Синхротроны третьего поколения представляют собой специализированные электронные ускорители, созданные не столько для фундаментальных исследований в физике высоких энергий, сколько для получения интенсивного и высококачественного синхротронного излучения. Их конструкция ориентирована на максимизацию яркости и когерентности пучков фотонов в широком диапазоне энергий – от инфракрасного до жёсткого рентгеновского излучения.
В отличие от первых поколений, где излучение рассматривалось как побочный продукт, в установках третьего поколения оно стало основным исследовательским инструментом. Это потребовало коренной перестройки подходов к проектированию магнитной оптики и систем пучкообразования.
Энергия электронов. В синхротронах третьего поколения электроны разгоняются до энергий в несколько гигаэлектронвольт (обычно от 1 до 8 ГэВ), что обеспечивает генерацию фотонов с энергиями в диапазоне десятков кэВ.
Магнитная оптика. Главная особенность – применение многопериодических магнитных структур, так называемых ондуляторов и вигглеров. Эти устройства позволяют существенно повысить интенсивность и направленность излучения. Ондуляторы формируют когерентные квазимонохроматические пучки, а вигглеры обеспечивают широкий спектр с экстремально высокой яркостью.
Снижение эмиттанса. Для обеспечения высокой яркости требуется минимизация горизонтальной эмиттансы электронного пучка. В третьем поколении разработаны специальные схемы хранения – двойные и тройные изгибающие магниты, распределённые фокусирующие элементы, что позволяет достичь эмиттансов порядка нескольких нанометров·радиан.
Хранилище электронов. Сердцем синхротрона является накопительное кольцо, в котором поддерживается стабильный ток электронов. Оно снабжено системой инжекции, которая компенсирует потери пучка, а также системой радиочастотного ускоряющего поля, поддерживающей энергию электронов на постоянном уровне.
Системы стабилизации. Высокие требования к качеству пучка обусловили внедрение активных корректирующих систем:
Источник излучения. Помимо стандартных изгибающих магнитов, синхротроны третьего поколения используют длинные прямолинейные секции для размещения ондуляторов. Эти устройства являются основными «световыми источниками» и позволяют настраивать спектральные характеристики пучка.
Яркость. Ключевая метрика – яркость синхротронного излучения, определяемая как поток фотонов в единицу фазового объёма. Для источников третьего поколения она достигает значений, превосходящих установки второго поколения на несколько порядков.
Когерентность. Благодаря малой эмиттансе и оптимизации магнитной оптики возможно получение частично когерентных рентгеновских пучков, что открывает путь к когерентной рентгеновской дифракции и томографии.
Поляризация. Использование специализированных ондуляторов позволяет управлять поляризацией излучения – линейной, круговой или эллиптической, что существенно расширяет возможности спектроскопических методов.
Структурная биология. Рентгеноструктурный анализ белков и макромолекул стал возможен благодаря высокой яркости и монохроматичности пучка. С помощью синхротронов третьего поколения расшифрованы структуры множества биомолекул, включая белки-мембранные рецепторы и ферменты.
Материаловедение. Томография с нанометровым разрешением, дифракционные исследования и микроскопия позволяют изучать структуру материалов при рабочих температурах, под нагрузкой и в реальном времени.
Химия и катализа. Синхротронное излучение используется для исследования электронных состояний атомов и динамики химических реакций. В частности, рентгеновская спектроскопия абсорбции (XANES, EXAFS) стала незаменимым инструментом в катализе.
Физика конденсированного состояния. Методы неупругого рентгеновского рассеяния позволяют исследовать коллективные возбуждения в кристаллах, жидкостях и аморфных средах.
Хотя синхротроны третьего поколения остаются рабочими лошадками современной науки, они постепенно уступают место источникам четвёртого поколения – так называемым световым источникам на основе решёток с ультранизкой эмиттансой (Diffraction Limited Storage Rings). Тем не менее, модернизация существующих установок и внедрение новых магнитных схем позволяют значительно продлить их актуальность.