синхротрон электронный

СИНХРОТРОН ЭЛЕКТРОННЫЙ - кольцевой резонансный ускоритель электронов (позитронов) на энергии от неск. МэВ до десятков ГэВ, в к-ром частота ускоряющего электрич. поля не меняется, ведущее магн. поле увеличивается во времени и равновесная орбита не меняется в процессе ускорит. цикла. Обычно электроны уже при инжекции являются ультрарелятивистскими; если же ускорение начинается с энергии МэВ, то в начале ускорит. цикла применяется бетатронный режим ускорения (см. Бетатрон).

Траектории ускоряемых в синхротроне электронов (позитронов) заполняют кольцевую область в вакуумной камере ускорителя. Обращаясь в ней, частицы многократно возвращаются к одним и тем же ускоряющим промежуткам, на к-рые подано переменное напряжение с частотой, в целое число раз q превосходящей частоту обращения частиц по т. н. равновесной орбите. Число q наз. кратностью ускорения. При каждом прохождении через промежуток фаза идеальной (равновесной) частицы остаётся неизменной, но фаза реальных частиц немного изменяется, колеблясь около равновесного (синхронного) значения. При ускорении пучок частиц разбивается на сгустки - б а н ч и, заполняющие нек-рую область около синхронных значений фазы. Макс. число сгустков на орбите равно q.

Траектория частиц в С. э. изгибается с помощью дипольных магнитов, создающих ведущее (поворотное) магн. поле. Для фокусировки частиц в совр. С. э. обычно используются поля с большим градиентом магн. индукции (жёсткая, или сильная фокусировка). Изгибающие и фокусирующие ф-ции магн. поля могут совмещаться (магниты с сов мощённым и функциям и) или разделяться (магн. система с разделенными функциями). В последнем случае поворотные магниты (изгибающие траекторию частиц) создают однородные, а фокусирующие (магн. линзы) - квадрупольные поля. Магн. индукция в поворотных магнитах (и её производная в магн. линзах) в течение ускорит. цикла непрерывно возрастает (чаще всего во много раз) в соответствии с ростом импульса ускоряемых частиц.

На криволинейных участках траектории пучки электронов (позитронов) испускают синхротронное излучение ,мгновенная мощность к-рого в расчёте на один электрон определяется ф-лой:

где е - заряд частицы, - её лоренц-фактор (отношение полной энергии частицы к её энергии покоя), R(s) - радиус кривизны траектории на участке с координатой s. Мощность, рассеиваемая за оборот, пропорциональна . При больших энергиях частиц потери на излучение могут достигать неск. МэВ на оборот. Чтобы уменьшить потери, приходится увеличивать размеры С. э., что сопряжено с увеличением стоимости их строительства. Размеры реальных С. э. (иногда до км) определяются разумным компромиссом между эксплуатационными (гл. обр. стоимость электроэнергии) и капитальными затратами. Потери на излучение приходится всё время компенсировать, поэтому процесс ускорения электронов выгодно вести быстро, за сравнительно небольшое число оборотов (быстроциклические С. э.). Пиковая мощность ускоряющей ВЧ-системы С. э. на энергии в десятки ГэВ может достигать ~1 МВт.

Поскольку синхротронное излучение ускоряемых частиц направлено практически по вектору их скорости (составляет с ним углы ), в процессе ускорения происходит радиац. охлаждение пучка (см. Охлаждение пучков заряженных частиц) - уменьшение эмиттанса (фазового объёма) пучка как для поперечных, так и для продольной степени свободы. Аксиальные бета-тронные колебания затухают с декрементом

где - полная энергия частицы. Сумма декрементов затухания радиальных бетатронных и синхротронных колебаний равна. Величина каждого из них в отдельности определяется устройством магн. системы ускорителя. В С. э. с азимутально-симметричным полем (слабая фокусировка) величины иопределяются ф-лами:

из к-рых следует, что для одноврем. затухания этих колебаний показатель спада магн. поля п должен находиться в интервале

В общем случае условие одноврем. затухания колебаний определяется более сложными неравенствами. В жёстко-фокусирующих С. э. с разделёнными ф-циями условие одноврем. затухания выполняется автоматически.

Радиац. охлаждение позволяет использовать С. э. в качестве накопителей лёгких частиц (электронов, позитронов).

Квантовый характер излучения приводит к стохастич. раскачке колебаний (нагреву пучка), к-рая ограничивает его охлаждение. В установившемся стационарном состоянии радиальный размер пучка обычно определяется связью радиальных бетатронных и синхротронных (радиально-фазовых) колебаний частиц. С ростом энергии он увеличивается. Теоретически достижимый аксиальный размер пучка крайне мал ( - комптоновская длина волны электрона). В типичных условиях размер пучка существенно превосходит теоретич. предел из-за связи радиальных и аксиальных бетатронных колебаний, а также вследствие того, что несовершенство магн. системы приводит к появлению зависимости аксиального положения частиц от их энергии - к паразитной аксиальной дисперсионной ф-ции. Как правило, поперечные размеры пучка в начале ускорения не превышают неск. см, а в конце могут уменьшаться до миллиметровых размеров.

В С. э. ср. диапазона энергии (неск. сотен МэВ) с коротким циклом ускорения радиац. эффекты могут не успевать проявляться. В таких ускорителях, как и в синхротронах протонных, уменьшение размеров пучка связано только с адиабатич. затуханием бетатронных и синхротронных колебаний частиц и не может использоваться для создания накопителей.

Ограничения интенсивности (числа частиц в одном цикле ускорения) в совр. С. э. в основном связаны с когерентными микроволновыми неустойчивостями пучка, возникающими вследствие его взаимодействия с металлич. поверхностями, обращёнными к пучку (с неоднородностями вакуумной камеры, соединит. фланцами и сильфонами, с деталями ускоряющих резонаторов, с измерит. электродами и т. д.). Для борьбы с такими неустойчивостями изменяют собств. частоту резонирующих элементов, вводят обратные связи, используют широкополосные демпфирующие системы.

При одноврем. ускорении в С. э. нескольких сгустков появляется ещё один тип неустойчивости - относит. движение сгустков.

Электронные синхротроны в наст. время (90-е гг.) являются осн. типом ускорителей на высокие энергии (начиная с неск. сотен МэВ). Они применяются также в качестве накопителей частиц и источников синхротронного излучения. Конкретные данные по нескольким типичным С. э. приводятся в табл.

Параметры некоторых электронных синхротронов

Лит.: Коломенский А. А., Лебедев А. Н., Теория циклических ускорителей, М., 1962; Брук Г., Циклические ускорители заряженных частиц, пер. с франц., М., 1970; Коломенский А. А., Физические основы методов ускорения заряженных частиц, М., 1980; Лебедев А. Н., Шальнов А. В., Основы физики и техники ускорителей, т. 1 - Ускорители заряженных частиц, М., 1981. Д. В. Пестриков.

   <<      Предметный указатель      >>