싱크로트론

Synchrotron
직선 단면을 가진 최초의 싱크로트론은 1949년 딕 크레인이 설계한 미시간 대학의 300MeV 전자 싱크로트론입니다.
폴란드의 SOLARIS 싱크로트론(스토리지 링 내 전자석)

싱크로트론은 가속 입자 빔이 고정된 폐쇄 루프 경로를 따라 이동하는 사이클로트론에서 파생된 특정 유형의 순환 입자 가속기입니다.입자 빔을 닫힌 경로로 구부리는 자기장은 가속 과정 동안 시간과 함께 증가하며,[1] 입자의 증가하는 운동 에너지와 동기화됩니다.싱크로트론은 벤딩, 빔 포커싱 및 가속이 서로 다른 구성요소로 분리될 수 있기 때문에 대규모 설비를 건설할 수 있는 최초의 가속기 개념 중 하나입니다.가장 강력한 현대 입자 가속기는 싱크로트론 디자인의 버전을 사용합니다.세계에서 가장 큰 입자 가속기이기도 한 싱크로트론형 가속기는 2008년 유럽원자력연구기구(CERN)가 만든 스위스 제네바 인근의 27km 원주율(17mi) 대형 강입자 가속기이다.양성자 빔을 6.5 테라 전자볼트(TeV 또는 *1E12 eV)의 에너지로 가속할 수 있습니다.

싱크로트론 원리는 [2]1944년 블라디미르 벡슬러에 의해 발명되었다.에드윈 맥밀런은 1945년에 최초의 전자 싱크로트론을 만들었고,[3][4][5] 벡슬러의 출판물을 놓치고 독립적으로 이 아이디어를 얻었다.최초의 양성자 싱크로트론은 Marcus Oliphant[4][6] 경에 의해 설계되었고 [4]1952년에 만들어졌다.

종류들

오늘날에는 다음과 같은 특수 유형의 싱크로트론 기계가 사용됩니다.

  • 저장 고리는 입자의 운동 에너지가 일정하게 유지되는 특별한 형태의 싱크로트론이다.
  • 싱크로트론 광원은 원하는 전자 복사가 발생하는 기억링을 포함한 다른 전자 가속기의 조합이다.그런 다음 이 방사선은 다른 빔 라인에 위치한 실험 스테이션에서 사용됩니다.싱크로트론 광원은 저장 고리 외에도 보통 선형 가속기(리니크)와 다른 싱크로트론을 포함하고 있는데, 이러한 맥락에서 때때로 부스터라고 불립니다.리낙과 부스터는 저장 링에 자기적으로 "킥"되기 전에 전자를 최종 에너지로 순차적으로 가속하는 데 사용됩니다.싱크로트론 광원 전체를 싱크로트론(synchrotons)이라고 부르기도 하지만, 이는 기술적으로 올바르지 않습니다.
  • 사이클릭 충돌기는 또한 2개의 교차하는 기억링과 각각의 프리액셀러레이터를 포함한 다른 가속기 유형의 조합이다.

작동 원리

싱크로트론은 최초의 순환입자 가속기인 사이클로트론에서 진화했다.고전적인 사이클로트론은 일정한 유도 자기장과 일정한 주파수 전자기장을 모두 사용하는 반면(고전적 근사치로 작동 중), 그 후계자인 등시성 사이클로트론은 가속 [7]중에 증가하는 입자의 상대론적 질량을 적응시키면서 유도 자기장의 국소적 변화에 의해 작동합니다.

코스모트론의 그림

싱크로트론에서 이러한 적응은 공간이 아닌 시간의 자기장 강도의 변화에 의해 이루어집니다.빛의 속도에 가깝지 않은 입자의 경우 인가되는 전자장의 주파수도 일정하지 않은 순환 시간에 따라 변경될 수 있습니다.따라서 입자가 에너지를 획득함에 따라 이들 파라미터를 증가시킴으로써 입자가 가속함에 따라 순환경로를 일정하게 유지할 수 있다.따라서 입자용 진공 챔버는 이전의 콤팩트 가속기 설계와 같이 디스크가 아닌 크고 얇은 토러스입니다.또한 진공 챔버의 얇은 프로파일은 사이클로트론보다 자기장을 더 효율적으로 사용할 수 있게 해 더 큰 싱크로트론을 [citation needed]비용 효율적으로 구성할 수 있게 했습니다.

반면 Cosmotron과 ADA는 첫번째 synchrotrons과 보관 고리들은 환상 면 모양 사용했고, 그 강한 집중 원리 독립적으로 어니스트 쿠랑을 발견했다.[8][9]과 NicholasChristofilos[10]전문화된 기능을 가진 입자 길을 따라 구성 요소들로,에 경로로 미래를 만들어 나가기 가속기의 완전한 분리 허용했다.원형 다각형으로 변환합니다.일부 중요한 구성요소는 직접 가속을 위한 무선 주파수 공동, 입자 편향(경로를 폐쇄하기 위한)을 위한 쌍극자석(굴곡자석), 빔 [citation needed]포커싱을 위한 4극/육중극자석에 의해 제공됩니다.

