σύγχροτρο

Λέγεται και συγχροτρόνιο. Επιταχυντική διάταξη, η οποία μπορεί να προσδώσει σε σωματίδια και πυρήνες ατόμων υψηλότερες ενέργειες από εκείνες που πετυχαίνονται με άλλους επιταχυντές (από εκατοντάδες μεγαηλεκτρονιοβόλτ - MeV - έως δεκάδες γιγαηλεκτρονιοβόλτ - GeV -). Το σ. επινοήθηκε το 1945 από το Β. Βέκσλερ και ανεξάρτητα από τον E.M. Μακ Μίλαν και υποσκέλισε τις άλλες επιταχυντικές διατάξεις στην επίτευξη πολύ υψηλών ενεργειών. Το σ. προορίζεται ιδιαίτερα για την επιτάχυνση των πρωτόνιων (στην περίπτωση αυτή ονομάζεται και πρωτοσύγχροτρο) και των ηλεκτρόνιων (ηλεκτροσύγχροτρο). Το σ. διακρίνεται από τους άλλους τύπους επιταχυντικών διατάξεων, κατά το ότι σε αυτά τα σωματίδια, καθοδηγούμενα από ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο (στο κύκλοτρο και στο συγχροκύκλοτρο το πεδίο αυτό είναι σταθερό), διαγράφουν μία κυκλική τροχιά. Το σ. αποτελείται βασικά από έναν αερόκενο δακτυλιοειδή θάλαμο (δακτύλιο), μέσα στον οποίο κυκλοφορούν τα σωματίδια· από ηλεκτρομαγνήτες, που έχουν σκοπό να καμπυλώνουν την τροχιά των σωματιδίων· από κοιλότητες - αντηχεία, που παράγουν ηλεκτρικά πεδία για την επιτάχυνση των σωματιδίων· από έναν εγχυτήρα (βοηθητικός επιταχυντής που έχει την αποστολή να εισάγει στο σ. σωματίδια με αρχικές ταχύτητες πολύ υψηλές). Ο δακτυλιοειδής θάλαμος είναι μεταβλητής τομής, ανάλογα με το σύστημα λειτουργίας του σ., και με ακτίνα καμπυλότητας τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα την οποία πρέπει να αποχτήσουν τα σωματίδια. Εξαιτίας των διαστάσεων του, πάντοτε σημαντικών, ο δακτυλιοειδής θάλαμος δεν είναι ποτέ τελείως αερόκενος και για να διατηρείται το κενό υπάρχει ένα σύστημα αντλιών, που λειτουργούν συνεχώς. Γύρω από το δακτύλιο είναι τοποθετημένος ο μαγνήτης (ηλεκτρομαγνήτης), ο οποίος παράγει ένα κάθετο μαγνητικό πεδίο ως προς το επίπεδο του δακτυλίου, και έντασης επαρκούς ώστε να διατηρούνται τα σωματίδια σε μια κυκλική τροχιά· επειδή με την αύξηση της ώθησης των σωματιδίων η ακτίνα τροχιάς τους τείνει να μεγαλώσει, για να διατηρηθεί σταθερή η ακτίνα είναι απαραίτητο να αυξηθεί, σε αντιστοιχία προς την ώθηση, και η ένταση του μαγνητικού πεδίου. Η μεταβολή αυτή του μαγνητικού πεδίου πρέπει επίσης να υπολογιστεί με τη σχετική αύξηση της μάζας των επιταχυνόμενων σωματιδίων. Οι κοιλότητες - αντηχεία παράγουν ηλεκτρικά πεδία, που προσδίνουν στα σωματίδια ώθηση σε κάθε διέλευση τους· οι διαδοχικές ωθήσεις που προσδίνονται κατά τη διάρκεια μιας διαδρομής, η οποία αποτελείται από μερικές εκατοντάδες χιλιάδων περιστροφών, φέρουν τα σωματίδια σε πάρα πολύ υψηλές ενέργειες. Τα σωματίδια, εισαγόμενα στο σ., είναι ήδη εφοδιασμένα με σημαντική ταχύτητα και ενέργεια· αυτό πετυχαίνεται με ένα βοηθητικό επιταχυντή - γενικά γραμμικό –που ενεργεί ως εγχυτήρας. Αυτός εισάγει τα σωματίδια στο σ. όχι κατά τρόπο συνεχή, αλλά κατά διαδοχικά κύματα, το καθένα από τα οποία αποτελείται από 1010 περίπου σωματίδια. Αρχή λειτουργίας. Αν θεωρήσουμε ένα μόνο σωματίδιο με ιδανική συμπεριφορά, η λειτουργία του σ. παρουσιάζεται απλή: το σωματίδιο αυτό, εισαγόμενο στο δακτύλιο με σημαντική ταχύτητα, επιταχύνεται από τις διαδοχικές ωθήσεις