1.1. Устройство синхротрон.

Синхротро́н (от др.-греч. σύγχρονος — одновременный) — один из типов резонансных циклических ускорителей. Характеризуется тем, что в процессе ускорения частиц орбита пучка остаётся постоянного радиуса, а ведущее магнитное поле поворотных магнитов, определяющее этот радиус, возрастает. Кроме того, остаётся постоянной частота ускоряющего электрического поля (в отличие от синхрофазатрона).

Общий вид

В синхротронах (рис. 1) магнитное поле переменное и частицы двигаются по одной и той же замкнутой траектории, многократно проходя прямолинейные промежутки с ускоряющим электрическим полем радиочастотного диапазона. Частицы, увеличивающие свою энергию, удерживаются на фиксированной орбите с помощью нарастающего поля мощных отклоняющих (в том числе и сверхпроводящих) кольцевых магнитов.Для удержания частиц на орбите постоянного радиуса темп нарастания поля синхронизован с темпом нарастания энергии частиц (отсюда происходит название этого типа ускорителя).

Рисунок 1 Общий вид ускорительного кольца.

Для удержания частиц на орбите постоянного радиуса темп нарастания поля синхронизован с темпом нарастания энергии частиц (отсюда происходит название этого типа ускорителя). По достижении максимального магнитного поля ускоренные частицы либо направляются на неподвижную мишень, либо (в коллайдерах) сталкиваются со встречным пучком, после чего цикл ускорения повторяется. В синхротронах есть два типа чередующихся кольцевых магнитов: отклоняющие двухполюсные (дипольные), удерживающие частицы на орбите, и фокусирующие четырёхполюсные (квадрупольные). Последние фокусируют частицы (как линзы свет), собирая их в узкий пучок, циркулирующий в вакуумной камере.

На рис. 2 изображена типичная зависимость В и w от времени. Эта зависимость обычно носит периодический характер и называется рабочим циклом (или циклом ускорения). После паузы 1 магнитное поле начинает возрастать и при подходящем его значении происходит инжекция 2, в течение которой вакуумная камера синхротрона протонного заполняется частицами, поступающими от предварительного ускорителя. В синхротрон протонный на умеренную энергию в качестве инжекторов обычно используются резонансные линейные ускорители; в синхротрон протонный на высокую и сверхвысокую энергию широко применяют каскадные схемы, в которых инжектором основного синхротрона протонного является небольшой синхротрон протонный- бустер. Под действием ускоряющего ВЧ-поля инжектируемые частицы группируются в q сгустков; при этом теряется часть пучка, оказавшаяся вне сепаратис, ограничивающих области устойчивости продольных колебаний. Захваченные в режим ускорения частицы ускоряются ВЧ электрическим полем, частота которого синхронизуется с магнитным полем системами автоподстройки по пучку. Во время захвата и ускорения 3 частицы могут быть потеряны под действием ряда факторов: рассеяния на остаточном газе, влияния возмущений магнитного и ускоряющего полей, коллективных эффектов, вызванных собственным полем пучка, его взаимодействием со стенками вакуумной камеры и т. д. После окончания стадии ускорения частицы выводятся (4) из синхротрона протонного и направляются пользователям: для физических экспериментов, инжекции в другие ускоритель и т. д. В связи с тем что детекторы имеют ограниченную скорость счёта, на современных синхротронах протонных широко используются схемы медленного вывода, растягивающие процессы вывода частиц до нескольких секунд или более. Индукция магнитного поля в течение медленного вывода не меняется (выходит «на площадку»).

Рисунок 2 Зависимость В и w от t.

Магнитная система

Поскольку магнитное поле синхротрона переменно во времени, магнит выполняется из листовой электротехнической стали; изолированные друг от друга листы располагаются перпендикулярно к орбите для устранения вихревых токов, искажающих магнитное поле. Толщина листа определяется электротехническими характеристиками стали и временем нарастания магнитного поля; она равна нескольким миллиметрам для продолжительности цикла в несколько секунд и составляет доли миллиметра для ускорителя с большой частотой повторения, особенно для электронных синхротронов.