싱크로트론 광원호주 싱크로트론 시설의 내부입니다.이미지를 지배하는 것은 저장 링이며 전면 오른쪽에 빔 라인을 표시합니다.수납 링의 내부에는 싱크로트론과 리낙이 포함되어 있습니다.

시간 의존적인 유도 자기장과 강한 초점 원리의 조합으로, 가속기싱크로트론 광원과 같은 현대식 대규모 가속기 설비의 설계와 작동이 가능했습니다.그러한 시설에서 닫힌 경로를 따라 직선 섹션은 무선 주파수 공동뿐만 아니라 입자 검출기(콜라이더 내) 및 위글러파동기(제3세대 싱크로트론 광원 [citation needed]내)와 같은 광자 생성 장치에도 필요하다.

순환 가속기가 전달할 수 있는 최대 에너지는 일반적으로 자기장의 최대 강도와 입자 경로의 최소 반지름(최대 곡률)에 의해 제한됩니다.따라서 에너지 한계를 증가시키는 한 가지 방법은 초전도 자석을 사용하는 것입니다. 초전도 자석은 자기 포화 상태에 의해 제한되지 않습니다.전자/양전자 가속기는 싱크로트론 방사 방출에 의해 제한될 수 있으며, 이로 인해 입자 빔의 운동 에너지가 부분적으로 손실된다.한계 빔 에너지는 원에서 빔 경로를 유지하는 데 필요한 횡방향 가속도로 손실된 에너지가 각 [citation needed]사이클에 추가된 에너지와 같을 때 도달합니다.

더 강력한 가속기는 큰 반지름 경로와 더 많고 더 강력한 마이크로파 공동을 사용하여 만들어집니다.가벼운 입자(전자 등)는 편향되면 에너지의 큰 부분을 잃게 됩니다.실질적으로 전자/양전자 가속기의 에너지는 이러한 방사선 손실에 의해 제한되지만, 양성자 또는 이온 가속기의 역학에는 큰 역할을 하지 않는다.이러한 가속기의 에너지는 자석의 강도와 [citation needed]비용에 의해 엄격하게 제한됩니다.

주입 절차

사이클로트론과 달리 싱크로트론은 제로 운동 에너지로부터 입자를 가속할 수 없다; 이것의 분명한 이유 중 하나는 입자를 방출하는 장치에 의해 닫힌 입자의 경로가 끊어질 것이기 때문이다.따라서, 사전 가속 입자 빔을 싱크로트론에 주입하는 방식이 개발되었습니다.사전 가속은 리낙, 마이크로트론 또는 다른 싱크로트론과 같은 다른 가속기 구조의 체인에 의해 실현될 수 있습니다. 이 모든 것은 단순한 고전압 전원(일반적으로 Cockcroft-Walton 발전기)[citation needed]으로 구성된 입자 소스에 의해 공급되어야 합니다.

그 후 주입에너지에 의해 결정되는 적절한 초기값에서 쌍극자석의 전계강도를 증가시킨다.가속 절차 종료 시 예를 들어 타깃 또는 다른 가속기에 고에너지 입자가 방출되면 전계강도는 다시 분사 레벨로 감소하여 새로운 분사 사이클을 시작한다.사용되는 자석 제어 방법에 따라 [citation needed]한 사이클의 시간 간격이 설치마다 크게 다를 수 있습니다.

대규모 시설 내

현대의 산업용 싱크로트론은 매우 클 수 있습니다(여기서 파리 근교의 솔레유).

지금은 은퇴한 초기 대형 싱크로트론 중 하나는 1950년 로렌스 버클리 연구소에서 건설된 베바트론이다. 양성자 가속기의 이름은 6.3 GeV의 범위에서 그것의 힘에서 유래했습니다. (그때 10억 전자 볼트의 BeV로 불렸습니다; 이름은 SI 접두사의 giga-를 채택하기 전입니다.)자연계에서는 볼 수 없는 많은 초우라늄 원소가 이 기계로 처음 만들어졌습니다.이 장소는 [citation needed]또한 이곳에서 발생한 원자 충돌의 결과를 조사하기 위해 사용된 최초의 큰 버블 챔버의 위치이기도 하다.

또 다른 초기 대형 싱크로트론은 1953년 [11]3.3 GeV에 도달한 브룩헤이븐 국립 연구소에 세워진 코스모트론이다.

전 세계 몇 안 되는 싱크로트론 중 16개가 미국에 있다.그들 중 많은 수가 국립 연구소에 소속되어 있고,[citation needed] 대학에 있는 사람은 거의 없다.

콜라이더의 일부로서

2008년 8월까지 세계에서 가장 높은 에너지 충돌기는 미국페르미 국립 가속기 연구소에 있는 테바트론이었다.그것은 양성자와 반양성자1TeV 미만의 운동 에너지로 가속시켜 충돌시켰다.유럽 고에너지 물리학 연구소(CERN)에서 만들어진 대형 강입자 충돌기(LHC)는 이 에너지의 약 7배를 가지고 있다(그래서 양성자-양성자 충돌은 약 14TeV에서 발생한다).그것은 이전에 대형 전자 양전자 충돌기가 있던 27 킬로미터 터널에 들어있기 때문에 지금까지 만들어진 것 중 가장 큰 과학 장치로서의 주장을 유지할 것이다.또한 LHC는 중이온(납 등)[citation needed]을 1.15PeV에너지까지 가속합니다.

