|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Синхротронное излучение |
 | |
Анимация
Описание
Синхротронное (магнитотормозное) излучение - это излучение электромагнитных волн заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями в однородном магнитном поле. Синхротронное излучение обусловлено ускорением, связанным с искривлением траекторий частиц в магнитном поле. Аналогичное излучение нерелятивистских частиц, движущихся по круговым или спиральным траекториям, называется циклотронным излучением; оно происходит на основной гиромагнитной частоте и ее первых гармониках. С увеличением скорости частицы роль высоких гармоник возрастает; при приближении к релятивистскому пределу излучение в области наиболее интенсивных высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора:
,
где m и e - масса и энергия частицы.
Полная мощность излучения частицы с энергией 
равна:
,
где е - заряд частицы;
- напряженность составляющей магнитного поля, перпендикулярной скорости частицы.
Сильная зависимость излучаемой мощности от массы частицы делает синхротронное излучение существенным для легких частиц - электронов и позитронов. Спектральное (по частоте n) распределение излучаемой мощности определяется выражением:
,
где 
;
К5/3(h) - цилиндрическая функция второго рода мнимого аргумента.
График функции 
, т.е. обезразмеренного спектрального распределения, представлен на рис. 1.
Обезразмеренное спектральное распределение синхротронного излучения
Рис. 1
x - безразмерная частота, нормированная на синхротронную.
Характерная частота, на которую приходится максимум в спектре излучения частицы, равна (в Гц):
.
Излучение отдельной частицы в общем случае эллиптически поляризовано с большой осью эллипса поляризации, расположенной перпендикулярно видимой проекции магнитного поля. Степень эллиптичности и направление вращения вектора напряженности электрического поля зависят от направления наблюдения по отношению к конусу, описываемому вектором скорости частицы вокруг направления магнитного поля. Для направлений наблюдения, лежащих на этом конусе, поляризация линейная.
Ключевые слова
Разделы наук
Элементарные частицы, их рассеяние, реакции, космические потоки
Магнитное поле
Электрические токи в вакууме, газах и плазме
Релятивистская механика
Применение эффекта
Впервые синхротронное излучение наблюдалось в циклических ускорителях электронов (в синхротроне, поэтому и получило название "Синхротронный излучатель"). Потери энергии на синхротронном излучателе, а также связанные с синхротронным излучением квантовые эффекты в движении частиц необходимо учитывать при конструировании циклических ускорителей электронов высокой энергии. Синхротронный излучатель циклических ускорителей электронов используется для получения интенсивных пучков поляризованного электромагнитного излучения в ультрофиолетовой области спектра и в области "мягкого" рентгеновского излучения; пучки рентгеновского синхротронного излучения применяется, в частности, в рентгеновском структурном анализе.
Большой интерес представляет синхротронное излучение космических объектов, в частности, нетепловой радиофон Галактики, нетепловое радио- и оптическое излучение дискретных источников (сверхновых звезд, пульсаров, квазаров, радиогалактик). Синхротронная природа этих излучений подтверждается особенностями их спектра и поляризации. Согласно современным представлениям, релятивистские электроны, входящие в состав космических лучей, дают синхротронное излучение в космических магнитных полях в радио-оптическом, а возможно, и в рентгеновском диапазонах. Измерение спектральной интенсивности и поляризации космического синхротронного излучения позволяют получить информацию о концентрации и энергетическом спектре релятивистских электронов, величине и направлении магнитных полей в удаленных частях Вселенной.
Пример. Синхротрон электронный.
Синхротрон электронный - кольцевой резонансный ускоритель электронов (позитронов) на энергии от нескольких МэВ до десятков ГэВ, в котором частота ускоряющего электрического поля не меняется, ведущее магнитное поле увеличивается во времени и равновесная орбита не меняется в процессе ускорительного цикла. Обычно электроны уже при инжекции являются ультрарелятивистскими; если же ускорение начинается с энергий Ј 5 - 7 МэВ, то в начале ускорительного цикла применяется бетатронный режим ускорения (см. Бетатрон).
Траектории ускоряемых в синхротроне электронов (позитронов) заполняют кольцевую область в вакуумной камере ускорителя. Обращаясь в ней, частицы многократно возвращаются к одним и тем же ускоряющим промежуткам, на которые подано переменное напряжение с частотой, в целое число раз q (qі1) превосходящее частоту обращения частиц по так называемой равновесной орбите. Число q называют кратностью ускорения. При каждом прохождении через промежуток фаза идеальной (равновесной) частицы остается неизменной, но фаза реальных частиц немного изменяется, колеблясь около равновесного (синхронного) значения. При ускорении пучок частиц разбивается на сгустки - банчи, заполняющие некоторую область около синхронных значений фазы. Максимальное число сгустков на орбите равно q.
Траектория частиц в электронном синхротроне изгибается с помощью дипольных магнитов, создающих ведущее (поворотное) магнитное поле. Для фокусировки частиц в современных электронных синхротронах обычно используются поля с большим градиентом магнитной индукции (жесткая, или сильная фокусировка). Изгибающие и фокусирующие функции магнитного поля могут совмещаться (магниты с совмещенными функциями) или разделяться (магнитная система с разделенными функциями). В последнем случае поворотные магниты (изгибающие траекторию частиц) создают однородные поля. Магнитная индукция в поворотных магнитах (и ее производная в магнитных линзах) в течении ускорительного цикла непрерывно возрастает (чаще всего во много раз) в соответствии с ростом импульса ускоряемых частиц.
На криволинейных участках траектории пучки электронов (позитронов) испускают синхротронное излучение, мгновенная мощность которого в расчете на один электрон определяется формулой:
, (1)
где е - заряд частиц;
g - ее лоренц - фактор (отношение полной энергии частицы к ее энергии покоя);
R(s) - радиус кривизны траектории на участке с координатой s.
Мощность, рассеиваемая за оборот, пропорциональна 
. При больших энергиях частиц потери на излучение могут составлять несколько МэВ на оборот. Чтобы уменьшить потери, приходится увеличивать размеры электронного синхротрона, что сопряжено с увеличением стоимости их строительства. Размеры реальных электронных синхротронов (иногда до км) определяются разумным компромиссом между эксплуатационными (гл. образом электроэнергии) и капитальными затратами. Потери на излучение приходится компенсировать, поэтому процесс ускорения электронов выгодно вести быстро, за сравнительно небольшое число оборотов (быстроциклические электронные синхротроны). Пиковая мощность ускоряющей высокочастотной системы электронного синхротрона на энергии в десятки ГэВ может достигать ~1 МВт.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Эффект реализуется в мощных ускорителях заряженных частиц - синхротронах и циклотронах.
Литература
1. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.
2. Новый политехнический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |