Синхротрон

Синхротрон (V. Векслер и, независно, Е. M. Макмилан, 1945.) убрзава електроне и протоне. У њему се магнетно поље повећава током убрзања једне групе честица, тако да је полупречник закривљености њихових стаза сталан, па се оне крећу по истој кружној путањи унутар торусне коморе. Први велики синхротрони били су космотрон у Брукхејвен националној лабораторији (BNL), Apton, Njujork, SAD (1952. godine, energija protona 3 GeV); Беватрон у Лоренс Беркли националној лабораторији, Беркли, Калифорнија, САД (1954. године, 6 GeV) и синхротрон (синхрофазотрон) у Дубни, бившем Совјетском савезу (1957. године, 10 GeV). Премда су магнети били торусни, пречници стаза и торуса од стотинак и више метара захтевали су врло велике магнете, па је то ограничавало досезање битно виших енергија. Почетком 1950-тих решење је нађено у начелу јаког фокусирања снопа наелектрисаних честица, што се постиже заменом масивних магнетских торуса низом магнета у којима се јачина магнетнога поља наизменично попречно (радијално) повећава или смањује. То је начело омогућило много прецизније вођење снопа убрзаних честица и тиме смањење пресека и укупне масе магнета и тако отворило могућност досезања виших енергија убрзивача честица (акцелератора честица).

Prvi veliki sinhrotron bio je Kosmotron u Brukhejven nacionalnoj laboratoriji (BNL), Apton, Njujork, SAD (1952., energija protona 3 GeV)

Схема синхротрона Солеил у Паризу.

Панорамски поглед на унутрашњост аустралског синхротрона (Клејтон, Викторија).

Нуклеарна реакција у којој се деутеријумом бомбардује литијум-6 (⁶Li), а настају две алфа-честице (протони су престављени црвеним куглицама, а неутрони плавим куглицама).

Највећи синхротрон са јаким фокусирањем је ЛЕП (енгл. Large Electron–Positron Collider), саграђен 1989. у истраживачком центру ЦЕРН. Смештен је у кружном тунелу опсега 27 километара, убрзавао је електроне и позитроне великих енергија. Велики протонски синхротрони с јаким фокусирањем снопа помакли су енергетске границе, посебно након повећања магнетске индукције суперпроводничким магнетима. Тако је у Фермилабу у Батавији, САД, у тунелу синхротрона пречника 2 километра изграђен додатни прстен са суперпроводничким магнетима. У том прстену, који чини убрзивач Теватрон, протони се убрзавају до енергије од 1 TeV (1 012 eV), односно до милион пута веће енергије од првих убрзивача са почетка 1930-их. Велико повећање енергије расположиве за проучавање међуделовања честица постигнуто је развојем и изградњом спремника честица, односно спремничких прстенова.

Убрзивач честица

Главни чланак: Акцелератор честица

Акцелератор честица, убрзивач честица или сударивач је уређај у којем се наелектрисане честице (електрони, протони, јони и друге) сталним или наизменичним електричним пољима убрзавају до високих кинетичких енергија. Коначна енергија честица зависи од врсте акцелератора. Акцелератор честица употребљава се у физици елементарних честица за истраживање структуре материје (стварање нових елементарних честица и истраживање непознатих својстава основних међуделовања), у нуклеарној медицини за лечење зрачењем, у индустрији за неке технолошке процесе (стерилизација, полимеризација), испитивање материјала, производњу радионуклида и друго. Акцелератор честица састоји се од три главна дела: од извора наелектрисаних честица, од вакуумске коморе у којој се честице убрзавају и од уређаја који стварају електрична поља потребна за убрзавање.

Први акцелератори били су они са сталним напоном између крајева вакуумске коморе. Они су стога линеарни, а честице се убрзавају једним пролазом кроз електрично поље. Према начину стварања високог напона на електродама, акцелератор честица тог типа је каскадни, Кокрофт-Волтонов (Џон Кокрофт и Ернест Волтон, 1932. године), и електростатички, Ван де Графов (Роберт Ј. Ван де Граф, 1931. године). Кокрофт-Волтонов акцелератор честица прикладан је и као извор неутрона путем нуклеарних реакција деутерона с деутеријумом или трицијумом. Један такав је неутронски генератор изграђен 1956. године у Институту „Руђер Бошковић” у Загребу. Био је то један од ретких у свету у то доба, а изградила га је група физичара и електроничара под водством M. Пајића властитим снагама, у складу с тадашњим технолошким могућностима, а у сарадњи са предузећима „Раде Кончар” и „Радио индустрија Загреб” (РИЗ). Из његових се техничких података види да је енергија деутерона била 200 keV, струја деутерона до 20mA, интензитет неутрона 108/s за 2,5 MeV неутроне, а 1010/s за 14 MeV неутроне.

Техничке границе у досезању високих напона ограничавују и енергије честица убрзаних у првим акцелераторима. Решење је нађено у вишекратном убрзавању кроз поље нижег напона. То је 1932. први начинио Ернест Лоренс са циклотроном, а затим је то начело примењено у свим потоњим типовима акцелератора. Они се према кретању честица деле на линеарне резонантне и на кружне акцелераторе. У кружне се убрајају циклотрон, синхроциклотрон, бетатрон и синхротрон.

