السنكروترون

على عكس السيكلوترون، لا تستطيع السنكروترونات تسريع الجسيمات من طاقة حركية صفرية؛ أحد الأسباب الواضحة لذلك هو أن مسار الجسيمات المغلق فيها سيُقطع بواسطة جهاز يُصدر الجسيمات. لذا، طُوّرت مخططات لحقن حزم جسيمات مُسرّعة مسبقًا في السنكروترون. يُمكن تحقيق التسريع المسبق بواسطة سلسلة من هياكل المُسرّعات الأخرى مثل المُسرّع الخطي ، أو الميكروترون ، أو سنكروترون آخر؛ وكلها بدورها تحتاج إلى التغذية من مصدر جسيمات يتألف من مصدر طاقة بسيط عالي الجهد، عادةً ما يكون مولد كوكروفت-والتون .

انطلاقًا من قيمة ابتدائية مناسبة تُحدد بناءً على طاقة الحقن، يتم زيادة شدة المجال المغناطيسي للمغناطيسات ثنائية القطب . إذا انبعثت الجسيمات عالية الطاقة في نهاية عملية التسريع، مثلاً إلى هدف أو إلى مُسرِّع آخر، تُخفَّض شدة المجال مرة أخرى إلى مستوى الحقن، لتبدأ دورة حقن جديدة . وبحسب طريقة التحكم المغناطيسي المُستخدمة، قد يختلف الفاصل الزمني لدورة واحدة اختلافًا كبيرًا بين المنشآت المختلفة.

اقترح فلاديمير فيكسلر مبدأ السنكروترون عام 1944. ^{[ 11 ]} بنى إدوين ماكميلان أول سنكروترون إلكتروني عام 1945، متوصلًا إلى الفكرة بشكل مستقل، بعد أن فاتته منشورات فيكسلر (التي كانت متاحة فقط في مجلة سوفيتية ، وإن كانت باللغة الإنجليزية). ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

صُمم أول مسرع بروتوني من قبل السير ماركوس أوليفانت ^{[ 13 ] [ 15 ]} وشُيّد في جامعة برمنغهام عام 1952. ^{[ 13 ]} وفي عام 1963، مُنح ماكميلان وفيكسلر جائزة الذرات من أجل السلام مناصفةً لاختراعهما المسرع. ^{[ 13 ]}

يُعدّ جهاز بيفاترون ، الذي شُيّد عام 1950 في مختبر لورانس بيركلي ، أحد أوائل أجهزة السنكروترون الكبيرة . يستطيع بيفاترون تسريع البروتون بطاقة 6.2 جيجا إلكترون فولت ^{[ 16 ]} (كانت تُسمى آنذاك BeV اختصارًا لمليار إلكترون فولت ؛ وهو اسمٌ أقدم من اعتماد البادئة جيجا- في النظام الدولي للوحدات ). ^{[ 17 ]} كما يُمكنه تسريع أيونات أثقل، مثل الديوتريوم وجسيمات ألفا والنيتروجين . ^{[ 18 ]} وقد تمّ إنتاج عدد من العناصر ما وراء اليورانيوم ، غير الموجودة في الطبيعة، لأول مرة باستخدام هذا الجهاز. ويضمّ هذا الموقع أيضًا إحدى أولى غرف الفقاعات الكبيرة التي صُمّمت لدراسة نتائج التصادمات الذرية التي تحدث فيه. ^{[ 19 ]} في عام 1955، استخدم الفيزيائيان أوين تشامبرلين وإميليو سيغري جهاز بيفاترون للكشف عن أدلة على وجود البروتون المضاد، وهو ما أهّلهما لنيل جائزة نوبل في الفيزياء عام 1959. ^{[ 20 ]} أُخرج جهاز بيفاترون من الخدمة في فبراير 1993. ^{[ 21 ]}

ومن بين أجهزة السنكروترون الكبيرة المبكرة الأخرى جهاز Cosmotron الذي تم بناؤه في مختبر Brookhaven الوطني والذي وصل إلى 3.3 جيجا إلكترون فولت في عام 1953. ^{[ 22 ]}

في ثمانينيات القرن العشرين، بدأت تظهر تفاصيل حول الجيل الثاني من السنكروترونات. صُممت هذه الأجهزة خصيصًا لإجراء تجارب إنتاج إشعاع السنكروترون، وليس لأبحاث فيزياء الجسيمات ^{[ 23 ].} وكان مصدر إشعاع السنكروترون (SRS) ذو طاقة 2 جيجا إلكترون فولت في داريسبري، إنجلترا، والذي بدأ تشغيله عام 1981، أول مصدر من مصادر السنكروترون "الجيل الثاني". بالإضافة إلى ذلك، يتم تحديث السنكروترونات من الجيل الأول لتصبح مصادر من الجيل الثاني. ^{[ 24 ]}

