Синхротрон — кольцевой ускоритель заряженных частиц, в котором магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля синхронно меняются с энергией пучка. Частицы много раз проходят по замкнутой орбите, каждый круг получая дополнительную энергию в радиочастотных полостях.
Что делает каждый узел
Инжектор формирует и предварительно ускоряет пучок. Радиочастотные полости сообщают частицам импульс в правильной фазе. Дипольные магниты изгибают траекторию, а квадрупольные фокусируют пучок подобно линзам. Внутри трубы поддерживают сверхвысокий вакуум, чтобы частицы не сталкивались с газом.
По мере роста импульса прежнего магнитного поля уже недостаточно для той же орбиты, поэтому его усиливают согласованно с ускорением. Именно синхронизация отличила такие машины от ранних циклических ускорителей с жёсткими ограничениями энергии.
Два разных назначения
В коллайдере пучки сталкивают друг с другом или с мишенью, а детекторы изучают продукты. CERN использует последовательность синхротронов: каждый подготавливает частицы для следующего ускорителя. Общее устройство комплекса и роль полостей с магнитами объясняет страница How an accelerator works.
В источнике синхротронного света основным продуктом является яркое электромагнитное излучение, возникающее при отклонении быстрых электронов. Специальные вставные устройства заставляют электронный пучок колебаться и формируют интенсивные рентгеновские лучи. Ими исследуют белки, батареи, катализаторы, археологические образцы и материалы без необходимости разрушать весь объект.
Почему частицы не разгоняются просто до «скорости намного выше»
Скорость массивной частицы приближается к скорости света, но не превышает её. Дальнейшая энергия увеличивает прежде всего импульс и релятивистский фактор. Для удержания такого пучка нужны более сильные магниты или больший радиус кольца.
Синхротрон также не следует путать с синхротронным излучением. Первое — машина; второе — излучение ускоренных заряженных частиц, которое встречается и в космосе. Для электронных колец оно полезный инструмент и одновременно причина потерь энергии, а для тяжёлых протонов при той же энергии эффект существенно слабее.
