Синхротрон протонный – циклический резонансный ускоритель протонов с изменяющимся во времени магнитным полем и синхронно изменяющейся частотой электрического ускоряющего поля. Протонными синхротронами часто называют и аналогичные по устройству ускорители других тяжелых частиц: антипротонов, атомарных и молекулярных ионов.

В синхротронах (рис. 1) магнитное поле переменное и частицы двигаются по одной и той же замкнутой траектории, многократно проходя прямолинейные промежутки с ускоряющим электрическим полем радиочастотного диапазона. Частицы, увеличивающие свою энергию, удерживаются на фиксированной орбите с помощью нарастающего поля мощных отклоняющих (в том числе и сверхпроводящих) кольцевых магнитов. Для удержания частиц на орбите постоянного радиуса темп нарастания поля синхронизован с темпом нарастания энергии частиц (отсюда происходит название этого типа ускорителя). По достижении максимального магнитного поля ускоренные частицы либо направляются на неподвижную мишень, либо (в коллайдерах) сталкиваются со встречным пучком, после чего цикл ускорения повторяется. В синхротронах есть два типа чередующихся кольцевых магнитов: отклоняющие двухполюсные (дипольные), удерживающие частицы на орбите, и фокусирующие четырёхполюсные (квадрупольные). Последние фокусируют частицы (как линзы свет), собирая их в узкий пучок, циркулирующий в вакуумной камере.

Когда скорость частицы близка к скорости света, соотношение между кинетической энергией частицы Е и радиусом траектории R имеет в системе СИ вид

 (1)

где H – величина напряженности магнитного поля, а q – заряд частицы. Поэтому максимально достижимая энергия частицы пропорциональна радиусу траектории и величине магнитного поля. Сократить размеры установки можно, увеличивая величину поля, а она ограничена эффектом насыщения металла (обычно, железа), используемого в качестве материала сердечника электромагнита. В самых современных ускорителях, в этой связи, используются электромагниты с катушкой из сверхпроводящего материала, работающие при температуре жидкого гелия.

В протонных синхротронах частота ускоряющего напряжения увеличивается синхронно с величиной магнитного поля так, что протоны двигаются по круговой траектории постоянного радиуса. Преимуществом синхротронов является то, что в этих ускорителях магнитное поле создаётся в виде узкой кольцевой дорожки. В1972 г. наибольшая энергия была получена на ускорителе ИФВЭ (Серпухов) - 76 ГэВ. В 1987 г. на протонном синхротроне лаборатории Э. Ферми (США) была получена энергия ~1000 ГэВ.

В 1971 году был построен первый протонный коллайдер, а в 1985 году - протон-антипротонный коллайдер. Основной недостаток ускорителей на встречных пучках малая плотность сталкивающихся частиц по сравнению с ускорителями с неподвижной мишенью.

 

На рис. 1. показан фрагмент кольца протонного синхротрона на энергию 7 ТэВ  в ЦЕРН (г. Женева, Швейцария), который входит в состав установки LHC (Large Hadron Collider). Длина его кольца 26.7 км.

Крупнейшие протонные синхротроны, предназначенные для экспериментов с неподвижной мишенью, приведены в таблице.
Протонные синхротроны для экспериментов с неподвижной мишенью

Ускоритель/Центр, место расположения/Год запуска/Максимальная энергия протонов, ГэВ

PS/ЦЕРН, Женева, Швейцария/1960/28

У-70/ИФВЭ/Протвино, Россия/1967/76

SPS/ЦЕРН, Женева, Швейцария/1976/450

ЦЕРН - Европейский центр ядерных исследований,
ИФВЭ - Институт физики высоких энергий

Синхротронное (магнитотормозное) излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженными частицами, движущимися по искривлённым магнитным полем траекториям с релятивистскими скоростями.

Аналогичное излучение нерелятивистских частиц, движущихся по круговым или спиральным траекториям в магнитном поле, происходящее на гиромагнитной частоте

,

где q — заряд, m — масса покоя частицы, и её первых гармониках называют циклотронным излучением. С увеличением скорости частицы интенсивность высоких гармоник возрастает — это явление может быть интерпретировано как сокращение длины волны излучения вдоль направления движения частицы вследствие эффекта Доплера.

Для релятивистских частиц с энергией

излучение в области высоких гармоник обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости в узком конусе с углом раствора

.

Максимум излучения частицы с энергией E, движущейся в магнитном поле с составляющей Н, перпендикулярной вектору скорости частицы, приходится на частоту:

Гц,

при этом мощность излучения релятивистской частицы с энергией  пропорциональна квадрату энергии при постоянном магнитном поле:

эВ/с.

Поскольку мощность синхротронного излучения частицы сильно зависит от массы, то наибольшее значение такое излучение имеет для лёгких частиц — электронов и позитронов.

В плоскости орбиты электрона излучение поляризовано линейно с Е, лежащим в плоскости орбиты. На некотором угловом расстоянии от этой плоскости наблюдается эллиптическая поляризация, знаки по обе стороны от плоскости орбиты противоположны.

Cинхротронное излучение пучка электронов в магнитном поле приводит к радиационной самополяризации электронов в пучке (Эффект Соколова-Тернова). Это явление используется в технике для создания пучка поляризованных электронов.