Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
На криволинейных участках траектории пучки электронов (позитронов) испускают синхротроннеє излучение, мгновенная мощность к-рого в расчёте на один электрон определяется ф-лой:
W=-j-e*cy*/n*(*), (1)
где е — заряд частицы, у — её лоренц-фактор (отношение полной энергии частицы к её энергии покоя), R(s) — радиус кривизны траектории иа участке с координатой s. Мощность, рассеиваемая за оборот, пропорциональна у4//?. При больших энергиях частиц потери на излучение могут достигать неск. МэВ на оборот. Чтобы уменьшить потери, приходится увеличивать размеры С. з., что сопряжено с увеличением стоимости их строительства. Размеры реальных С. э. (иногда до км) определяются разумным компромиссом между эксплуатационными (гл. обр. стоимость электроэнергии) и иапитальнымн затратами. Потери иа излучение приходится всё время компенсировать, поэтому процесс ускорения электроиов 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 МВт.
Поскольку синхротроииое излучение ускоряемых частнц направлено практически по вектору их скорости (составляет с ним углы ~1/y), в процессе ускорения происходит раднац. 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
Xz=WIM, (2)
где # — полная энергия частицы. Сумма декрементов затухання радиальных бетатроииых (Xr) и синхротронних (A,s) колебаний равна Sk2. Величина каждого из них в отдельности определяется устройством магн. системы ускорителя. В С. з. с азимутально-симметричным полем (слабая фокусировка) величины Xr и X8 определяются ф-лами:
Xr=nXzl(\ — п); Х?=(3—4п)Хг/(1~п), (3)
из к-рых следует, что для одиоврем. затухания этих колебаний показатель спада магн. поля п должен находиться в интервале
0<п<3/4. (4)
В общем случае условие одиоврем. затухания колебаний определяется более сложными неравенствами. В жёст-ко-фокусирующих С. э. с разделёнными ф-циями условие одноврем. затухании выполняется автоматически.
Радиац. охлаждение позволяет использовать С. э. в начестве накопителей лёгких частиц (электронов, позитронов).
Квантовый характер излучения приводит и стохастич. раскачке колебаний (нагреву пучка), к-рая ограничивает его охлаждение. В установившемся стационарном состоянии радиальный размер пучка обычно опре-
деляется связью радиальных бетатроиных и снихро? тронных (радиально-фазовых) колебаний частиц. С рос--TOM ЭИергИИ ОИ увеличивается ««у2- ТеОретИЧвСНИ ДО' стижимый аксиальный размер пучка AeR крайне мал (Ле — комптоновская длина волны электрона). В типичных условиях размер пучка существенно превосходит теоретич. предел из-за связи радиальных и акснальных бетатроииых колебаний, а также вслед-t ствие того, что несовершенство маги, системи приводит к появлению зависимости аксиального положен ния частиц от их энергии — к паразитной аксиальной дисперсионной ф-ции. Как правило, поперечные разі меры пучка в начале ускорения не превышают неск. см, а в конце могут уменьшаться до миллиметровых размеров.
В С. э. ср. диапазона энергии (иеск. сотеи 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 бета-тронных и синхротронных колебаний частиц и не мо-, жет использоваться для создания накопителей.
Ограничения интеисивиости (числа частиц в одиом 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, соеднинт. фланцами и сильфоиами, с деталями ускоряющих резонаторов, с измерит, электродами и т. д.). Для борьбы с такими неустойчивостями изменяют сооств. частоту резонирующих элементов, вводят обратные связк, использую* широкополосные демпфирующие системы.
При одиоврем. ускорении в С. э. нескольких сгустков появляется ещё один тип неустойчивости — относит. движение сгустков.
Электронные синхротроны в наст, время (90-е гг.) являются оси. типом ускорителей иа высокие энергии (начиная с иеск. сотеи МэВ). Оии применяются также в качестве накопителей частиц и источников синхрот тройного излучения. Конкретные данные по нескольким типичным С. э. приводятся в табл.
Параметры некоторых электронных синхротронов
Название, местоположение Энер- гия, ГэВ Интенсивность, час-тиц/имп. Рабочая частота, Гц Год пуска
Синхротрон Боннского ун-та, ФРГ . . . 2,5 4-101" 50 1967
D ESY, Гамбург, ФРГ 7,5 2,2-10“ 50 1964
Синхротрон Фраскати, Италия . . 1.1 5-Ю1» 20 1959
Синхротрон университета Токио, Япония 1,3 4-10« 22,5 1961 ,
LESY1 Лунд, Швеция 1,2 2-10*« 12,5 1960
NINA, Дарсбери, Англия 5,2 2,4-10“ 53 1966
Синхротрон Корнел-лского ун-та, США 10 1,8- IO1* 60 1967