電子同步加速器

同步加速器中加速電子的電磁輻射在很寬的波段內(nèi)產(chǎn)生強的連續(xù)譜。伊萬諾科和波梅蘭丘克以及施溫格爾發(fā)展了這種同步加速器輻射的理論。這種輻射沿電子軌道的切線方向射出，其角發(fā)散等于電子剩余能量與它的總能量E之比。例如，在100MeV時，光束的寬度大約是2°。輻射功率與E成正比。當(dāng)電子能量增加時，最大值向短波方向位移。同步加速輻射是部分偏振的(偏振度接近85%)，電矢量位于電子軌道平面內(nèi)。按相對單位或絕對單位都可計算同步加速器的輻射。

一種利用一定的環(huán)形軌道上用高頻電場加速電子或離子的環(huán)形加速器裝置。同步加速器中磁場強度隨被加速粒子能量的增加而增加，從而保持粒子回旋頻率與高頻加速電場同步。

同步加速器是根據(jù)1944到1945年間Β.И.韋克斯勒和E.M.麥克米倫各自獨立發(fā)現(xiàn)的粒子自動穩(wěn)相原理(見同步回旋加速器)發(fā)展起來的。1947年美國建成第一臺，隨后各國陸續(xù)建造了能量為幾十至幾百兆電子伏的電子同步加速器。初期建造的電子同步加速器都屬于弱聚焦型。

現(xiàn)代同步加速器都采用強聚焦。1952年強聚焦原理受到重視，從此以后建造的高能(能量高于1GeV)電子同步加速器一般都采用強聚焦原理。

同步輻射裝置的儲存環(huán)和增強器皆采用電子同步輻射加速器原理。

當(dāng)帶電粒子(通常是電子)垂直注入均勻的恒磁場繞磁力線作圓周運動時,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。由非相對論性(vc)低能電子發(fā)射的，叫回旋加速器輻射，由相對論性(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。有的文獻中將兩者統(tǒng)稱回旋加速器輻射，蘇聯(lián)文獻中常稱為磁軔致輻射。

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

兩種輻射的頻譜和角分布的特點有很大不同。回旋加速器輻射的譜是由拉莫爾角頻率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。相對論性電子的能量為γm0с2, 其中v是電子速度。 由于相對論效應(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,輻射功率譜正比于ω時;ωωc時，正比于

(ω/ωc)┩exp(-ω/ωc)。

隨著γ 的增大，能譜的極大值向更高級的諧頻轉(zhuǎn)移。

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

③ 輻射的方向性極強，它像探照燈似地分布在以粒子運動方向為軸的極窄角錐內(nèi),錐的半角寬度θ~1/γ(見圖)。 電子回旋運動產(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年計算了經(jīng)典原子模型的輻射。40年代,Д.Д.伊萬年科和И.Я.坡密朗丘克以及J.S.施溫格曾考慮了這類輻射對設(shè)計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。理論計算表明，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)諧的強光光源。特別是在真空紫外和X射線波段,尚無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，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)的K.科德林、R.P.馬登和他們的合作者開始把180MeV的同步加速器當(dāng)作輻射源用于原子光譜的研究。近年來美國、蘇聯(lián)、日本和西歐許多國家都開展了這方面的工作，用同步加速器或儲存環(huán)發(fā)出的同步加速器輻射來進行光化學(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，近年來一批專用的設(shè)備正在設(shè)計或制造中。

同步加速器輻射是天體物理學(xué)中一種重要輻射機制。目前普遍認為，很多具有冪律譜和偏振的非熱宇宙射電輻射來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《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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