που προσδίνονται από τις κοιλότητες - αντηχεία. Το σωματίδιο διαγράφει μια κυκλική τροχιά με σταθερή ακτίνα, κάτω από τη δράση ενός μαγνητικού πεδίου, το οποίο έχει κάθετη διεύθυνση προς το επίπεδο του δακτυλίου, ενώ Στην πραγματικότητα, επειδή κάθε κύμα αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό σωματιδίων και επειδή αυτά δεν έχουν ιδανική συμπεριφορά (ιδιαίτερη σημασία, ειδικά για τα ηλεκτρόνια, έχει η απώλεια ενέργειας που οφείλεται σε ακτινοβολία), η λειτουργία ενός σ. παρουσιάζεται κάπως πολυπλοκότερη. Επειδή όλα τα σωματίδια δεν έχουν κάθε στιγμή την ίδια ποσότητα κίνησης, προσαρμοσμένη προς το μαγνητικό πεδίο, θα φανεί ότι μερικά από αυτά θα πρέπει να χαθούν. Στην πραγματικότητα αυτό δε συμβαίνει σύμφωνα με την αρχή «της σταθερότητας της φάσης». Η αρχή αναφέρεται σ’ ένα ιδανικό σωματίδιο, που κινείται σε συγχρονισμό με τη συχνότητα της επιταχυντικής τάσης· το σωματίδιο αυτό λέγεται «σωματίδιο σύγχρονο». Τα σωματίδια που έχουν μια ενέργεια μικρότερη σε σχέση προς το σύγχρονο σωματίδιο, διαγράφουν κάτω από τη δράση ενός δεδομένου μαγνητικού πεδίου μία μικρότερη τροχιά. Αλλά κατ’ αυτόν τον τρόπο, επειδή είναι μικρότερη η διαδρομή που διανύουν, φτάνουν στο πεδίο που τα επιταχύνει νωρίτερα, σε σχέση προς το σύγχρονο σωματίδιο, βρίσκουν το πεδίο εντονότερο και επομένως δέχονται μια ώθηση που τους επιτρέπει να πλησιάσουν και να περάσουν αμέσως στην επιθυμητή τροχιά. Για τα ταχύτερα σωματίδια εκδηλώνεται το αντίθετο φαινόμενο, δηλαδή από μία μεγαλύτερη τροχιά αυτά επαναφέρονται στην επιθυμητή. Στον ίδιο χρόνο κατά τον οποίο εκδηλώνεται το πλησίασμα των τροχιών, εκδηλώνεται επίσης, πάντοτε βάσει της αρχής της σταθερότητας της φάσης, η ανασύνδεση των σωματιδίων με το σύγχρονο σωματίδιο, τα οποία παραμείναν πολύ πίσω ή προηγούνταν αρκετά. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να πετυχαίνεται, κατά την έξοδο των σωματιδίων, μία ροή όχι συνεχής (συνεχής δέσμη), αλλά κατά μικρές ομάδες, που διαδέχονται η μία την άλλη (παλμική δέσμη). Τα σωματίδια εισάγονται στο σ. σε αντιστοιχία με την τροχιά του σύγχρονου σωματιδίου και, όσο το δυνατό σε επαφή προς αυτή, αλλά επειδή δεν μπορεί να είναι όλα παράλληλα και προχωρούν κατά μήκος ευθειών γραμμών που αποχτούν τη μορφή ενός κώνου, ο κώνος αυτός πρέπει να είναι όσο το δυνατό πιο στενός και να μην υπερβαίνει ορισμένα όρια μαθηματικά υπολογιζόμενα. Επιπλέον, πρέπει να διαθέτουν μια ορισμένη ενέργεια, η οποία να τους επιτρέπει να κινούνται επί της επιθυμητής τροχιάς (εκείνης του σύγχρονου σωματιδίου). Για τον τελευταίο αυτό λόγο, η εισαγωγή των σωματιδίων πραγματοποιείται αφού αυτά έχουν προηγουμένως επιταχυνθεί και έχουν αποχτήσει μία ενέργεια μερικών MeV- η επιτάχυνση πραγματοποιείται γενικά με ηλεκτροστατικούς επιταχυντές. Κάθε επιταχυνόμενο σωματίδιο εκπέμπει ενέργεια υπό μορφή ακτινοβολίας και η ενέργεια αυτή είναι τόσο μεγαλύτερη, όσο μεγαλύτερη είναι η επιτάχυνση: μέσα στη μηχανή, επομένως, τα σωματίδια προσλαμβάνουν από το ένα μέρος ενέργεια από το επιταχυντικό ηλεκτρικό πεδίο, και από το άλλο μέρος την εκπέμπουν. Όταν οι δύο αυτές ποσότητες εξισωθούν, τα σωματίδια δεν επιταχύνονται