EEN synchrotron is een ontwerp van een cyclische deeltjesversneller, waarbij een bundel geladen deeltjes herhaaldelijk door een magnetisch veld gaat om bij elke doorgang energie te winnen. Terwijl de straal energie wint, past het veld zich aan om controle te houden over het pad van de straal terwijl deze rond de cirkelvormige ring beweegt. Het principe is ontwikkeld door Vladimir Veksler in 1944, met de eerste elektronensynchrotron gebouwd in 1945 en de eerste proton synchrotron gebouwd in 1952.
Hoe een Synchrotron werkt
De synchrotron is een verbetering op de cyclotron, ontworpen in de jaren dertig. In cyclotrons beweegt de bundel geladen deeltjes door een constant magnetisch veld dat de bundel in een spiraalvormig pad leidt, en gaat dan door een constant elektromagnetisch veld dat zorgt voor een toename van energie bij elke doorgang door het veld. Deze hobbel in kinetische energie betekent dat de straal door een iets bredere cirkel beweegt op de doorgang door het magnetische veld, een andere hobbel krijgt, enzovoort, totdat hij het gewenste energieniveau bereikt.
De verbetering die tot de synchrotron leidt, is dat in plaats van constante velden te gebruiken, de synchrotron een veld toepast dat in de tijd verandert. Als de straal energie wint, past het veld zich aan om de straal in het midden van de buis die de straal bevat vast te houden. Dit zorgt voor een grotere mate van controle over de straal en het apparaat kan worden gebouwd om gedurende een cyclus meer energie te verhogen.
Een specifiek type synchrotron-ontwerp wordt een opslagring genoemd, een synchrotron die uitsluitend is ontworpen om een constant energieniveau in een straal te handhaven. Veel deeltjesversnellers gebruiken de hoofdversnellerstructuur om de straal vervolgens tot het gewenste energieniveau te versnellen breng het over naar de opslagring die moet worden gehandhaafd totdat het in botsing kan komen met een andere balk die in de tegenovergestelde richting beweegt richting. Dit verdubbelt effectief de energie van de botsing zonder twee volledige versnellers te hoeven bouwen om twee verschillende bundels op volledig energieniveau te krijgen.
Grote synchrotrons
De Cosmotron was een protonsynchrotron gebouwd in Brookhaven National Laboratory. Het werd in gebruik genomen in 1948 en bereikte zijn volle kracht in 1953. Destijds was het het krachtigste apparaat dat werd gebouwd, stond op het punt energieën van ongeveer 3,3 GeV te bereiken en het bleef in bedrijf tot 1968.
De bouw aan de Bevatron in het Lawrence Berkeley National Laboratory begon in 1950 en werd voltooid in 1954. In 1955 werd de Bevatron gebruikt om de antiproton te ontdekken, een prestatie die in 1959 de Nobelprijs voor natuurkunde verdiende. (Interessante historische opmerking: het heette het Bevatraon omdat het een energie bereikte van ongeveer 6,4 BeV, voor "miljarden elektronvolt.") Met de goedkeuring van SI eenhedenmaar het voorvoegsel giga- werd voor deze schaal aangenomen, dus de notatie veranderde in GeV.)
De Tevatron-deeltjesversneller bij Fermilab was een synchrotron. In staat protonen en antiprotonen te versnellen tot kinetische energieniveaus van iets minder dan 1 TeV, was het de krachtigste deeltjesversneller ter wereld tot 2008, toen het werd overtroffen door de Large Hadron Collider. De 27 kilometer lange hoofdversneller bij de Large Hadron Collider is ook een synchrotron en is actueel in staat om versnellingsenergieën van ongeveer 7 TeV per straal te bereiken, wat resulteert in 14 TeV botsingen.