Síncrotron - Synchrotron

O primeiro síncrotron a usar o design de "pista de corrida" com seções retas, um síncrotron de elétrons de 300 MeV da Universidade de Michigan em 1949, projetado por Dick Crane .
Síncrotron SOLARIS na Polônia (eletroímãs em anel de armazenamento)

Um síncrotron é um tipo particular de acelerador de partículas cíclicas , descido do cíclotron , no qual o feixe de partículas em aceleração viaja em torno de um caminho de circuito fechado fixo. O campo magnético que curva o feixe de partículas em seu caminho fechado aumenta com o tempo durante o processo de aceleração, sendo sincronizado com o aumento da energia cinética das partículas. O síncrotron é um dos primeiros conceitos de acelerador a possibilitar a construção de instalações em grande escala, uma vez que a flexão, o foco do feixe e a aceleração podem ser separados em diferentes componentes. Os aceleradores de partículas modernos mais poderosos usam versões do projeto do síncrotron. O maior acelerador do tipo síncrotron, também o maior acelerador de partículas do mundo, é o Large Hadron Collider (LHC) de 27 quilômetros de circunferência (17 mi ) perto de Genebra, Suíça, construído em 2008 pela Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN ) Ele pode acelerar feixes de prótons a uma energia de 6,5  teraeletronvolts (TeV).

O princípio do síncrotron foi inventado por Vladimir Veksler em 1944. Edwin McMillan construiu o primeiro síncrotron de elétrons em 1945, chegando à ideia de forma independente, tendo perdido a publicação de Veksler (que só estava disponível em um jornal soviético , embora em inglês). O primeiro síncrotron de prótons foi projetado por Sir Marcus Oliphant e construído em 1952.

Tipos

Vários tipos especializados de máquinas síncrotron são usados ​​hoje:

  • Um anel de armazenamento é um tipo especial de síncrotron no qual a energia cinética das partículas é mantida constante.
  • Uma fonte de luz síncrotron é uma combinação de diferentes tipos de aceleradores de elétrons, incluindo um anel de armazenamento no qual a radiação eletromagnética desejada é gerada. Essa radiação é então usada em estações experimentais localizadas em diferentes linhas de luz . Além do anel de armazenamento, uma fonte de luz síncrotron geralmente contém um acelerador linear (linac) e outro síncrotron que às vezes é chamado de booster neste contexto. O linac e o booster são usados ​​para acelerar sucessivamente os elétrons até sua energia final antes de serem magneticamente "chutados" para o anel de armazenamento. As fontes de luz síncrotron em sua totalidade às vezes são chamadas de "síncrotrons", embora isso seja tecnicamente incorreto.
  • Um colisor cíclico também é uma combinação de diferentes tipos de aceleradores, incluindo dois anéis de armazenamento que se cruzam e os respectivos pré-aceleradores.

Princípio da Operação

O síncrotron evoluiu do ciclotron , o primeiro acelerador de partículas cíclicas. Enquanto um ciclotron clássico usa um campo magnético de orientação constante e um campo eletromagnético de frequência constante (e está trabalhando na aproximação clássica ), seu sucessor, o ciclotron isócrono , funciona por variações locais do campo magnético de orientação, adaptando a massa relativística crescente de partículas durante a aceleração.

Um desenho do Cosmotron

Em um síncrotron, essa adaptação é feita pela variação da intensidade do campo magnético no tempo, e não no espaço. Para partículas que não estão perto da velocidade da luz , a frequência do campo eletromagnético aplicado também pode mudar para seguir seu tempo de circulação não constante. Ao aumentar esses parâmetros conforme as partículas ganham energia, seu caminho de circulação pode ser mantido constante à medida que são aceleradas. Isso permite que a câmara de vácuo para as partículas seja um toro grande e fino , em vez de um disco, como nos projetos de aceleradores compactos anteriores. Além disso, o perfil delgado da câmara de vácuo permitiu um uso mais eficiente dos campos magnéticos do que em um ciclotron, permitindo a construção econômica de síncrotrons maiores.