Трансмутација

Главни чланак: Трансмутација

Код трансмутације (претварања) хемијских елемената могу се одвити различите промене. Тако на пример може из атомског језгра да излети један протон (редни број елемента се снижава за један) или алфа-честица (редни број елемента се снижава за два), или се неутрон претвори у протон, па излети електрон (редни број елемента се повишава за један). У неким случајевима погођено језгро избаци позитрон, па се редни број снижава за један. Проучавањем промена које се догађају у атомском језгру бави је нуклеарна физика или физика језгра. Као пројектил за бомбардирање атомских језгара приликом трансмутације елемената служе алфа-честице, неутрони, протони и деутеријум. Алфа-честице се добијају из једног радијумовог препарата, протони путем јонизације водоника, а деутеријум јонизацијом тешког водоника. Неутрони настају приликом бомбардовања берилијума алфа-честицама. При том настаје угљеник, а откинута честица је неутрон са врло великом брзином. Та се трансмутација приказује овом нуклеарном једначином:

$\mathrm {_{4}^{9}N+_{2}^{4}He\rightarrow _{6}^{12}C+_{0}^{1}n}$

Пројектили којима се гађају атомска језгра морају имати велику кинетичку енергију, то јест велику брзину. Ако су пројектили позитивно наелектрисани, као на пример протони, деутеријум и алфа-честице, одбијаће се позитивно наелектрисана атомска језгре. Око језгра постоји наиме јако електрично поље које одбија и скреће у страну све позитивно наелектрисане пројектиле који му се приближе. Због тога протон, деутеријум и алфа-честица неће продрети у атомско језгро, ако немају довољно велику брзину, већ ће скренути на страну и описати хиперболу. Код тога неће ни само језгро остати на миру, јер је одбијање узајамно. Догодиће се нека врста еластичног судара, па ће пројектил одлетети на једну, а језгро на другу страну. Зато честице којима се жели продрети у атомско језгро морају да имају врло велику енергију која се добија помоћу високог електричног напона. За добивање тако великих енергија које служе код трансмутације елемената, односно истраживања атомских језгара, употребљавају се посебни уређаји за убрзавање честица који се зову акцелератори честица. Међу те акцелераторе спада и циклотрон.

Литература

• Цхао, А. W.; Месс, К. Х.; Тигнер, M.; et al., ур. (2013). Хандбоок оф Аццелератор Пхyсицс анд Енгинееринг (2нд изд.). Wорлд Сциентифиц. ИСБН 978-981-4417-17-4. дои:10.1142/8543. 
• Ливингстон, M. С.; Блеwетт, Ј. (1969). Партицле аццелераторс. Неw Yорк: МцГраw-Хилл. ИСБН 978-1-114-44384-6. 
• Хумпхриес, Станлеy (1986). Принциплес оф Цхаргед Партицле Аццелератион. Wилеy-Интерсциенце. стр. 4. ИСБН 978-0471878780. 
• „сиx Миллион Волт Атом Смасхер Цреатес Неw Елементс”. Популар Мецханицс: 580. април 1935. 
• „Атом смасхер”. Америцан Херитаге Сциенце Дицтионарy. Хоугхтон Миффлин Харцоурт. 2005. стр. 49. ИСБН 978-0-618-45504-1. 
• Хамм, Роберт W.; Хамм, Марианне Е. (2012). Индустриал Аццелераторс анд Тхеир Апплицатионс. Wорлд Сциентифиц. ИСБН 978-981-4307-04-8. дои:10.1142/7745. 
• Хумпхриес, Станлеy (1986). Принциплес оф Цхаргед Партицле Аццелератион. Wилеy-Интерсциенце. стр. 6. ИСБН 978-0471878780. 
• Хумпхриес, Станлеy (1986). „Линеар Индуцтион Аццелераторс”. Принциплес оф Цхаргед Партицле Аццелератион. Wилеy-Интерсциенце. ИСБН 978-0471878780. 
• Цхристофилос, Н.C.; et al. (1963). „Хигх-цуррент линеар индуцтион аццелератор фор елецтронс”. Процеедингс, 4тх Интернатионал Цонференце он Хигх-Енергy Аццелераторс (ХЕАЦЦ63) (ПДФ). стр. 1482—1488. 
• Цхао, А. W.; Месс, К. Х.; Тигнер, M.; et al., ур. (2013). Хандбоок оф Аццелератор Пхyсицс анд Енгинееринг (2нд изд.). Wорлд Сциентифиц. ИСБН 978-981-4417-17-4. дои:10.1142/8543. 
• Хумпхриес, Станлеy (1986). „Бетатронс”. Принциплес оф Цхаргед Партицле Аццелератион. Wилеy-Интерсциенце. стр. 326фф. ИСБН 978-0471878780. 

Спољашње везе

• ESRF (European Synchrotron Radiation Facility)
• Elettra Sincrotrone Trieste - Elettra and Fermi lightsources
• Canadian Light Source
• Australian Synchrotron
• French synchrotron Soleil
• Diamond UK Synchrotron
• Lightsources.org
• IAEA database of electron synchrotron and storage rings
• CERN Large Hadron Collider
• Synchrotron Light Sources of the World
• A Miniature Synchrotron: Архивирано на сајту Wayback Machine (31. март 2012) room-size synchrotron offers scientists a new way to perform high-quality x-ray experiments in their own labs, Technology Review, February 4, 2008
• Brazilian Synchrotron Light Laboratory
• Podcast interview with a scientist at the European Synchrotron Radiation Facility
• Indian SRS
• Sameen Ahmed Khan, Synchrotron Radiation (in Asia), ATIP Report, No. ATIP02.034, 28 pages (21 August 2002). (ATIP: The Asian Technology Information Program, Tokyo, Japan, 2002). Complete Report.
• Spanish ALBA Light Source
• The tabletop synchrotron MIRRORCLE