,4 2004 Indus 1 Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore, India 0,45 1999 Indus 2 Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore, India 2,536 2005 Synchrophasotron JINR, Doebna, Sovjet-Unie 1018019572005 U-70 IHEP, Protvino, Sovjet-Unie 70 1967 CAMD LSU, Louisiana, VS 1,5-- Noot: voor deeltjesversnellers van het type collider is de energie vaak het dubbele van het getal dat hier genoemd wordt voor maar één bundel.
Websites 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
Categorie:Natuurkunde