Циклический ускоритель электронов и накопительное кольцо

Рассмотрим как устроен циклический ускоритель электронов (рис. 9.1). Из инжектора 1 (как правило, это линейный ускоритель) предварительно ускоренные электроны попадают на круговую орбиту ускорителя. Захват электронов в режим синхротронного ускорения возможен при достижении релятивистких скоростей частиц, так как синхротронная равновесная орбита, по которой электрон движется с постоянной средней угловой частотой и медленно меняющимся радиусом, требует уже в начальном периоде, чтобы энергия частицы была релятивистской (Е > т₀с²), поэтому синхротронному режиму ускорения предшествует предварительный этап ускорения — либо бетатронный, либо специального инжектора типа линейного ускорителя. На круговой орбите электроны 5 удерживаются магнитным полем поворотных магнитов 4. В синхротроне магнитное поле в поворотных магнитах увеличивается по мере увеличения энергии электронов, чтобы удержать электроны на равновесной синхротронной орбите (синхронно с ускорением — отсюда и название синхротрон). В первых ускорителях круговая камера 2 синхротрона обычно разделялась на 4 части (квадранты 4) (в последующих ускорителях количество поворотных магнитов значительно больше), между которыми образуются прямолинейные промежутки 3. В один из них устанавливается резонатор с меняющимся электрическим полем, в котором ускоряются электроны.

Рис. 9.1. Схема циклического ускорителя: 1 — инжектор, 2 — вакуумная камера, 3 — ускоряющие промежутки, 4 — квадранты магнита, 5 — сгусток электронов.

Простейшим примером линейного ускорителя является ускоряющий промежуток между двумя электродами, к которым приложено высокое напряжение. В более совершенных приборах ускорение осуществляется за счет последовательной цепи ускорительных трубок или бегущей волны высокочастотного электромагнитного поля. Частица захватывается таким полем и непрерывно им ускоряется. Одним из рекордных достижений линейных ускорителей был Стенфордский линейный ускоритель (1966), в котором электроны, пройдя расстояние в 2 мили, приобретают энергию 22 ГэВ.

Линейные ускорители имеют ряд преимуществ, например, в них отсутствуют радиационные потери энергии. Однако, многие их параметры уступают циклическим ускорителям. Например, неудовлетворительным параметром являются размеры установки. Поэтому в настоящее время линейные ускорители используются лишь на предварительной стадии ускорения.

Преимущества синхротрона существенны, так как магниты установлены только на криволинейных участках траектории, а потери энергии на СИ компенсируются. Предел достижимой энергии определяется теперь линейными размерами ускорителя, магнитными полями и потерями на СИ. Таким образом, в синхротроне ускоренный электрон движется с ультрарелятивистской скоростью, то есть со скоростью, близкой к скорости света с.

Дальнейшее увеличение энергии, особенно важное для физики высоких энергий, привело к созданию накопительных колец (рис. 9.2). По своей конструкции накопительное кольцо похоже на синхротрон, однако магнитное поле в нем не меняется, обеспечивая постоянную энергию циркулирующих частиц.

Накопительное кольцо представляет собой ускоритель легких заряженных частиц (электронов или позитронов), в котором ультрарелятивистские частицы перемещаются по замкнутой траектории со скоростью, близкой к скорости света, испуская при этом интенсивные потоки фотонов. Энергия, теряемая в виде СИ за каждый период обращения частиц, возмещается в специальной электромагнитной системе ускорения — радиочастотном резонаторе. Накопительное кольцо предназначено для поддержания стационарного режима движения частиц в пучке и увеличения плотности сгустка, которая определяет светимость, а не для получения частиц с максимальной энергией (как на ускорителях элементарных частиц в ядерной физике).

Рис. 9.2. Общее устройство накопительного кольца — источника СИ. 1 — электронная пушка. 2 — линейный предускоритель (линак), 3 — кольцевой предускоритель (бустер), 4 — поворотный магнит. 5 — система магнитных линз, 6 — радиочастотный резонатор, 7 — линейный участок камеры для размещения специализированных магнитных (встроенных) устройств, 8 — канал, 9 — экспериментальная станция, 10 — бетонная стена биозащиты.

Накопительное кольцо включает следующие обязательные конструктивные элементы:

Источник электронов (1) — как правило, это обычная электронная пушка большой мощности.

Система предварительного ускорения и инжекции электронов: линейный — линак (linear accelerator) (2) или кольцевой — бустер (booster) (3) предускоритель.

Полая замкнутая камера ускорителя, внутри которой создается пучок ультрарелятивистских электронов. В этой камере необходимо поддерживать высокий вакуум (10 ⁹ — 10″.

ю.

¹⁰ Topp) для минимизации энергетических потерь электронов от столкновений с молекулами среды.

Система поворотных магнитов (магнитных диполей) (4), задающих замкнутую круговую орбиту движения электронов. На участках между поворотными магнитами пучок электронов движется прямолинейно. Именно в поворотных магнитах возникает синхротронное излучение, направленное по касательной к траектории движения пучка (см. рис. 9.3).

Рис. 9.3. Схема возникновения СИ при движении электронов в постоянном магнитном поле.

Система магнитных линз (5) — магнитных квадруполей и магнитов более высокого порядка — служит для фокусировки электронного пучка.

Электромагнитная система (6) служит для ускорения электронов до ультрарелятивистских скоростей, а также для возмещения потерь энергии электронов из-за испускания СИ (радиочастотный резонатор).

Специализированные магнитные устройства (7) — ондуляторы (ипЛиЫог — образующий волны) и виглеры (viggler — «змейка») — устанавливаемые в прямолинейных участках камеры между поворотными магнитами, позволяют получать СИ с улучшенными характеристиками по сравнению с излучением из поворотного магнита. Эти устройства не являются обязательными элементами накопительного кольца, но устанавливаются в большинстве современных центров.

Бетонная стена биологической защиты (10) поглощает и фоновое излучение ускорителя. По вакуумированным каналам (5) пучки фотонов выводятся из камеры ускорителя сквозь биозащиту в экспериментальный зал. В экспериментальном зале находятся станции-приборы (9) для работ с использованием СИ.