Синхротрон

Синхротрон Soleil, Париж

Синхротро́н (от др.-греч. σύγχρονος — одновременный) — один из видов ускорителей с орбитой постоянного радиуса, растущим во времени магнитным полем, определяющим этот радиус, и постоянной частотой ускоряющего электрического поля. В синхротроне достигнуты энергии около 20 ГэВ.

Принципиальное устройство синхротрона

Синхротрон представляет собой электровакуумную установку с приблизительно кольцевой вакуумной камерой, в которой частицы ускоряются до скорости, близкой к скорости света, а стоящие на их пути мощные постоянные магниты изменяют направление их движения. В вакуумной камере постоянно поддерживается глубокий вакуум (порядка $10^{-9}$ Торр и глубже), чтобы избежать быстрого поглощения ускоренных частиц. Так как постройка сплошного постоянного магнита по всему периметру кольца технически дорога, то вакуумную камеру синхротрона строят в виде многоугольника, с поворачивающимися магнитами в углах. Синхротрон действует по резонансному принципу уcкорения, то есть пролетающие частицы попадают в ускоряющее поле всегда в резонанс с изменением поля.

Поколения синхротронов

Синхротроны, а точнее источники синхротронного излучения, условно делят на четыре поколения:

1. Первое поколение — синхротроны, построенные как ядерно-физические установки, где синхротронное излучение было вредным, «паразитным» излучением, не позволяющим далее увеличивать энергию ускоряемых частиц. На этих установках впервые начали отрабатываться методики использования синхротронного излучения;
2. Второе поколение — синхротроны, специально построенные для генерации синхротронного излучения. В основном использовали для генерации излучения поворотные магниты. Энергетически это невыгодно, так как те же самые магниты используются для управления траекторией, и генерируемое излучение в итоге выходит не только на экспериментальные станции источника СИ, а равномерно распределено в пространстве;
3. Третье поколение — начали проектировать в начале 1990-х годов. При проектировании синхротронов 3-го поколения в их конструкции предусматривалось большое число длинных (5 и более метров) прямолинейных промежутков, предназначенных для установки вставных устройств — вигглеров и ондуляторов. Использование для генерации излучения специализированных устройств гораздо более энергоэффективно — большая часть излучаемой электронами энергии выводится непосредственно на экспериментальные станции, при этом снятие магнитного поля с неиспользуемых в отдельные моменты времени вставных устройств позволяет также существенно уменьшить энергопотребление экспериментальной установки. Следует указать, что мощность потерь энергии электронами на одном вставном устройстве может превышать 300 кВт.
4. Четвёртое поколение источников синхротронного излучения — уже не являются более синхротронами. Технология развития накопительных колец достигла совершенства в источниках третьего поколения, и дальнейшее совершенствование накопителей — а именно повышение плотности электронов, повышение яркости источника СИ уже физически невозможно. Критическим параметром стал эммитанс — фактически, фазовый объем, занимаемый электронами при движении по орбите. При этом оказывается, что если даже в начальный момент инжекции электроны имели очень маленький эммитанс, в процессе многократного (миллиарды раз) прохождения по орбите, они «забывают» о своем начальном состоянии, и эммитанс пучка далее определяется как несовершенством магнитной структуры ускорителя, так и межчастичными взаимодействиями. Для уменьшения эммитанса (и т.о. повышения яркости) предлагаются источники на базе лазеров на свободных электронах, а также линейных ускорителей с рекуперацией энергии «MARS»

Top-Up режим

Top-Up или режим инжекции на полной энергии — специализированный режим работы ускорительно-накопительного комплекса (синхротрона). Для реализации Top-UP режима в составе комплекса необходимо иметь дополнительный, бустерный синхротрон, обеспечивающий инжекцию электронов в накопительное кольцо основного ускорителя на полной (рабочей) энергии ускорителя. Инжекция на полной энергии позволяет не проводить перенакоплений электронов, а добавлять электроны к уже движущимся в накопительном кольце, компенсируя происходящие потери частиц.

В отличие от этого режима, более распространенной конструкцией ускорительно-накопительного комплекса является такая, в которой инжекция происходит на энергии в несколько раз меньшей. Меньшая энергия инжекции позволяет иметь гораздо более дешёвую и компактную систему инжекции, но требует регулярных перекоплений электронного пучка (со сбросом ранее накопленных электронов), и последующего ускорения накопленных электронов до полной энергии в основном накопительном кольце.

Российские источники СИ

• Дубнинский электронный синхротрон (строится)
• Зеленоградский электронный синхротрон — институт физпроблем им. Ф. В. Лукина (строится)
• Курчатовский источник синхротронного излучения
• Сибирский центр синхротронного излучения- ускорители ВЭПП-3, ВЭПП-4 — используются в том числе в качестве источников СИ.

Синхротроны третьего поколения

• ESRF
• APS
• SPRing-8

Крупнейшие европейские источники СИ

• ESRF
• ALBA
• Soleil
• Elletra
• Diamond

См. также

• Векслер, Владимир Иосифович
• Каскадный ускоритель
• Австралийский синхротрон
• ELETTRA — Синхротронная световая лаборатория ELETTRA
• Большой адронный коллайдер

Ссылки

• Синхротрон протонный в Физической энциклопедии
• www.lightsources.org — Сайт, посвященный синхротронам и источникам СИ. В том числе на сайте приведен список всех существующих в н.в. в мире источников СИ