[科普中國]-電子同步加速器

概述

電子同步加速器是根據1944到1945年間Β.И.韋克斯勒和E.M.麥克米倫各自獨立發(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。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。

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(huán)。這種裝置有的叫做光子工廠。2

結構電子同步加速器用C形磁鐵組成環(huán)形結構， 其間產生控制電子運動軌道的磁場。環(huán)形真空盒放置在各磁鐵的空隙中，盒內裝有加速電極或諧振腔，高頻電源產生固定頻率的高頻電場， 通過加速電極或諧振腔加速電子。因電子靜質量很小，在能量大于2兆電子伏時，其運動速度就接近光速，隨著能量提高，速度變化很小，電子在磁場內作圓周運動，其軌道半徑及周期基本不變。因此，高頻電源的頻率可保持不變。 一般先用直線加速器或高壓加速器加速電子， 使其達到一定速度后再注入同步加速器。大型電子同步加速器常采用多個環(huán)形軌道組合，各環(huán)之間用直線軌道連接。

運行原理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保持恒定，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。由于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?。ㄙ|量增加了）。因而,這些電子在恒定軌道上回轉的周期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，可以是恒定值；只要與電子在平衡軌道上的回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于光速，一般采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(tài)。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采用這種方法。

電子同步加速器的工作狀態(tài)是脈沖式的。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。以后軌道磁感應強度下降,恢復到初始值，然后進行下一個加速脈沖。因此射線輸出也是脈沖式的，重復頻率決定于磁場變化的周期，一般為每秒10～60脈沖。

當電子作圓周運動時,由于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，由于相對論效應，其輻射的角分布集中于電子軌道的切線方向，而且具有極其優(yōu)越的光源特性。這種現(xiàn)象是40年代在電子同步加速器上發(fā)現(xiàn)的，通常稱為同步加速器輻射，簡稱同步輻射或同步光。

應用電子同步加速器主要用于研究光核反應和介子物理等。在40年代就發(fā)現(xiàn)，當電子同步加速器中的高能電子速度接近光速時，因相對論效應會產生光輻射——同步輻射。目前幾乎所有的電子同步加速器都兼有同步輻射作用。有的專門用于產生同步輻射，有的國家還建造產生光輻射的“光子工廠”。同步輻射是連續(xù)光譜，輻射強度高、準直性好、亮度大，且是天然偏振光，在輻射過程中不產生其他粒子，可實現(xiàn)脈沖發(fā)射以及可準確計算光能量，因此是一種理想的標準光源，在原子物理學、表面物理學、分子物理學、化學、生物學、醫(yī)學及光學標準計量等方面有廣泛的應用。

優(yōu)點①具有從紅外線到硬X射線廣泛范圍內的光滑連續(xù)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(huán)的輻射總功率常在數千瓦以上。

③天然準直性好，其發(fā)散度一般小于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(xù)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，其電矢量平行于軌道平面。

⑥潔凈度很高。因同步輻射是自由電子發(fā)光的，不產生其他粒子本底。

⑦可實現(xiàn)脈沖化，脈寬可達 0.01～1納秒或更短。

⑧光通量、能量分布及偏振度等均可準確計算，并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于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(yī)學、環(huán)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里，得到越來越廣泛的應用。2