Enquanto os primeiros síncrotrons e anéis de armazenamento, como o Cosmotron e o ADA, usavam estritamente a forma toróide, o forte princípio de foco descoberto independentemente por Ernest Courant et al. e Nicholas Christofilos permitiu a separação completa do acelerador em componentes com funções especializadas ao longo do caminho da partícula, moldando o caminho em um polígono arredondado. Alguns componentes importantes são fornecidos por cavidades de radiofrequência para aceleração direta, imãs dipolo ( magnetos curvos ) para deflexão de partículas (para fechar o caminho) e magnetos quadrupolo / sextupolo para focalização do feixe.

O interior das instalações do Síncrotron australiano , uma fonte de luz síncrotron . Dominando a imagem está o anel de armazenamento , mostrando uma linha de luz na frente direita. O interior do anel de armazenamento inclui um síncrotron e um linac .

A combinação de campos magnéticos orientadores dependentes do tempo e o forte princípio de foco possibilitou o projeto e a operação de modernos aceleradores de grande escala, como coletores e fontes de luz síncrotron . As seções retas ao longo do caminho fechado em tais instalações não são necessárias apenas para cavidades de radiofrequência, mas também para detectores de partículas (em coletores) e dispositivos de geração de fótons, como wigglers e onduladores (em fontes de luz síncrotron de terceira geração).

A energia máxima que um acelerador cíclico pode transmitir é normalmente limitada pela força máxima dos campos magnéticos e o raio mínimo ( curvatura máxima ) do caminho das partículas. Assim, um método para aumentar o limite de energia é usar ímãs supercondutores , estes não sendo limitados pela saturação magnética . Os aceleradores de elétron / pósitron também podem ser limitados pela emissão de radiação síncrotron , resultando em uma perda parcial da energia cinética do feixe de partículas. A energia limite do feixe é alcançada quando a energia perdida para a aceleração lateral necessária para manter o caminho do feixe em um círculo é igual à energia adicionada a cada ciclo.

Aceleradores mais poderosos são construídos usando caminhos de grande raio e usando cavidades de micro-ondas mais numerosas e poderosas. Partículas mais leves (como elétrons) perdem uma fração maior de sua energia quando desviadas. Em termos práticos, a energia dos aceleradores de elétron / pósitron é limitada por essa perda de radiação, embora ela não desempenhe um papel significativo na dinâmica dos aceleradores de prótons ou íons . A energia de tais aceleradores é limitada estritamente pela força dos ímãs e pelo custo.

Procedimento de injeção

Ao contrário de um cíclotron, os síncrotrons são incapazes de acelerar partículas a partir da energia cinética zero; uma das razões óbvias para isso é que seu caminho de partículas fechadas seria cortado por um dispositivo que emite partículas. Assim, esquemas foram desenvolvidos para injetar feixes de partículas pré-aceleradas em um síncrotron. A pré-aceleração pode ser realizada por uma cadeia de outras estruturas aceleradoras como um linac , um microtron ou outro síncrotron; todos estes, por sua vez, precisam ser alimentados por uma fonte de partículas composta por uma fonte de alimentação simples de alta tensão, normalmente um gerador Cockcroft-Walton .

A partir de um valor inicial apropriado determinado pela energia de injeção, a intensidade do campo dos ímãs dipolo é então aumentada. Se as partículas de alta energia são emitidas no final do procedimento de aceleração, por exemplo, para um alvo ou outro acelerador, a intensidade do campo é novamente diminuída para o nível de injeção, iniciando um novo ciclo de injeção . Dependendo do método de controle magnético usado, o intervalo de tempo para um ciclo pode variar substancialmente entre as diferentes instalações.

Em instalações de grande escala

Os síncrotrons modernos em escala industrial podem ser muito grandes (aqui, Soleil perto de Paris )

Um dos primeiros grandes síncrotrons, agora aposentado, é o Bevatron , construído em 1950 no Laboratório Lawrence Berkeley . O nome desse acelerador de prótons vem de sua potência, na faixa de 6,3 GeV (então chamada de BeV para bilhões de elétron-volts ; o nome é anterior à adoção do prefixo SI giga- ). Vários elementos de transurânio , invisíveis no mundo natural, foram criados pela primeira vez com esta máquina. Este local também é o local de uma das primeiras grandes câmaras de bolhas usadas para examinar os resultados das colisões atômicas produzidas aqui.

