излучение частиц в ускорителях

ИЗЛУЧЕНИЕ ЧАСТИЦ В УСКОРИТЕЛЯХ - излучение эл--магн. волн заряж. частицами в ускорителях. В линейных ускорителях излучение, связанное с ускорением частиц, незначительно, т. к. при прямолинейном движении ускорение частиц невелико. В цнклич. ускорителях из-за искривления траектории магн. полем ускорение частиц (центростремительное) остаётся конечным даже при постоянстве величины скорости в релятивистской области и вызванное им эл--магн. излучение (синхротронное излучение)может существенно сказаться на динамике частиц. Для релятивистских частиц синхротронное излучение обладает характерными особенностями: 1) сильной угл. направленностью излучения - оно сосредоточено в основном в узком конусе с углом раствора порядка g=E/т₀с² (E - полная энергия частицы, т₀ - её масса покоя); 2) наличием интенсивных высш. гармоник - макс, интенсивность приходится на гармонику с частотой в g³ раз больше частоты обращения частицы; 3) сильной зависимостью излучения от энергии частицы - мощность излучения Р пропорц. квадрату энергии при фиксированном магн. поле и четвёртой степени энергии при фиксированном радиусе кривизны орбиты R:

(В - магн. индукция, е - заряд частицы). Из (1) видно, что при данной энергии частицы мощность излучения обратно пропорциональна четвёртой степени массы покоя частицы, поэтому синхротронное излучение практически несущественно в совр. ускорителях для тяжёлых частиц (ионов, протонов) и играет определяющую роль в электронных ускорителях на большие энергии. Соотношение (1) ставит предел техн. возможностям циклич. электронных ускорителей, требуя больших ускоряющих полей для компенсации потерь на излучение: для достижения энергии E_т необходимо выполнение условия

где E_макс - макс. технически достижимое ср. значение ускоряющего электрич. поля. Излучение существенно сказывается на динамике электронов в ускорителях. Благодаря узкой направленности излучения на электрон действует сила отдачи F_рад⁼Р/с, направленная противоположно скорости v (рис.; z - направление вертик. колебаний орбиты). Её составляющая F_|| вдоль ср. траектории частицы вызывает уменьшение энергии продольного движения, к-рое в ускорителе или накопителе компенсируется дополнит. набором энергии от ускоряющей системы (равновесная фаза частицы смещается выше к максимуму напряжения). Составляющая F_^, направленная противоположно скорости поперечных (бетатронных) колебаний, играет роль силы трения и вызывает затухание поперечных колебаний (т. н. радиац. затухание).

Такой простой механизм имеет место для вертик. колебаний. Для радиальных бетатронных колебаний картина осложняется взаимодействием с синхротронными азимутально-радиальными колебаниями, в результате к-рого вносимое радиальной силой отдачи радиац. затухание распределяется между радиальными бетатронными колебаниями и синхротронными колебаниями. При этом в зависимости от параметров магн. системы может даже происходить радиац. раскачка бетатронных или синхротронных колебаний. Чтобы избежать этого, вводят дополнит. связь между колебаниями, перераспределяющую декременты затухания. Благодаря радиац. затуханию, приводящему к сильному сжатию частиц пучка к равновесной орбите, удаётся в накопителях электронов и позитронов накапливать значит. заряд в узкой области вокруг орбиты. Предел сжатию орбит накладывается раскачкой колебаний, обусловленной квантовым характером излучения: потеря энергии электрона на излучение происходит отд. квантами, в случайные моменты времени и в случайном направлении, что эквивалентно нек-рой "шумовой раскачке" колебат. системы случайными силами. Взаимодействием этих противоборствующих тенденций - радиац. затухания и квантовой раскачки - и определяется стационарное значение амплитуд колебаний частиц в пучке. Синхротронное излучение имеет само по себе большое прикладное значение. Расширяется применение синхротронов в качестве генераторов синхротронного излучения, обладающих рядом преимуществ перед др. существующими источниками (высокая интенсивность, коллимированность, поляризация, лёгкость управления и т. д.). Лит.: Коломенский А. А., Физические основы методов ускорения заряженных частиц, М., 1980; Лебедев А. Н., Шальнов А. В., Основы физики и техники ускорителей, ч. 1 - Ускорители заряженных частиц, М., 1981. Э. Л. Бурштейн.

   <<      Предметный указатель      >>