Системы питания магнитов протонных синхротронов представляют собой сложные инженерные сооружения. Полная энергия, запасаемая в магните, исчисляется десятками и сотнями мегаджоулей, а мощность генераторов должна составлять десятки и сотни тысяч киловольт-ампер. Большая потребляемая мощность и неравномерность нагрузки, связанная с импульсным характером работы, как правило, делают невозможным непосредственное питание обмоток магнита от энергетической электросети - приходится использовать промежуточные накопители энергии.Для протонных ускорителей, характеризуемых относительно длинным циклом и малой частотой повторения импульсов, используются массивные (в несколько десятков тонн) механические накопители - маховики, расположенные на валу генератора переменного тока и приводимые во вращение электродвигателями.

Рисунок 3 Магнитные линзы

В электронных синхротронах накопителями могут служить конденсаторные батареи, комбинированные с внешними индуктивностями - реакторами. Магнитное поле в них обычно синусоидально зависит от времени с частотой электросети.

Структура магнитной системы синхротрона зависит от многих обстоятельств. С уверенностью можно сказать, что для получения энергии, меньшей 1 ГэВ, предпочтительно использовать слабофокусирующий магнит с n = 0,6 - 0,7. Увеличение апертуры для небольших ускорителей не приводит к очень большому абсолютному весу магнита; в то же время конструкция магнита оказывается проще, легче допуски на его изготовление, упрощается система ввода и вывода частиц и т.д. Магнит выполняется с прямолинейными промежутками ( так называемый рейстрек), длина которых варьируется в диапазоне от 20 - 30 % радиуса кривизны орбиты в магнитном секторе. Число промежутков, как правило, равно четырем ( при двух промежутках сильно искажается огибающая бетатронных колебаний и уменьшается область устойчивости). незначительное увеличение габаритов машины, связанное с введением промежутков, вполне окупается удобством размещения ускоряющей станции, устройств ввода и вывода и т.д.

Применение сильной фокусировки (v >>1) в небольших магнитах нецелесообразно, поскольку число периодов системы должно быть велико (N = 4v). Каждый период системы состоит, как минимум, из двух магнитных блоков - фокусирующего и дефокусирующего, поэтому абсолютный размер каждого блока был бы очень мал, а влияние краевых эффектов на движение частиц велико. Кроме того, в малом магните довольно сложно получить большое значение показателя поля n. Градиент магнитного поля определяется формой полюсов и по техническим соображениям обычно ограничивается величиной 10 -20 Тл/м, так что достижимое значение показателя поля оказывается порядка n = 10R, где радиус измерен в метрах.

Наоборот, при энергии, большей 10 - 10 ГэВ, сильная фокусировка является единственным практически приемлемым решением. Значения бетатронных частот v обычно выбираются в пределах от 5 до 20; при меньших значениях применение знакопеременной фокусировки теряет смысл, а при больших резко возрастают трудности связанные с обеспечением необходимой точности параметров и с допусками на магнитное поле.

Необходимым требованием к большим магнитам является наличие длинных прямолинейных промежутков. Особенно ясно это стало в связи с широким использованием в физическом эксперименте пучков вторичных частиц - мезонов, гиперонов, антипротонов и т.д., генерируемых первичным пучком протонов на внутренней мишени ускорителя. В силу релятивистских законов сохранения вторичные частицы рождаются с большой энергией и в малом телесном угле относительно направления первичного протона, поэтому их вывод из машины, сепарация и разводка в экспериментальные залы требуют использования мощных и сложных импульсных систем располагаемых в прямолинейных промежутках. Кроме того, нужна достаточно большая геометрическая база для отвода вторичных пучков от орбиты протонов. Поэтому все современные большие ускорители имеют несколько длинных прямолинейных промежутков, кроме относительно коротких, имеющихся в каждом периоде и служащих для размещения разнообразного вспомогательного оборудования.

Ускоряющая система

Если энергия инжекции нерелятивистская, то перестройка частоты в течении цикла в протонном синхротроне оказывается довольно глубокой, как и в фазотроне. Правда, связанные с этим проблемы несколько снимаются малым ускоряющим напряжением и кольцевой геометрией ускорителя, позволяющей уменьшить размер ускоряющего электрода и его емкость. К тому же ускоряющий электрод можно разместить, как это обычно и делается, в прямолинейном промежутке вне магнита. Основные трудности, связанные с перестройкой частоты в протонных синхротронах, заключены в необходимости точного соответствия частоты магнитному полю в любой момент времени. независимое программирование частоты обычно дает плохие результаты из-за недостаточной повторяемости магнитного поля от цикла к циклу. Более совершенна система функциональной связи, когда измеренное значение магнитного поля является управляющим сигналом для задающего генератора.Наконец, в современных ускорителях большого радиуса изменением частоты управляет сам пучок. Напомним, что при рассогласовании частоты и поля меняется радиус равновесной орбиты. Эти изменения могут быть уловлены датчиками положения пучка - так называемыми сигнальными электродами, сигнал с которых поступает для обработки в быстродействующую ЭВМ и используется для коррекции частоты генератора. Кстати, принцип оперативного управления параметрами ускорителя по данным о движении самого пучка в последнее время применяется очень широко, что привело даже к появлению нового термина - кибернетический ускоритель.

Рисунок 4 Ускорительная секция.

Ввод и вывод частиц

Необходимость внешней инжекции, присущая большим синхротронам, кроме ускорителя-инжектора ( или бустера), предполагает наличие системы формирования и ввода пучка в машину.

Ввод частиц на замкнутую орбиту совсем не так тривиален, как это может показаться с первого взгляда. Более того, в стационарных условиях он вообще принципиально невозможен, т.к. означал бы непрерывное увеличение плотности частиц в фазовом пространстве, запрещенное теоремой Лиувилля ( можно показать, например, что частица, впущенная извне в область, занятую стационарным магнитным полем, через конечное время выйдет из этой области). Поэтому инжекция возможна лишь в результате изменения во времени параметров полей, приводящих новые частицы в еще не занятые области фазового пространства.

В слабофокусирующих ускорителях обычно используется так называемая многооборотная инжекция. Пучок с малым эмиттансом проходит через канал инфлектора, в котором действует поперечное электрическое поле, поворачивающее частицы, т.е. забрасывает их в аксептанс ускорителя. если бы орбита оставалась неподвижной, то через несколько оборотов эти частицы попали бы на инфлектор и погибли. однако вследствие роста магнитного поля и неизменности энергии ( ВЧ-поле выключено) орбита сворачивается внутрь, отходя от инфлектора, ранее инжектированные частицы минуя его, а новые частицы инжектируются с большей амплитудой радиальных бетатронных колебаний, пока не будет полностью заполнен весь аксептанс. На приктике, в зависимости от скорости нарастания магнитного поля и размеров инфлектора процесс многооборотной инжекции может продолжаться от нескольких оборотов до нескольких десятков.

К сожалению, в сильнофокусирующих ускорителях многооборотная инжекция трудноосуществима, так как сворачивание орбиты оказывается слишком малым и большая часть пучка соударяется с инфлектором. В этих случаях прибегают к однооборотной импульсной инжекции, когда пучок с относительно большим эмиттансом выводится инфлектором на орбиту в течение одного оборота, после чего напряжение на инфлекторе должно быть снято, так как вторичное прохождение частиц через отклоняющее поле приведет к их потере. Существуют и более сложные схемы инжекции, использующие, например, накопление в фазовом пространстве z-колебаний; перезарядная инжекция, когда теорема Лиувилля неприменима и т.п.

Для вывода ускоренных частиц должна решаться в некотором смысле обратная задача. (Если пучок используется на внутренней мишени, то возникает во многом аналогичная проблема вывода вторичных частиц.) Однако технически это задача во многом сложнее, чем при инжекции, поскольку импульс частиц существенно больше и для их поворота на нужный угол требовались бы слишком большие электрические поля. Современные схемы вывода частиц являются многоступенчатыми и основаны на многолетних разработках специальных устройств - так называемых септум-магнитов с резко ограниченной областью магнитного поля и кикер-магнитов, дающих короткий импульс отклоняющего магнитного поля. Иногда эти устройства выполняются подвижными и вдвигаются в рабочую область только в конце цикла, чтобы не мешать эффективному заполнению аксептанса при инжекции. В системе вывода используется также предварительное отклонение на малый угол электростатическим дефлектором, поле в котором очень резко локализовано за тонкой перегородкой, практически прозрачной для пучка. Такик комбинированные системы позволяют осуществить быстрый вывод пучка за время меньше или порядка одного оборота и медленный в течение нескольких миллисекунд, что особенно важно в экспериментах с регистрирующей аппаратурой, не допускающей большой импульсной загрузки.

Помимо протонного синхротрона существует электронный синхротрон.

Синхротрон электронный - кольцевой резонансный ускоритель электронов (позитронов) на энергии от нескольких МэВ до десятков ГэВ, в котором частота ускоряющего электрического поля не меняется, ведущее магнитное поле увеличивается во времени и равновесная орбита не меняется в процессе ускорительного цикла. Обычно электроны уже при инжекции являются ультрарелятивистскими; если же ускорение начинается с энергии меньшей 5 - 7 МэВ, то в начале ускорительного цикла применяется бетатронный режим ускорения.