πλέον, επειδή ολόκληρη η επιπλέον ενέργεια που απορροφούν χάνεται. Το μέγιστο κατορθωτό όριο εξαρτιέται από τον τύπο της μηχανής. Στην περίπτωση του σ. εξαρτιέται από την ακτίνα της καμπυλότητας. Ο τύπος του σ. που περιγράψαμε λέγεται «σταθερής βαθμίδας» (επειδή ο δείκτης του πεδίου έχει σταθερή τιμή) ή «ασθενούς εστίασης» (επειδή η επιτυγχανόμενη δέσμη είναι μάλλον ευρεία). Σύγχροτρα ισχυρής εστίασης. Οι λεπτομέρειες λειτουργίας των σ. ασθενούς εστίασης σημαίνουν ότι για να πετύχουμε υψηλές ενέργειες από τα σωματίδια, πρέπει να κατασκευάσουμε μηχανές μεγάλων διαστάσεων, μεγάλου βάρους και υψηλού κόστους. Για να επιτευχθούν ενέργειες πολύ υψηλές με μηχανές βάρους και κόστους αισθητά χαμηλού, κατασκευάστηκαν άλλοι τύποι σ. που λέγονται «εναλλασσόμενης βαθμίδας» ή «ισχυρής εστίασης» (λέγονται επίσης AGS, από τα αρχικά των αγγλικών λέξεων Alternating Gradient Syncrotron). Αυτοί διαφέρουν από τα σ. συμβατικής εστίασης κατά το ότι το μαγνητικό πεδίο παράγεται από πολλούς μαγνήτες διατεταγμένους πλευρικά, οι οποίοι παράγουν εναλλάξ ένα συγκλίνον και ένα αποκλίνον μαγνητικό πεδίο. Το ολικό αποτέλεσμα είναι ένα σφίξιμο της δέσμης των σωματιδίων, η οποία στην έξοδο προκύπτει πολύ πιο λεπτή. Ένας άλλος τύπος σ. (FFAG, από τα αρχικά των λέξεων Fixted Field Alternating Gradient, δηλαδή σταθερού μαγνητικού πεδίου και εναλλασσόμενης βαθμίδας) βασίζεται επίσης επί της αρχής της εναλλασσόμενης βαθμίδας, αλλά πετυχαίνεται με μαγνήτες διατεταγμένους εναλλάξ, οι οποίοι παράγουν συγκλίνοντα και αποκλίνοντα πεδία. Το μεγάλο πλεονέκτημα του τελευταίου αυτού τύπου έγκειται στο ότι, επειδή είναι σταθερό το πεδίο που παράγεται από κάθε μαγνήτη, δεν παράγονται φαινόμενα υστέρησης στα μεταλλικά υλικά και επομένως δεν υπάρχουν απώλειες· έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο. Επιπλέον, επειδή η ροή των σωματιδίων είναι παλμική, ρυθμιζόμενη γενικά από το μαγνητικό πεδίο, στην περίπτωση αυτή ρυθμίζεται από τη συχνότητα του κύκλου διαμόρφωσης, η οποία μπορεί να καταστεί πολύ μεγάλη. Στις ΗΠΑ., στη Ρωσία και στην Ευρώπη βρίσκονται υπό μελέτη σχέδια για την κατασκευή σ. με ενέργειες που φτάνουν τα χίλια GeV. Εφαρμογή των υψηλών ενεργειών. Η χρησιμοποίηση σωματιδίων εφοδιασμένων με ενέργειες όλο και πιο υψηλές (από 700000 Βολτ στο γραμμικό επιταχυντή των Κόκροφτ και Ουώλτον ως τις δεκάδες GeV των μεγαλύτερων επιταχυντών) επέτρεψε όχι μόνο νέες πυρηνικές αντιδράσεις, αλλά ακόμα και παραγωγή νέων σωματιδίων και αντισωματιδίων. Τελειώνοντας την περιγραφή αυτήν, είναι σκόπιμο να σημειώσουμε ότι ένα σ. δεν είναι μια μεμονωμένη μηχανή, αλλά το επιβλητικότερο και δαπανηρότερο όργανο, πραγματικό ερευνητικό κέντρο που διαρθρώνεται γύρω από τη μεγάλη μηχανή, όπου ομάδες ερευνητών εναλλάσσονται κατά τη διάρκεια της ημέρας.

* * *

το, Ν

(πυρην. φυσ.) επιταχυντής σωματιδίων κατά τη λειτουργία τού οποίου τα σωματίδια είναι εξαναγκασμένα να διαγράφουν κυκλική τροχιά χάρη στην εφαρμογή μαγνητικού πεδίου που γίνεται προοδευτικά ισχυρότερο, καθώς τείνει να αυξηθεί η διάμετρος τής τροχιάς.

[ΕΤΥΜΟΛ. Αντιδάνεια λ., πρβλ. αγγλ. synchrotron < συγχρο- (πρβλ. σύγχρονος) + επίθημα -τρον (πρβλ. γόη-τρον)].