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電子同步加速器

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在一定的環形軌道上用固定頻率的高頻電場加速電子的裝置。

1概述

這種加速器是根據1944到1945年間Β.И.韋克斯勒和E.M.麥克米倫各自獨立發現的粒子自動穩相原理(見同步回旋加速器)發展起來的。1947年美國建成第一台,隨後各國陸續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於弱聚焦型。1952年強聚焦原理受到重視,從此以後建造的高能(能量高於1GeV)電子同步加速器一般都採用強聚焦原理。
下圖是電子同步加速器的示意圖。整個磁鐵系統是由許多塊C形磁鐵節組成的環形結構,用以產生控制電子運動軌道的磁場。在磁鐵氣隙中放置著環形真空盒,盒內裝有諧振腔或加速電極,由高頻發生器激勵產生固定頻率的高頻電場,用來加速電子。大型電子同步加速器的磁鐵系統一般分成幾個圓弧段,圓弧段之間用直線段相連接;在直線段里放置加速設備、注入設備和引出設備等。
在電子同步加速器中,電子軌道的曲率半徑為式中ε(t)是電子的總能量,Bo(t)是電子軌道上的磁感應強度,e是電子的電荷。由此可見,要使電子軌道半徑ro保持恆定,在電子能量ε(t)隨時間增加時,軌道磁感應強度Bo(t)必須同步地增長。由於電子的靜止質量很小,在能量不很大(約2MeV以上)時,速度就已接近光速;能量再提高時,其速度變化很小(質量增加了)。因而,這些電子在恆定軌道上迴轉的周期To基本上不變;即式中v是電子的速度,с是光速。所以在電子同步加速器中,高頻加速電場的頻率不必調變,可以是恆定值;只要與電子在平衡軌道上的迴轉頻率相同或成整數倍,就能保證諧振加速。
為了使進入同步加速器的電子的初速度接近於光速,一般採用感應加速器啟動方式或注入器方式。前一種方法,是在軌道內側磁軛上設置特殊的磁通棒起動時,先按電子感應加速器原理工作;當電子速度接近光速時,改變加速方法,開始加上高頻加速電壓,使其過渡到同步加速狀態。后一種方法,是利用高壓型電子加速器或低能電子直線加速器,把電子預加速到一定能量后注入到同步加速器里;一般在高能電子同步加速器上採用這種方法。
電子同步加速器的工作狀態是脈衝式的。當軌道磁感應強度增長到最大值時,被加速電子的能量也達到最大值,這時加速過程結束。以後軌道磁感應強度下降,恢復到初始值,然後進行下一個加速脈衝。因此射線輸出也是脈衝式的,重複頻率決定於磁場變化的周期,一般為每秒10~60脈衝。
當電子作圓周運動時,由於一直受到向心力作用,會產生電磁輻射。這種電磁輻射對高能同步加速器來說是進一步提高能量的主要障礙之一。但是,當電子速度接近光速時,由於相對論效應,其輻射的角分佈集中於電子軌道的切線方向,而且具有極其優越的光源特性。這種現象是40年代在電子同步加速器上發現的,通常稱為同步加速器輻射,簡稱同步輻射或同步光。
目前,幾乎所有已建成的高能電子同步加速器,都兼起產生同步輻射的作用,有的已改成專為產生同步輻射的電子儲存環。這種裝置有的叫做光子工廠。

2同步輻射優點:

①具有從紅外線到硬X射線廣泛範圍內的光滑連續譜。如使用單色器,可獲得一定波長的單色光。
②輻射強度高,一個儲存環的輻射總功率常在數千瓦以上。
③天然准直性好,其發散度一般小於1毫弧度。
④輻射亮度高,一般比X射線轉靶的標識輻射亮度高10倍,比連續軔致輻射亮度高10倍。
⑤具有天然的偏振性。在軌道平面上是完全偏振光,其電矢量平行於軌道平面。
⑥潔凈度很高。因同步輻射是自由電子發光的,不產生其他粒子本底。
⑦可實現脈衝化,脈寬可達 0.01~1納秒或更短。
⑧光通量、能量分佈及偏振度等均可準確計算,並和實驗值很好地相符合,因此可做為標準光源。
電子同步加速器多用於光核反應和介子物理等方面的研究。同步輻射裝置作為性能良好的新型光源,在原子、分子物理、固體物理、表面物理、天體物理、化學、生物學、醫學、環境科學、能源科學、材料科學、光刻技術、顯微技術和光學標準計量等等許多科學技術領域裡,得到越來越廣泛的應用。

3參考書目

徐建銘編著:《加速器原理》,修訂版,科學出版社,北京,1981。  M. S. Livingston and J. P. Blewett, particle Accelerators,McGraw-Hill, New York, 1962.  熊谷寬夫等著:《加速器》,共立出版,東京,1975。

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