СИНХРОТРОН ЭЛЕКТРОННЫЙ

СИНХРОТРОН ЭЛЕКТРОННЫЙ

- кольцевой резонансный ускоритель электронов (позитронов) на энергии от неск. МэВ до десятков ГэВ, вк-ром частота ускоряющего электрич. поля не меняется, ведущее магн. полеувеличивается 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) заполняюткольцевую область в вакуумной камере ускорителя. Обращаясь в ней, частицымногократно возвращаются к одним и тем же ускоряющим промежуткам, на к-рыеподано 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 черезпромежуток фаза идеальной (равновесной) частицы остаётся неизменной, нофаза 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. числосгустков на орбите равно q.

Траектория частиц в С. э. изгибается с помощью дипольных магнитов, создающихведущее (поворотное) магн. поле. Для фокусировки частиц в совр. С. э. обычноиспользуются поля с большим градиентом магн. индукции (жёсткая, или сильнаяфокусировка). Изгибающие и фокусирующие ф-ции магн. поля могут совмещаться(магниты с сов мощённым и функциям и) или разделяться (магн. система сразделенными функциями). В последнем случае поворотные магниты (изгибающиетраекторию частиц) создают однородные, а фокусирующие (магн. линзы) - квадрупольныеполя. 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 наодин 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 реальныхС. э. (иногда до км) определяются разумным компромиссом между эксплуатационными(гл. обр. стоимость электроэнергии) и капитальными затратами. Потери наизлучение приходится всё время компенсировать, поэтому процесс ускоренияэлектронов 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 практическипо вектору их скорости (составляет с ним углы ), в процессе ускорения происходит радиац. охлаждение пучка (см. Охлаждениепучков 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. системыускорителя. В С. э. с азимутально-симметричным полем (слабая фокусировка)величины и определяютсяф-лами:

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

В общем случае условие одноврем. затухания колебаний определяется болеесложными неравенствами. В жёстко-фокусирующих С. э. с разделёнными ф-циямиусловие 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 стационарномсостоянии радиальный размер пучка обычно определяется связью радиальныхбетатронных и синхротронных (радиально-фазовых) колебаний частиц. С ростомэнергии он увеличивается .Теоретически достижимый аксиальный размер пучка крайне мал (- комптоновская длина волны электрона). В типичных условиях размер пучкасущественно превосходит теоретич. предел из-за связи радиальных и аксиальныхбетатронных колебаний, а также вследствие того, что несовершенство магн. <системы приводит к появлению зависимости аксиального положения частиц отих энергии - к паразитной аксиальной дисперсионной ф-ции. Как правило, <поперечные размеры пучка в начале ускорения не превышают неск. см, а вконце могут уменьшаться до миллиметровых размеров.

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

Ограничения интенсивности (числа частиц в одном цикле ускорения) в совр. <С. э. в основном связаны с когерентными микроволновыми неустойчивостямипучка, возникающими вследствие его взаимодействия с металлич. поверхностями, <обращёнными к пучку (с неоднородностями вакуумной камеры, соединит. фланцамии сильфонами, с деталями ускоряющих резонаторов, с измерит. электродамии т. д.). Для борьбы с такими неустойчивостями изменяют собств. частотурезонирующих элементов, вводят обратные связи, используют широкополосныедемпфирующие системы.

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

Электронные синхротроны в наст. время (90-е гг.) являются осн. типомускорителей на высокие энергии (начиная с неск. сотен МэВ). Они применяютсятакже 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 заряженныхчастиц, М., 1980; Лебедев А. Н., Шальнов А. В., Основы физики и техникиускорителей, т. 1 - Ускорители заряженных частиц, М., 1981. Д. В. Пестриков.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.