حتى أغسطس/آب 2008، كان مصادم تيفاترون ، في مختبر فيرمي الوطني للمسرعات بالولايات المتحدة ، أعلى مصادم طاقة في العالم . كان يُسرّع البروتونات والبروتونات المضادة إلى طاقة حركية تقل قليلاً عن 1 تيرا إلكترون فولت، ثم يصطدم بها. أما مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، الذي بُني في المختبر الأوروبي لفيزياء الطاقة العالية ( سيرن )، فيمتلك طاقة تعادل سبعة أضعاف هذه الطاقة تقريبًا (لذا تحدث تصادمات البروتون-بروتون عند حوالي 14 تيرا إلكترون فولت). ويقع المصادم في  نفق طوله 27.6 كيلومترًا كان يضم سابقًا مصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير ( LEP ). ^{[ 25 ]} كما سيُسرّع مصادم الهادرونات الكبير الأيونات الثقيلة (مثل الرصاص ) إلى طاقة تصل إلى 1.15 بيتا إلكترون فولت عند التصادم. ^{[ 26 ]} وبحلول عام 2025، سيُعتبر أكبر وأقوى مصادم جسيمات. ^{[ 27 ]}

كان أكبر جهاز من هذا النوع، الذي طُرح بجدية، هو مصادم الجسيمات العملاق فائق التوصيل (SSC)، والذي كان من المقرر بناؤه في الولايات المتحدة . استخدم هذا التصميم، كغيره، مغناطيسات فائقة التوصيل تسمح بتوليد مجالات مغناطيسية أكثر كثافة دون قيود تشبع النواة. ^{[ 28 ] : 10} وبينما بدأ البناء، أُلغي المشروع عام 1994، بسبب تجاوزات مفرطة في الميزانية نتيجة لتقديرات تكلفة ساذجة ومشاكل في الإدارة الاقتصادية. ^{[ 28 ] : 232-233} ويمكن القول أيضًا إن نهاية الحرب الباردة أدت إلى تغيير في أولويات التمويل العلمي، مما ساهم في إلغائه في نهاية المطاف. ^{[ 28 ] : 232-233} ومع ذلك، لا يزال النفق الذي بُني لوضعه قائمًا، وإن كان فارغًا. وبينما لا يزال هناك احتمال لتطوير مسرعات دورية أكثر قوة للبروتونات والجسيمات الثقيلة، يبدو أن الخطوة التالية في رفع طاقة حزمة الإلكترونات يجب أن تتجنب الخسائر الناتجة عن إشعاع السنكروترون . سيستلزم ذلك العودة إلى المسرع الخطي ، ولكن بأجهزة أطول بكثير من تلك المستخدمة حاليًا. ويُبذل حاليًا جهد كبير لتصميم وبناء المصادم الخطي الدولي (ILC)، الذي سيتألف من مسرعين خطيين متقابلين ، أحدهما للإلكترونات والآخر للبوزيترونات. وسيصطدمان بطاقة مركز كتلة إجمالية تبلغ 0.5 تيرا إلكترون فولت .

يُستخدم إشعاع السنكروترون في نطاق واسع من التطبيقات (انظر ضوء السنكروترون )، وقد بُنيت العديد من مسرعات السنكروترون من الجيلين الثاني والثالث خصيصًا للاستفادة منه. ومن أكبر مصادر ضوء السنكروترون من الجيل الثالث: مرفق إشعاع السنكروترون الأوروبي (ESRF) في غرونوبل ، فرنسا، ومصدر الفوتونات المتقدم (APS) في ليمونت ، الولايات المتحدة، و SPring-8 في هيوغو ، اليابان ، حيث تُسرّع هذه المصادر الإلكترونات إلى طاقات تصل إلى 6 و7 و8 جيجا إلكترون فولت على التوالي. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

أجهزة السنكروترون أجهزة ضخمة، تكلف عشرات أو مئات الملايين من الدولارات لإنشائها، ويكلف كل خط شعاع (قد يتراوح عدد خطوط الشعاع في السنكروترون الكبير بين 20 و50 خطًا) ما بين مليونين وثلاثة ملايين دولار إضافية في المتوسط. ^{[ 32 ] [ 33 ]} تتطلب هذه المنشآت أيضًا مساحة كبيرة. وقد طُوّرت نماذج أكثر إحكامًا، مثل مصدر الضوء المضغوط في ميونخ، وخضعت للاختبار. ^{[ 34 ]}

من بين أجهزة السنكروترون القليلة الموجودة حول العالم، يوجد 16 جهازاً في الولايات المتحدة. وينتمي العديد منها إلى مختبرات وطنية؛ بينما يوجد عدد قليل منها في الجامعات. ^{[ 35 ]}