電子回旋加速器

當(dāng)帶電粒子(通常是電子)垂直注入均勻的恒磁場(chǎng)繞磁力線作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),即使粒子的速率恒定,它也具有向心加速度，從而產(chǎn)生電磁輻射。由非相對(duì)論性(vc)低能電子發(fā)射的，叫回旋加速器輻射，由相對(duì)論性(v≈c)高能電子發(fā)射的，叫同步加速器輻射。它們首先是在回旋加速器和同步加速器中被觀察到的，因而得名。有的文獻(xiàn)中將兩者統(tǒng)稱回旋加速器輻射，蘇聯(lián)文獻(xiàn)中常稱為磁軔致輻射。

此兩種輻射的偏振狀態(tài)相似，都在垂直于磁場(chǎng)的方向上線偏振，在沿磁場(chǎng)的方向上圓偏振，在斜方向上一般是橢圓偏振(見(jiàn)光的偏振)。

兩種輻射的頻譜和角分布的特點(diǎn)有很大不同?；匦铀倨鬏椛涞淖V是由拉莫爾角頻率Ω0,及其諧頻組成的分立譜(e和m0分別是電子的電荷和靜止質(zhì)量,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，с為光速)。能量主要集中在基頻,諧頻成分極弱;輻射的方向性不強(qiáng)。相對(duì)論性電子的能量為γm0с2, 其中v是電子速度。 由于相對(duì)論效應(yīng),隨著電子能量的增大，電子的質(zhì)量m=m0γ增大，拉莫爾角頻率的數(shù)值減小，并因電子速度上的差異而有所分散，從而使回旋加速器輻射的譜線間隔減小，線寬加大。在極端相對(duì)論性條件下，輻射譜變?yōu)檫B續(xù)的，這便是同步加速器輻射。與回旋加速器輻射相比，同步加速器輻射具有以下一些不同的特征:

① 存在一個(gè)臨界角頻率(R為粒子軌道半徑),在其附近能譜有極大值。ωωc時(shí),輻射功率譜正比于ω時(shí);ωωc時(shí)，正比于

(ω/ωc)┩exp(-ω/ωc)。

隨著γ 的增大，能譜的極大值向更高級(jí)的諧頻轉(zhuǎn)移。

② 對(duì)于給定的磁場(chǎng)，總輻射功率正比于γ2;對(duì)于給定軌道半徑，它正比于γ4，即總輻射功率隨粒子能量的增大而急劇增強(qiáng)。

③ 輻射的方向性極強(qiáng)，它像探照燈似地分布在以粒子運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檩S的極窄角錐內(nèi),錐的半角寬度θ~1/γ(見(jiàn)圖)。 電子回旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電磁輻射的最早理論研究要追溯到20世紀(jì)初，G.A.肖脫于1912年計(jì)算了經(jīng)典原子模型的輻射。40年代,Д.Д.伊萬(wàn)年科和И.Я.坡密朗丘克以及J.S.施溫格曾考慮了這類輻射對(duì)設(shè)計(jì)圓形粒子加速器的重要性。爾后朱洪元(1948)和施溫格(1949)發(fā)展了有關(guān)回旋加速器輻射的理論，這些理論公式已列入標(biāo)準(zhǔn)的教科書(shū)。理論計(jì)算表明，同步加速器中帶電粒子能量U因輻射而產(chǎn)生的損耗率為q為電荷。此式表明,隨U的增加極快。此外,對(duì)于質(zhì)量小的電子,這種輻射消耗特別嚴(yán)重(∞m0-4)。這種輻射是高能圓形軌道加速器中最主要的能量損失機(jī)制。為了減少它，通常要采用很大的半徑R。

同步加速器輻射為人們提供了一種高度準(zhǔn)直并可連續(xù)調(diào)諧的強(qiáng)光光源。特別是在真空紫外和X射線波段,尚無(wú)可用的激光器與之匹敵。50年代同步加速器輻射已被廣泛研究,60年代前期，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的K.科德林、R.P.馬登和他們的合作者開(kāi)始把180MeV的同步加速器當(dāng)作輻射源用于原子光譜的研究。近年來(lái)美國(guó)、蘇聯(lián)、日本和西歐許多國(guó)家都開(kāi)展了這方面的工作，用同步加速器或儲(chǔ)存環(huán)發(fā)出的同步加速器輻射來(lái)進(jìn)行光化學(xué)、生物學(xué)、固體及其表面、材料學(xué)、光子散射、非線性光學(xué)、X射線全息、X射線顯微學(xué)、X 射線光刻等多方面的探索和研究。這方面的研究以前多借助于粒子物理學(xué)的裝置，近年來(lái)一批專用的設(shè)備正在設(shè)計(jì)或制造中。

