Synchrotron là hệ thống dùng để gia tốc các loại hạt tích điện (charged particles) như electrons trong một quỹ đạo giúp đạt đến vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng.
Khi các electrons này bị bẻ hướng khỏi trường điện từ chúng sẽ tạo ra một nguồn sáng mãnh liệt, gấp triệu lần so với ánh sáng mặt trời.
Hệ thống Synchrotron sử dụng các nam châm công suất lớn cùng với sóng radio để gia tốc các hạt tích điện. Nam châm và sóng radio gia tốc các hạt electron tích điện âm dọc theo một ống thép không gỉ nơi mà chúng sẽ đạt đến vận tốc rất cao. Các nam châm được đóng/ mở liên tục nhờ đó electron được kéo ra khỏi ống thép. Các electron di chuyển với vận tốc cao sẽ phát ra một quang phổ ánh sáng liên tục với các bước sóng và cường độ khác nhau.
Các nhà khoa học có thể tách lấy bất cứ bước sóng nào họ cần để sử dụng cho thí nghiệm của mình (bao gồm tia hồng ngoại, ánh sáng trông thấy được, tia tử ngoại hoặc là tia X – cứng và mềm)
(1) Súng bắn electron;
(2) Máy gia tốc thẳng;
(3) Vòng tăng thế;
(4) Vòng lưu trữ;
(5) Đường dẫn chùm sáng;
(6) Trạm làm việc
1. Súng bắn electron
Súng bắn electron giúp tạo ra nguồn sáng synchrotron. Một thiết bị được đốt nóng (cathode) tạo ra các electron tự do. Sau đó chúng được kéo qua các lỗ nhỏ ở đầu ra của súng nhờ một điện trường mạnh. Bộ phần này tạo ra một dòng electron có kích thước tương đương một sợi tóc.
2 Máy gia tốc thẳng (linear accelerator – LINAC)
Dòng electron được đẩy vào một máy gia tốc thẳng. Người ta sử dụng sóng viba và sóng radio có năng lượng cao để cắt dòng electron thành từng xung. Các electron cũng được tăng tốc trong quá trình kết hợp này. Khi chúng đi ra khỏi LINAC các electron di chuyển với vận tốc bằng 99.99986% vận tốc ánh sáng và phóng ra khoảng 300 triệu electron.
3 Vòng tăng thế (Booster ring)
Máy gia tốc thẳng tiếp tục đẩy dòng electron vào vòng tăng thế. Tại đây người ta dùng trường điện từ để ép electron di chuyển theo một quỹ đạo tròn. Sóng radio có thể được dùng thêm để tăng tốc hơn nữa cho electron. Vòng tăng thế nâng năng lượng của dòng electron lên khoảng 1.5-2.9 GeV. Năng lượng này đủ để tạo ra ánh sáng synchrotron trong dải rộng từ tia hồng ngoại đến tia X cứng (hard X-ray)
4 Vòng lưu trữ (Storage ring)
Vòng tăng thế sẽ đẩy electron vào vòng lưu trữ, một đường ống hình vành khuyên nhiều cạnh. Đường ống này được rút chân không triệt để nhằm tránh cho các chất khí hay các nguyên tử khác va chạm với electron làm đổi hướng đi của chúng. Hệ thống các nam châm được điều khiển bằng máy tính giữ cho dòng electron luôn di chuyển đúng hướng.
Ánh sáng synchrotron sẽ được tạo ra nhờ các nam châm chuyển hướng (bending magnets) bẻ cong đường đi của chùm tia electron. Mỗi bộ nam châm chuyển hướng được nối với một trạm thí nghiệm hay đường dẫn chùm sáng (beamline). Các máy lọc, bộ tập trung (intensify) và các thiết bị khác chỉnh sửa ánh sáng tại từng beamline theo đúng yêu cầu của thí nghiệm cần làm.
5. Đường dẫn chùm sáng (Beam lines)
Giữ cho chùm electron chính xác tuyệt đối là điều cực kỳ quan trọng khi ta làm việc với các vật liệu mà kích thước của chúng được đo trong phạm vi bằng một phần tỷ của mét. Các hệ thống điều khiển này đạt được nhờ các nam châm bốn cực (quadrupole) và sáu cực (sextupole) điều khiển bằng máy tính. Chỉ cần thực hiện các điều chỉnh nhỏ các nam châm này cũng có thể giúp tập trung được chùm electron.