Траектории ускоряемых в синхротроне электронов (позитронов) заполняют кольцевую область в вакуумной камере ускорителя. Обращаясь в ней, частицы многократно возвращаются к одним и тем же ускоряющим промежуткам, на к-рые подано переменное напряжение с частотой, в целое число раз q (q >>1) превосходящей частоту обращения частиц по так называемой равновесной орбите. Число q называется кратностью ускорения. При каждом прохождении через промежуток фаза идеальной (равновесной) частицы остаётся неизменной, но фаза реальных частиц немного изменяется, колеблясь около равновесного (синхронного) значения. При ускорении пучок частиц разбивается на сгустки - банчи, заполняющие некоторую область около синхронных значений фазы. Максимальное число сгустков на орбите равно q.

На криволинейных участках траектории пучки электронов (позитронов) испускают синхротронное излучение ,мгновенная мощность которого в расчёте на один электрон определяется формулой:

W = 2e²cɣ⁴/3R²(s)

где е - заряд частицы, ɣ - её лоренц-фактор (отношение полной энергии частицы к её энергии покоя), R(s) - радиус кривизны траектории на участке с координатой s. Мощность, рассеиваемая за оборот, пропорциональна ɣ⁴/R. При больших энергиях частиц потери на излучение могут достигать нескольких МэВ и на оборот. Чтобы уменьшить потери, приходится увеличивать размеры синхротрона электронного, что сопряжено с увеличением стоимости их строительства. Размеры реальных синхротронна электронного определяются разумным компромиссом между эксплуатационными и капитальными затратами. Потери на излучение приходится всё время компенсировать, поэтому процесс ускорения электронов выгодно вести быстро, за сравнительно небольшое число оборотов. Пиковая мощность ускоряющей ВЧ-системы синхротрона электронного на энергии в десятки ГэВ может достигать ~1 МВт.

Поскольку синхротронное излучение ускоряемых частиц направлено практически по вектору их скорости (составляет с ним углы 1/ɣ), в процессе ускорения происходит радиационное охлаждение пучка - уменьшение эмиттанса (фазового объёма) пучка как для поперечных, так и для продольной степени свободы. Аксиальные бета-тронные колебания затухают с декрементом:

λ_z=W/2έ

где έ - полная энергия частицы. Сумма декрементов затухания радиальных бетатронных (λ_r) и синхротронных(λ_s) колебаний равна 3λ_z. Квантовый характер излучения приводит к стохастической раскачке колебаний (нагреву пучка), которая ограничивает его охлаждение. В установившемся стационарном состоянии радиальный размер пучка обычно определяется связью радиальных бетатронных и синхротронных (радиально-фазовых) колебаний частиц. В типичных условиях размер пучка существенно превосходит теоретический предел из-за связи радиальных и аксиальных бетатронных колебаний, а также вследствие того, что несовершенство магнитной системы приводит к появлению зависимости аксиального положения частиц от их энергии - к паразитной аксиальной дисперсионной функции. Как правило, поперечные размеры пучка в начале ускорения не превышают нескольких сантиметров, а в конце могут уменьшаться до миллиметровых размеров.

В синхротроне электронном середина диапазона энергии (нескольких сотен МэВ) с коротким циклом ускорения радиационые эффекты могут не успевать проявляться. В таких ускорителях, как и в синхротронах протонных, уменьшение размеров пучка связано только с адиабатическим затуханием бетатронных и синхротронных колебаний частиц и не может использоваться для создания накопителей.

Ограничения интенсивности (числа частиц в одном цикле ускорения) в современном синхротроне электроном в основном связаны с когерентными микроволновыми неустойчивостями пучка, возникающими вследствие его взаимодействия с металлическими поверхностями, обращёнными к пучку (с неоднородностями вакуумной камеры, соединительными фланцами и сильфонами, с деталями ускоряющих резонаторов, с измерительными электродами и т. д.). Для борьбы с такими неустойчивостями изменяют собственную частоту резонирующих элементов, вводят обратные связи, используют широкополосные демпфирующие системы.

При одновременном ускорении в синхротроне электронном нескольких сгустков появляется ещё один тип неустойчивости - относительное движение сгустков.