Синхротронные источники света представляют собой специализированные ускорители частиц, предназначенные для получения интенсивного, коллимированного и спектрально широкого излучения электромагнитного спектра — от инфракрасного до рентгеновского диапазона. В основе работы таких источников лежит ускорение релятивистских электронов или позитронов в магнитном поле с последующим излучением синхротронного типа.
Синхротронное излучение характеризуется высокой направленностью, поляризацией и непрерывным спектром. Эти свойства делают его уникальным инструментом для исследований в физике, химии, биологии, материаловедении и медицине.
Инжектор Инжектор обеспечивает создание и начальное ускорение электронов. Обычно это линейный ускоритель (ЛУ) или микротрон. Цель инжектора — обеспечить стабильный пучок с высокой энергией и минимальной эмиттансой, пригодный для дальнейшего накопления в хранилище (storage ring).
Хранилище электронов (Storage Ring) Основной компонент синхротронного источника. Пучок релятивистских электронов циркулирует в замкнутой магнитной системе, поддерживая постоянную энергию с помощью радио-частотного ускорения (RF-кавы). Основные параметры хранилища:
Магнитная система Магниты в хранилище разделяются на:
Вставки (Insertion Devices) Основной источник синхротронного излучения высокого качества. Существуют два типа:
Спектральный диапазон Излучение охватывает широкий диапазон длин волн — от дальнего ИК до жесткого рентгена. Частота излучения зависит от энергии электронов и кривизны траектории в магнитном поле:
$$ \omega_c = \frac{3}{2} \gamma^3 \frac{c}{\rho} $$
где γ — фактор Лоренца, ρ — радиус кривизны траектории, c — скорость света.
Интенсивность и направленность При релятивистских энергиях излучение концентрируется в узкий конус в направлении движения электрона, что позволяет достигать высокой яркости.
Поляризация Возможна линейная или круговая поляризация в зависимости от конфигурации магнитного поля, что особенно важно для спектроскопических исследований и изучения магнитных свойств материалов.
Когерентность Новые поколения источников обеспечивают частичную когерентность излучения, позволяя проводить эксперименты с рентгеновской интерференцией и томографией на микромасштабе.
Первое поколение Использовало синхротронное излучение, появляющееся как побочный эффект ускорения электронов для экспериментов по физике высоких энергий. Яркость была относительно низкой.
Второе поколение Источники специально проектировались для излучения с более высокой яркостью, использовались улучшенные магниты и фокусировка пучка.
Третье поколение Применяют вставки типа undulator, позволяющие получать интенсивное излучение с высокой направленностью и низкой эмиттансой. Именно такие источники стали основой современного материаловедения и биофизики.
Четвертое поколение Основаны на концепции свободно-электронных лазеров (FEL), обеспечивая практически полную когерентность и яркость на порядки выше, чем у третьего поколения.