Синхротронные источники представляют собой сложные физико-технические комплексы, предназначенные для получения интенсивного, коллимированного и высоко когерентного электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн — от инфракрасного до жесткого рентгеновского. Основные технические параметры этих установок определяют их научную и прикладную ценность.
Энергия электронов в синхротроне является ключевым параметром, определяющим спектральный диапазон генерируемого излучения. Современные источники делятся на несколько категорий по энергии:
Энергия электронов определяет критическую энергию синхротронного излучения Ec, при которой излучение наиболее интенсивно. Формула критической энергии для кругового ускорителя:
Ec[эВ] = 665 E2[ГэВ] B[Тл]
где E — энергия электронов, B — магнитная индукция в бенде.
Ток пучка I в накопительном кольце характеризует число электронов, циркулирующих в ускорителе, и напрямую влияет на интенсивность излучения. Современные источники имеют ток от 100 мА до 500 мА в непрерывном режиме.
Яркость B является ключевым показателем эффективности синхротронного источника и определяется как поток фотонов на единицу площади источника и единицу углового пространства:
$$ B = \frac{d^2 N}{dA \, d\Omega \, dt} $$
Высокая яркость позволяет получать хорошо коллимированное излучение, что критично для рентгеновской микроскопии, дифракции и спектроскопии.
Когерентность пучка характеризуется способностью волн взаимодействовать между собой.
Высокая когерентность особенно важна для когерентной дифракционной микроскопии и интерферометрии.
Современные источники позволяют работать с длинами волн от десятков микрометров до долей ангстрема. Для специальных экспериментов применяются монохроматоры, позволяющие сужать спектральную ширину до Δλ/λ ~ 10⁻⁴–10⁻⁵.
Ключевые моменты:
$$ \lambda_c = \frac{4 \pi \rho}{3 \gamma^3} $$
где ρ — радиус кривизны орбиты, γ — релятивистский фактор.
Undulator: создает малые колебания траектории электронов, обеспечивая сильную интерференцию излучения и узкий спектр. Периодические структуры undulator’а позволяют получать гармоники и высокую яркость.
Wiggler: колебания больше, интерференция слабее, спектр шире, подходит для генерации высокоэнергетических рентгеновских фотонов.
Сравнительная характеристика:
| Параметр | Undulator | Wiggler |
|---|---|---|
| Амплитуда колебаний | малая | большая |
| Ширина спектра | узкая | широкая |
| Яркость | высокая | высокая, но меньше в центральной гармонике |
| Использование | спектроскопия, дифракция | генерация жесткого рентгена |
Современные источники проектируются с долгим временем жизни пучка (до 20–30 часов без дозаполнения), что позволяет проводить продолжительные измерения. Колебания энергии и позиции пучка минимизированы с помощью систем стабилизации и обратной связи.
Эти технические параметры делают современные синхротронные источники универсальными инструментами для физики конденсированного состояния, материаловедения, биофизики и химии.