电子回旋加速器

当带电粒子(通常是电子)垂直注入均匀的恒磁场绕磁力线作圆周运动时,即使粒子的速率恒定,它也具有向心加速度，从而产生电磁辐射。由非相对论性(vc)低能电子发射的，叫回旋加速器辐射，由相对论性(v≈c)高能电子发射的，叫同步加速器辐射。它们首先是在回旋加速器和同步加速器中被观察到的，因而得名。有的文献中将两者统称回旋加速器辐射，苏联文献中常称为磁轫致辐射。

此两种辐射的偏振状态相似，都在垂直于磁场的方向上线偏振，在沿磁场的方向上圆偏振，在斜方向上一般是椭圆偏振(见光的偏振)。

两种辐射的频谱和角分布的特点有很大不同。回旋加速器辐射的谱是由拉莫尔角频率Ω0,及其谐频组成的分立谱(e和m0分别是电子的电荷和静止质量,B为磁感应强度，с为光速)。能量主要集中在基频,谐频成分极弱;辐射的方向性不强。相对论性电子的能量为γm0с2, 其中v是电子速度。 由于相对论效应,随着电子能量的增大，电子的质量m=m0γ增大，拉莫尔角频率的数值减小，并因电子速度上的差异而有所分散，从而使回旋加速器辐射的谱线间隔减小，线宽加大。在极端相对论性条件下，辐射谱变为连续的，这便是同步加速器辐射。与回旋加速器辐射相比，同步加速器辐射具有以下一些不同的特征:

① 存在一个临界角频率(R为粒子轨道半径),在其附近能谱有极大值。ωωc时,辐射功率谱正比于ω时;ωωc时，正比于

(ω/ωc)┩exp(-ω/ωc)。

随着γ 的增大，能谱的极大值向更高级的谐频转移。

② 对于给定的磁场，总辐射功率正比于γ2;对于给定轨道半径，它正比于γ4，即总辐射功率随粒子能量的增大而急剧增强。

③ 辐射的方向性极强，它像探照灯似地分布在以粒子运动方向为轴的极窄角锥内,锥的半角宽度θ~1/γ(见图)。 电子回旋运动产生电磁辐射的最早理论研究要追溯到20世纪初，G.A.肖脱于1912年计算了经典原子模型的辐射。40年代,Д.Д.伊万年科和И.Я.坡密朗丘克以及J.S.施温格曾考虑了这类辐射对设计圆形粒子加速器的重要性。尔后朱洪元(1948)和施温格(1949)发展了有关回旋加速器辐射的理论，这些理论公式已列入标准的教科书。理论计算表明，同步加速器中带电粒子能量U因辐射而产生的损耗率为q为电荷。此式表明,随U的增加极快。此外,对于质量小的电子,这种辐射消耗特别严重(∞m0-4)。这种辐射是高能圆形轨道加速器中最主要的能量损失机制。为了减少它，通常要采用很大的半径R。

同步加速器辐射为人们提供了一种高度准直并可连续调谐的强光光源。特别是在真空紫外和X射线波段,尚无可用的激光器与之匹敌。50年代同步加速器辐射已被广泛研究,60年代前期，美国国家标准局(NBS)的K.科德林、R.P.马登和他们的合作者开始把180MeV的同步加速器当作辐射源用于原子光谱的研究。近年来美国、苏联、日本和西欧许多国家都开展了这方面的工作，用同步加速器或储存环发出的同步加速器辐射来进行光化学、生物学、固体及其表面、材料学、光子散射、非线性光学、X射线全息、X射线显微学、X 射线光刻等多方面的探索和研究。这方面的研究以前多借助于粒子物理学的装置，近年来一批专用的设备正在设计或制造中。

同步加速器辐射是天体物理学中一种重要辐射机制。目前普遍认为，很多具有幂律谱和偏振的非热宇宙射电辐射来源于高能粒子的同步加速器辐射。这类射电源中最著名的例子是为中国《宋史》记载的蟹状星云中心1054年爆发的超新星遗迹。

参考书目

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分离扇回旋加速器的工作原理与扇形聚焦回旋加速器相同,图2是一个四扇直边分离扇回旋加速器的示意图。分开的扇形磁铁对称地沿环形安装。磁铁之间为无场区域，称之为谷区域。 固定频率的大功率高频腔可安装在这些区域中,使得粒子获得较高的能量增益。一般高频腔的峰值电压为250kV，因此粒子轨道的圈间距增大,便于注入和单圈引出,从而使束流品质提高。在加速器的中心区域,由于有较大的空间，可以安装有较大偏转能力的磁元件。磁铁之间气隙也较小，容易获得较高的磁场强度。如果在极面上安装有若干对垫补电流线圈，通过调整电流能得到加速不同能量的各种粒子所需的等时场。 这种加速器在若干加速器构成的组合系统中，可作为较理想的主加速器。特别是对重离子加速器系统，如果用圆形加速器作为主加速器的话，一般是分离扇回旋加速器。

这种加速器一般都需要有一个小型加速器作为它的注入器，很少单独使用。

螺旋线型回旋加速器的磁铁如图1所示，它的磁极面由一块块等厚的边缘为螺旋线形的垫铁安装而成，平均磁场随半径增加，而轴向聚焦力则由扇形磁极所产生的方位角变化磁场提供。这类加速器的主平面为pp。在此面上的磁场强度用B表示，由于粒子的运动轨道不再是一个圆，在磁铁扇块边缘上，当粒子斜越时，B作用在速度为v的粒子上的力指向 pp面，这就是所谓边缘聚焦，力的大小和方向由扇块边缘形状决定。只要边缘形状选择恰当，即使在加速器其他区域是轴向散焦的，粒子回旋一圈后，其总的效果仍然可以是轴向聚焦的。

扇形聚焦回旋加速器的粒子回旋频率不随粒子能量增加而变化。同固定的高频频率始终匹配，因此它又称为等时性回旋加速器。

此外，利用扇形垫块或电流垫补线圈可以将这种加速器的平均磁场在很大范围内垫补成为满足加速具有不同能量的各种粒子所需的等时场分布。

自1958年建成世界上第一台12MeV质子扇形聚焦回旋加速器以来，这类加速器的建造数目剧增，许多实验室相继把原有的经典回旋加速器改建为这类加速器。

扇形聚焦加速器的结构同经典回旋加速器的差别是:在磁极表面有扇形垫铁和圆形调谐线圈，在两个相邻扇形垫铁之间的谷中，装有补偿一次谐波的谐波线圈。在中心区设有增强磁场的垫补铁盘或圆形线圈，以利用其随半径减弱的桶形磁场获得轴向聚焦。有些加速器，为了更充分地利用磁极间隙,而将D形电极做成扇形的安置于极面上两扇形铁块之间的谷内,相应于这种D形电极系统将要求其高频系统为多相的，或者是倍频的。在加速某些粒子，特别是加速极化离子时，离子源放在加速器外边，离子通过适当的离子光学系统注入到加速器中。