Основные принципы работы синхротронов
Синхротрон представляет собой разновидность циклического ускорителя заряженных частиц, в котором энергия частиц увеличивается за счёт электромагнитного поля, а траектория движения поддерживается постоянной по радиусу с помощью магнитного поля, изменяющегося синхронно с ростом энергии частиц. Основная идея заключается в том, что радиус орбиты ускоряемой частицы остаётся постоянным, а параметры магнитного поля и радиочастотного ускоряющего поля изменяются согласованно с изменением энергии частиц.
Ключевыми элементами синхротрона являются:
Синхронность магнитного и ускоряющего поля
В отличие от циклотрона, в котором магнитное поле постоянно, в синхротроне оно изменяется во времени. Это изменение должно быть синхронным с увеличением энергии частиц, чтобы радиус их орбиты оставался неизменным. Закон синхронности выражается как:
p = qBr
где:
Поскольку p растёт с увеличением энергии, индукция B должна увеличиваться соответственно.
Ускоряющее поле и фаза синхронизации
Ускорение частиц осуществляется в специальных ускоряющих резонаторах, создающих переменное электрическое поле радиочастотного диапазона. Частица должна пересекать зазор ускоряющего резонатора в определённой фазе колебательного поля — так называемой синхронной фазе. Это означает, что частота ускоряющего напряжения должна также изменяться во времени, чтобы соответствовать изменяющейся скорости частиц.
Для этого вводится синхронный цикл управления параметрами ускоряющего поля и магнитного поля.
Особенности релятивистского режима
При ускорении электронов и лёгких частиц до релятивистских энергий (энергия сравнима с покоящейся массой: E ∼ mc2) их масса (в релятивистском смысле — импульс и энергия) возрастает. При этом скорость уже близка к скорости света и практически не меняется, зато увеличивается импульс. Для сохранения синхронности необходимо увеличить магнитное поле пропорционально импульсу, который выражается как:
p = γmv,
где $\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^2 / c^2}}$ — релятивистский фактор. Это ключевая причина, почему синхротрон является необходимым при ускорении до высоких (гигавольтных) энергий.
Фокусировка пучка. Принцип сильной фокусировки
Для стабильного удержания пучка частиц в одной орбитальной плоскости применяется принцип сильной фокусировки, или альтернирующей градиентной фокусировки. Он реализуется за счёт чередования квадрупольных магнитов с различной полярностью, создающих переменные по знаку градиенты магнитного поля. Это позволяет значительно уменьшить поперечные размеры пучка, повысить плотность частиц и, соответственно, эффективность ускорителя.
Фокусировка описывается матрицами переносов и теорией устойчивых колебаний (бета-функции, твисс-параметры), с ключевым понятием туннелирования частиц вокруг идеальной орбиты.
Структура магнитной системы синхротрона
Магнитная система включает:
Они размещаются по периметру кольца, как правило, по принципу периодических ячеек. Типовая ячейка может включать два бендинговых магнита и пару квадрупольных, образующих фокусирующие и дефокусирующие зоны.
Инжекция и экстракция
Для ввода (инжекции) частиц в синхротрон используются быстродействующие отклоняющие магниты (инжекционные сепараторы), согласующие траекторию вводимого пучка с циркулирующей орбитой.
Экстракция (вывод ускоренных частиц) осуществляется с помощью:
Оба способа позволяют направить пучок на экспериментальную установку или на следующий ускоряющий каскад.
Реализация в современных установках
Синхротроны широко применяются в физике высоких энергий, ядерной физике, материаловедении, медицине. Примеры:
Синхротронное излучение
При движении заряженной частицы с ускорением по криволинейной траектории (например, в магнитном поле) она испускает синхротронное излучение — электромагнитные волны, преимущественно в рентгеновском диапазоне. Это излучение:
Оно используется для исследований структуры вещества, в том числе биологических молекул, кристаллов, наноматериалов.
Однако синхротронное излучение — нежелательный эффект при ускорении лёгких частиц (например, электронов), так как приводит к потере энергии. Поэтому для электронов применяют не только обычные синхротроны, но и линиейные коллайдеры, чтобы избежать круговой траектории и излучения.
Радиочастотная система
Ускорение в синхротронах обеспечивается радиочастотными резонаторами, обычно на частотах порядка десятков–сотен мегагерц. Их характеристики:
Важно поддерживать стабильность фазы ускоряющего поля, так как даже малое отклонение может привести к расфазировке и потере частиц.
Динамика пучка
Пучок частиц в синхротроне — это ансамбль частиц с распределением по энергиям, фазам и координатам. Их поведение описывается уравнениями Хилла, гамильтонианами, методами сингулярного и статистического анализа. Основные задачи:
Хроматические и коллиматорные эффекты
Отклонения частиц от центральной энергии приводят к хроматическим аберрациям — изменению фокусировки в зависимости от энергии. Для коррекции используются секступольные магниты.
Для защиты оборудования и уменьшения радиационной нагрузки применяются коллиматоры — устройства, поглощающие сбившиеся с траектории частицы.
Инновационные направления и развитие
В последние десятилетия происходит переход от классических синхротронов к суперпроводящим ускорителям, в которых используются магниты с рабочими полями до 10 Тл и выше. Это позволяет достигать более высоких энергий при том же радиусе орбиты.
Появились так называемые лазеры на свободных электронах (FEL), использующие синхротронное излучение от электронов в ондуляторах и обеспечивающие когерентное рентгеновское излучение.
Исследуются плазменные ускорители, но синхротроны остаются основой фундаментальных и прикладных ускорительных исследований.