Synchrotron

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:

1. Als producent van snelle deeltjes, die daarna in een experiment buiten de ring kunnen worden gebruikt.
2. Als producent van snelle deeltjes, die binnen de ring met elkaar kunnen botsen: een collider.
3. 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

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

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

• 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

Interview

• (en) Podcast interview met een onderzoeker van de European Synchrotron Radiation Facility

Mediabestanden

Zie de categorie Synchrotrons van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.