В накопительных кольцах синхротронного излучения поворотные магниты (дипольные магниты) выполняют ключевую задачу: они изменяют направление движения релятивистских электронов, заставляя их двигаться по замкнутой траектории. Электроны, разогнанные до скоростей, близких к скорости света, в отсутствии внешнего магнитного поля двигались бы по прямой линии. Однако для удержания их в пределах орбиты кольца необходимо постоянное поперечное магнитное поле, создаваемое дипольными магнитами. Именно в этих элементах формируется основная часть синхротронного излучения.
Магнитное поле поворотных магнитов ориентировано перпендикулярно к траектории пучка. Заряженная частица испытывает действие силы Лоренца, направленной к центру орбиты. В результате частица совершает движение по дуге окружности радиусом ρ, величина которого определяется уравнением:
$$ \rho = \frac{p}{eB}, $$
где p — импульс электрона, e — его заряд, B — магнитная индукция. Таким образом, радиус кривизны траектории и конфигурация накопительного кольца напрямую зависят от параметров поворотных магнитов.
В поворотных магнитах излучение носит широкополосный характер. Спектр синхротронной радиации здесь формируется в диапазоне от инфракрасного до рентгеновского излучения. Его верхняя граница определяется критической энергией фотона:
$$ \hbar \omega_c = \frac{3}{2} \frac{\hbar c \gamma^3}{\rho}, $$
где γ — релятивистский фактор. Чем выше энергия пучка и меньше радиус кривизны, тем больше сдвигается спектр в область жесткого излучения.
Поворотные магниты создают излучение с угловым распределением, сконцентрированным в узком конусе вдоль касательной к траектории. Поляризация излучения зависит от направления наблюдения: в плоскости орбиты преобладает линейная поляризация, выше и ниже плоскости — присутствует эллиптическая.
Для обеспечения стабильности пучка в накопительных кольцах требуется высокая однородность магнитного поля. Конструктивно поворотные магниты представляют собой массивные электромагниты с сердечниками из магнитомягкой стали, через которые пропускается ток, создающий необходимую магнитную индукцию.
Основные требования к дипольным магнитам:
Современные накопительные кольца используют как постоянные дипольные магниты (для уменьшения энергопотребления), так и сверхпроводящие варианты, позволяющие достигать больших значений поля при компактных размерах.
Поворотные магниты не только формируют орбиту, но и оказывают влияние на динамику электронного пучка:
Особое значение имеют так называемые изогнутые магниты с переменным радиусом кривизны. Они позволяют изменять характеристики спектра излучения, а также формировать зоны повышенной интенсивности, используемые для экспериментальных станций.
Хотя современные источники синхротронного излучения активно используют вставные устройства (ондулаторы и вигглеры), именно поворотные магниты остаются базовыми генераторами излучения, обеспечивая фоновый поток фотонов. Их роль особенно велика для экспериментальных станций, работающих с широкополосным излучением — в областях ИК и УФ спектра.
Кроме того, спектр излучения из дипольных магнитов часто используется как опорный источник для калибровки детекторов и проведения фундаментальных измерений, где требуется стабильность, но не узкая спектральная селективность.
В современных проектах накопительных колец нового поколения (например, Diffraction Limited Storage Rings) поворотные магниты проектируются с учетом минимизации эмиттанса и повышения стабильности орбиты. Основная тенденция заключается в создании более коротких и сильных диполей, обеспечивающих компактное кольцо и смещение спектра излучения в область мягкого и жесткого рентгена.
Также развивается направление использования сегментированных магнитов с интегрированными каналами вывода излучения, что позволяет более эффективно использовать фотонный поток.