同步加速器輻射是天體物理學(xué)中一種重要輻射機(jī)制。目前普遍認(rèn)為，很多具有冪律譜和偏振的非熱宇宙射電輻射來(lái)源于高能粒子的同步加速器輻射。這類射電源中最著名的例子是為中國(guó)《宋史》記載的蟹狀星云中心1054年爆發(fā)的超新星遺跡。

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分離扇回旋加速器的工作原理與扇形聚焦回旋加速器相同,圖2是一個(gè)四扇直邊分離扇回旋加速器的示意圖。分開(kāi)的扇形磁鐵對(duì)稱地沿環(huán)形安裝。磁鐵之間為無(wú)場(chǎng)區(qū)域，稱之為谷區(qū)域。 固定頻率的大功率高頻腔可安裝在這些區(qū)域中,使得粒子獲得較高的能量增益。一般高頻腔的峰值電壓為250kV，因此粒子軌道的圈間距增大,便于注入和單圈引出,從而使束流品質(zhì)提高。在加速器的中心區(qū)域,由于有較大的空間，可以安裝有較大偏轉(zhuǎn)能力的磁元件。磁鐵之間氣隙也較小，容易獲得較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度。如果在極面上安裝有若干對(duì)墊補(bǔ)電流線圈，通過(guò)調(diào)整電流能得到加速不同能量的各種粒子所需的等時(shí)場(chǎng)。 這種加速器在若干加速器構(gòu)成的組合系統(tǒng)中，可作為較理想的主加速器。特別是對(duì)重離子加速器系統(tǒng)，如果用圓形加速器作為主加速器的話，一般是分離扇回旋加速器。

這種加速器一般都需要有一個(gè)小型加速器作為它的注入器，很少單獨(dú)使用。

螺旋線型回旋加速器的磁鐵如圖1所示，它的磁極面由一塊塊等厚的邊緣為螺旋線形的墊鐵安裝而成，平均磁場(chǎng)隨半徑增加，而軸向聚焦力則由扇形磁極所產(chǎn)生的方位角變化磁場(chǎng)提供。這類加速器的主平面為pp。在此面上的磁場(chǎng)強(qiáng)度用B表示，由于粒子的運(yùn)動(dòng)軌道不再是一個(gè)圓，在磁鐵扇塊邊緣上，當(dāng)粒子斜越時(shí)，B作用在速度為v的粒子上的力指向 pp面，這就是所謂邊緣聚焦，力的大小和方向由扇塊邊緣形狀決定。只要邊緣形狀選擇恰當(dāng)，即使在加速器其他區(qū)域是軸向散焦的，粒子回旋一圈后，其總的效果仍然可以是軸向聚焦的。

扇形聚焦回旋加速器的粒子回旋頻率不隨粒子能量增加而變化。同固定的高頻頻率始終匹配，因此它又稱為等時(shí)性回旋加速器。

此外，利用扇形墊塊或電流墊補(bǔ)線圈可以將這種加速器的平均磁場(chǎng)在很大范圍內(nèi)墊補(bǔ)成為滿足加速具有不同能量的各種粒子所需的等時(shí)場(chǎng)分布。

自1958年建成世界上第一臺(tái)12MeV質(zhì)子扇形聚焦回旋加速器以來(lái)，這類加速器的建造數(shù)目劇增，許多實(shí)驗(yàn)室相繼把原有的經(jīng)典回旋加速器改建為這類加速器。

扇形聚焦加速器的結(jié)構(gòu)同經(jīng)典回旋加速器的差別是:在磁極表面有扇形墊鐵和圓形調(diào)諧線圈，在兩個(gè)相鄰扇形墊鐵之間的谷中，裝有補(bǔ)償一次諧波的諧波線圈。在中心區(qū)設(shè)有增強(qiáng)磁場(chǎng)的墊補(bǔ)鐵盤或圓形線圈，以利用其隨半徑減弱的桶形磁場(chǎng)獲得軸向聚焦。有些加速器，為了更充分地利用磁極間隙,而將D形電極做成扇形的安置于極面上兩扇形鐵塊之間的谷內(nèi),相應(yīng)于這種D形電極系統(tǒng)將要求其高頻系統(tǒng)為多相的，或者是倍頻的。在加速某些粒子，特別是加速極化離子時(shí)，離子源放在加速器外邊，離子通過(guò)適當(dāng)?shù)碾x子光學(xué)系統(tǒng)注入到加速器中。