이런 종류의 가장 큰 장치는 미국에서 만들어질 초전도 슈퍼 충돌기(SSC)였다.다른 설계와 마찬가지로, 이 설계는 코어 포화도의 한계 없이 더 강한 자기장을 만들 수 있는 초전도 자석을 사용했습니다.건설이 시작되었을 때, 1994년에 예산 초과를 이유로 프로젝트가 취소되었습니다.이는 기본적인 엔지니어링상의 결함보다는 순진한 비용 견적과 경제 관리상의 문제 때문입니다.또한 냉전의 종식이 궁극적인 취소의 원인이 된 과학적 자금 우선 순위 변경을 초래했다고 주장할 수 있다.그러나 배치용으로 구축된 터널은 비어 있지만 그대로 남아 있습니다.아직 더 강력한 양성자와 무거운 입자 순환 가속기의 잠재력이 있지만, 전자 빔 에너지의 다음 단계는 싱크로트론 방사선에 의한 손실을 피해야 합니다.이를 위해서는 리니어 액셀러레이터로 돌아가야 하지만 현재 사용 중인 장치보다 훨씬 긴 장치를 사용해야 합니다.현재 국제 선형 가속기(ILC)를 설계하고 제작하는 데 큰 노력이 있으며, 두 개의 마주보는 선형 가속기는 전자용과 양전자용입니다.이들은 0.5TeV[citation needed]질량 에너지 중심에서 충돌합니다.

싱크로트론 광원의 일부로서

싱크로트론 방사선은 또한 광범위한 응용 분야를 가지고 있으며(싱크로트론 빛 참조), 많은 2세대 및 3세대 싱크로트론이 이를 이용하기 위해 특별히 제작되었습니다.이들 3세대 싱크로트론 광원 중 가장 큰 것은 프랑스 그르노블유럽 싱크로트론 방사선 시설(ESRF), 미국 시카고 인근의 첨단 광원(APS), 일본 SPRING-8로 각각 [citation needed]전자가 6G, 7G, 8GeV까지 가속된다.

최첨단 연구에 유용한 싱크로트론은 조립에 수천만 달러에서 수억 달러가 드는 대형 기계이며 빔라인(대형 싱크로트론에는 2050개가 있을 수 있음)은 평균 200만 달러에서 300만 달러가 더 든다.이러한 시설은 대부분 선진국 정부의 과학 자금 지원 기관 또는 지역 내 여러 국가 간의 협업을 통해 구축되며, 국가, 지역 또는 세계 전역의 대학 및 연구 기관의 과학자들이 이용할 수 있는 인프라 시설로 운영된다.그러나 콤팩트 [citation needed]광원과 같은 보다 콤팩트한 모델이 개발되었습니다.

적용들

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Chao, A. W.; Mess, K. H.; Tigner, M.; et al., eds. (2013). Handbook of Accelerator Physics and Engineering (2nd ed.). World Scientific. doi:10.1142/8543. ISBN 978-981-4417-17-4.
  2. ^ Veksler, V. I. (1944). "A new method of accelerating relativistic particles" (PDF). Comptes Rendus de l'Académie des Sciences de l'URSS. 43 (8): 346–348.
  3. ^ J. David Jackson and W.K.H. Panofsky (1996). "EDWIN MATTISON MCMILLAN: A Biographical Memoir" (PDF). National Academy of Sciences.
  4. ^ a b c Wilson. "Fifty Years of Synchrotrons" (PDF). CERN. Retrieved 2012-01-15.
  5. ^ Zinovyeva, Larisa. "On the question about the autophasing discovery authorship". Retrieved 2015-06-29.
  6. ^ Rotblat, Joseph (2000). "Obituary: Mark Oliphant (1901–2000)". Nature. 407 (6803): 468. doi:10.1038/35035202. PMID 11028988.
  7. ^ McMillan, Edwin M. (February 1984). "A history of the synchrotron". Physics Today. 37 (2): 31–37. doi:10.1063/1.2916080. ISSN 0031-9228.
  8. ^ Courant, E. D.; Livingston, M. S.; Snyder, H. S. (1952). "The Strong-Focusing Synchrotron—A New High Energy Accelerator". Physical Review. 88 (5): 1190–1196. Bibcode:1952PhRv...88.1190C. doi:10.1103/PhysRev.88.1190. hdl:2027/mdp.39015086454124.
  9. ^ Blewett, J. P. (1952). "Radial Focusing in the Linear Accelerator". Physical Review. 88 (5): 1197–1199. Bibcode:1952PhRv...88.1197B. doi:10.1103/PhysRev.88.1197.
  10. ^ 미국 특허 2736799, Nicholas Christofilos, "이온 및 전자에 대한 포커스 시스템", 1956-02-28 발행
  11. ^ 코스모트론

외부 링크