Outro grande síncrotron inicial é o Cosmotron construído no Laboratório Nacional de Brookhaven, que atingiu 3,3 GeV em 1953.

Entre os poucos síncrotrons ao redor do mundo, 16 estão localizados nos Estados Unidos. Muitos deles pertencem a laboratórios nacionais; poucos estão localizados em universidades.

Como parte dos aceleradores

Até agosto de 2008, o colisor de maior energia do mundo era o Tevatron , do Fermi National Accelerator Laboratory , nos Estados Unidos . Ele acelerou prótons e antiprótons a um pouco menos de 1 TeV de energia cinética e os colidiu. O Large Hadron Collider (LHC), que foi construído no Laboratório Europeu de Física de Altas Energias ( CERN ), tem cerca de sete vezes essa energia (então as colisões próton-próton ocorrem a aproximadamente 14 TeV). Ele está localizado no túnel de 27 km que anteriormente abrigava o colisor Large Electron Positron ( LEP ), portanto, manterá a alegação de ser o maior dispositivo científico já construído. O LHC também acelera íons pesados ​​(como chumbo ) até uma energia de 1,15 PeV .

O maior dispositivo desse tipo proposto seriamente foi o Superconductor Super Collider (SSC), que seria construído nos Estados Unidos . Este projeto, como outros, usava ímãs supercondutores que permitem a criação de campos magnéticos mais intensos sem as limitações de saturação do núcleo. Enquanto a construção foi iniciada, o projeto foi cancelado em 1994, citando estouros excessivos no orçamento - isso se deveu a uma estimativa ingênua de custos e problemas de gerenciamento econômico, e não a quaisquer falhas básicas de engenharia. Também pode-se argumentar que o fim da Guerra Fria resultou em uma mudança nas prioridades de financiamento científico que contribuíram para o seu cancelamento final. No entanto, o túnel construído para a sua colocação ainda permanece, embora vazio. Embora ainda haja potencial para aceleradores cíclicos de prótons e partículas pesadas ainda mais poderosos, parece que o próximo passo na energia do feixe de elétrons deve evitar perdas devido à radiação síncrotron . Isso exigirá um retorno ao acelerador linear , mas com dispositivos significativamente mais longos do que os atualmente em uso. Atualmente, há um grande esforço para projetar e construir o Colisor Linear Internacional (ILC), que consistirá em dois aceleradores lineares opostos , um para elétrons e outro para pósitrons. Eles colidirão em um centro de energia de massa total de 0,5 TeV .

Como parte das fontes de luz síncrotron

A radiação síncrotron também tem uma ampla gama de aplicações (veja a luz síncrotron ) e muitos síncrotrons de 2ª e 3ª gerações foram construídos especialmente para aproveitá-la. As maiores dessas fontes de luz síncrotron de 3ª geração são a European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) em Grenoble , França, a Advanced Photon Source ( APS ) perto de Chicago, EUA, e SPring-8 no Japão , acelerando elétrons até 6, 7 e 8 GeV , respectivamente.

Os síncrotrons úteis para pesquisas de ponta são máquinas grandes, que custam dezenas ou centenas de milhões de dólares para construir, e cada linha de luz (pode haver 20 a 50 em um síncrotron grande) custa outros dois ou três milhões de dólares em média. Essas instalações são construídas principalmente por agências de financiamento de ciência de governos de países desenvolvidos, ou por colaborações entre vários países em uma região, e operadas como instalações de infraestrutura disponíveis para cientistas de universidades e organizações de pesquisa em todo o país, região ou mundo. Modelos mais compactos, no entanto, foram desenvolvidos, como o Compact Light Source .

Formulários

Veja também

Referências

links externos