Η σωματιδιακή φυσική Carol Sienko του Εργαστηρίου Πυρηνικών Σπουδών¹ στο Πανεπιστήμιο Cornell εκτελεί δοκιμές διαρροής κενού στον θάλαμο επιτάχυνσης από τοροειδές γυαλί ενός νέου επιταχυντή σωματιδίων συγχρότρον² 300 MeV 85 τόνων που κατασκευάζονταν στην Ιθάκη της Νέας Υόρκης, στις 28 Σεπτεμβρίου 1948. Αυτό το εσωτερικό εξάρτημα σωλήνα κενού διαμέτρου 2 μέτρων ήταν γνωστό ως το “γυάλινο ντόνατ”.
Ένα συγχρότρον είναι ένας ιδιαίτερος τύπος κυκλικού επιταχυντή σωματιδίων στον οποίο η επιταχυνόμενη δέσμη σωματιδίων ταξιδεύει γύρω από μια σταθερή κλειστή διαδρομή.
Το μαγνητικό πεδίο που κάμπτει τη δέσμη σωματιδίων στην κλειστή της διαδρομή αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας επιτάχυνσης, συγχρονιζόμενο με την αυξανόμενη κινητική ενέργεια των σωματιδίων (συνήθως ηλεκτρονίων).
Δεδομένου ότι η μηχανή επιταχύνει τα ηλεκτρόνια σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, καθώς τα ηλεκτρόνια εκτρέπονται μέσω μαγνητικών πεδίων, παράγουν εξαιρετικά φωτεινές δέσμες φωτός (ακτινοβολία συγχρότρον), ακτίνες Χ ή ακτίνες γάμμα ανάλογα με τις εντάσεις του μαγνητικού πεδίου που χρησιμοποιούνται.
Το φως διοχετεύεται στις γραμμές δέσμης³ σε πειραματικούς σταθμούς εργασίας όπου χρησιμοποιείται για έρευνα.
Ο σχεδιασμός είναι κλιμακωτός χωρίς ανώτατο όριο στο μέγεθος, καθώς η κάμψη, η εστίαση της δέσμης και η επιτάχυνση μπορούν να διαχωριστούν σε διαφορετικά αρθρωτά στοιχεία.
Το συγχρότρον εξελίχθηκε από το κλασικό κυκλοτρόνιο⁴ που σπειροειδώς κινούσε τα σωματίδια προς τα έξω χρησιμοποιώντας σταθερά μαγνητικά πεδία οδήγησης και ηλεκτρομαγνητικά πεδία σταθερής συχνότητας.
Αντίθετα, ένα συγχρότρον μπορεί να φτάσει σε ακόμη υψηλότερες ενέργειες μεταβάλλοντας την ένταση του μαγνητικού πεδίου στο χρόνο, παρά στο χώρο.
Η συχνότητα του εφαρμοζόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μπορεί επίσης να αλλάξει για να ακολουθήσει τον μη σταθερό χρόνο κυκλοφορίας τους. Αυξάνοντας αυτές τις παραμέτρους ανάλογα καθώς τα σωματίδια αποκτούν ενέργεια, η διαδρομή κυκλοφορίας τους μπορεί να διατηρηθεί σταθερή καθώς επιταχύνονται.
Αυτό επιτρέπει στον θάλαμο κενού για τα σωματίδια να είναι ένας μεγάλος λεπτός τόρος, αντί για τον επίπεδο δίσκο που απαιτείται από τα κυκλοτρόνια, καθιστώντας δυνατή την πιο αποτελεσματική χρήση των μαγνητικών πεδίων από ό,τι σε ένα κυκλοτρόνιο, επιτρέποντας την οικονομικά αποδοτική κατασκευή ακόμη μεγαλύτερων συγχρότρον.
Particle physicist Carol Sienko of the Laboratory of Nuclear Studies¹ at Cornell University performs vacuum leak tests on the toroidal glass acceleration chamber of a new 85-ton 300 MeV synchrotron² particle accelerator being built in Ithaca, New York, September 28, 1948. This esoteric 2 m diameter vacuum-tube component was affectionately known as the “glass donut”.
A synchrotron is a particular type of cyclic particle accelerator in which the accelerating particle beam travels around a fixed closed-loop path. The magnetic field which bends the particle beam into its closed path increases with time during the accelerating process, being synchronized to the increasing kinetic energy of the particles (typically electrons). Since the machine accelerates electrons to almost the speed of light. As the electrons are deflected through magnetic fields they generate extremely bright beams of light (synchrotron radiation), x-rays, or gamma ray depending upon the magnetic field intensities used. The light is channeled down beamlines³ to experimental workstations where it is used for research. The design is scalable with no upper limit to the size since bending, beam focusing and acceleration can be separated into different modular components.
The synchrotron evolved from the classic cyclotron⁴ that spiralled the particles outwards using constant guiding magnetic fields and constant-frequency electromagnetic fields. Instead a synchrotron can reach even higher energies by varying the magnetic field strength in time, rather than in space. The frequency of the applied electromagnetic field may also change to follow their non-constant circulation time. By increasing these parameters accordingly as the particles gain energy, their circulation path can be held constant as they are accelerated. This allows the vacuum chamber for the particles to be a large thin torus, rather than the flat disk required by cyclotrons making for a more efficient use of magnetic fields than in a cyclotron, enabling the cost-effective construction of even larger synchrotrons.
