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. In tegenstelling tot een cyclotron beschrijven alle deeltjes echter 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.
Bij de energieën waarbij een synchrotron werkt, hebben alle deeltjes, onafhankelijk van hun kinetische energie, dezelfde snelheid: hun snelheid benadert die van het licht. De deeltjes suizen het apparaat rond in pakketjes die zo dicht mogelijk bij elkaar worden gehouden. Als de energie van een deeltje een klein beetje lager is dan die van de anderen, 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 meerdere pakketjes met deeltjes tegelijkertijd rondlopen. De totale hoeveelheid deeltjes in de ring wordt uitgedrukt in een stroom in ampère, 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 zogenaamde injectoren gebruikt om deeltjes die al een grote energie hebben in de synchrotron ring te brengen. Het synchrotron zelf kan de deeltjes dan verder versnellen.
In de natuurkunde worden synchrotrons voor drie totaal verschillende doelen gebruikt:
- Als producent van snelle deeltjes, die daarna in een experiment buiten de ring kunnen worden gebruikt.
- Als producent van snelle deeltjes, die binnen de ring met elkaar kunnen botsen.
- Als producent van synchrotronstraling: de straling die snelle deeltjes uitzenden als ze gedwongen worden om door een bocht te gaan.
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.
Voor het produceren van synchrotronstraling worden meestal elektronen-synchrotrons gebruikt, die naast de gewone afbuigmagneten nog andere trucs herbergen om de deeltjes zo veel mogelijk straling in dezelfde richting uit te laten stralen (undulators en wigglers). De straling verlaat de ring in een zogenaamde beamline waar ze wordt gebruikt voor allerhande experimenten. De straling ligt in gebieden tussen het vacuüm ultraviolet en harde röntgenstraling.
