Накопительные кольца представляют собой специализированные ускорительные устройства, предназначенные для длительного хранения и циркуляции пучков заряженных частиц, преимущественно электронов или позитронов. В отличие от линейных ускорителей, где частицы после разгона покидают установку, в накопительном кольце они многократно совершают обороты, излучая синхротронное излучение. Такое решение позволяет создавать интенсивные, стабильные и долговременные источники электромагнитного излучения, охватывающего широкий спектральный диапазон от инфракрасного до жесткого рентгеновского.
Основная функция накопительного кольца заключается в поддержании равновесия между энергией, теряемой на излучение, и энергией, компенсируемой системой радиочастотного ускорения. Электроны движутся по строго заданной траектории, удерживаемой магнитной системой, включающей дипольные магниты (отвечающие за искривление траектории), квадрупольные (фокусировка пучка) и секступольные (коррекция аберраций) элементы.
Длительное время хранения пучка В накопительном кольце электроны могут циркулировать в течение многих часов, а иногда и суток. Это позволяет обеспечить постоянный и устойчивый поток синхротронного излучения, необходимый для длительных экспериментов.
Высокая яркость и когерентность излучения Продолжительная циркуляция пучка при оптимизированной фокусировке приводит к формированию излучения с чрезвычайно высокой яркостью. Благодаря этому можно достигать высокой пространственной и временной когерентности, что особенно важно для исследований в нанофизике, биологии и материаловедении.
Широкий спектральный диапазон Синхротронное излучение, получаемое в накопительных кольцах, покрывает практически весь диапазон длин волн. Используя изгибные магниты, вигираторы и ондуляторы, удается настраивать спектр в зависимости от задач эксперимента.
Стабильность параметров излучения Поскольку пучок поддерживается в равновесии за счет сложных систем обратной связи и автоматической коррекции, интенсивность и спектральный состав излучения остаются стабильными в течение всего времени работы кольца.
Многоцелевое использование Одно накопительное кольцо может обслуживать десятки экспериментальных станций, каждая из которых использует собственный пучок излучения. Это делает подобные установки универсальными источниками для научных центров, где одновременно проводятся исследования в различных областях физики, химии, биологии и медицины.
При движении по орбите электроны неизбежно теряют энергию на излучение. Для компенсации этого процесса используется радиочастотная (РЧ) система, создающая электрическое поле, синхронизированное с обращением частиц. Таким образом, энергия, потерянная на каждом витке, восполняется, и пучок сохраняет стабильные характеристики.
Другим важным аспектом является управление эмиттансом пучка — мерой его «расплывчатости» в фазовом пространстве. Чем меньше эмиттанс, тем выше яркость и тем лучше пространственная когерентность излучения. Современные накопительные кольца проектируются так, чтобы минимизировать эмиттанс, используя специальные схемы фокусировки, включая мультибенд-акроматические структуры.
Применение вставных устройств является одним из главных преимуществ накопительных колец, поскольку они позволяют настраивать характеристики излучения под конкретные эксперименты. Например, ондуляторы создают квазимонохроматическое излучение, что делает их незаменимыми для рентгеновской спектроскопии и томографии.
Современные накопительные кольца служат базой для крупнейших научных центров — синхротронных источников третьего и четвёртого поколений. Их использование охватывает широкий спектр задач:
Таким образом, накопительные кольца стали ключевым инструментом современной науки, обеспечивающим непрерывный доступ к уникальному источнику электромагнитного излучения с параметрами, недостижимыми в иных ускорительных системах.