Излучение частиц в ускорителях. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Излучение частиц в ускорителях - излучение эл--магн. волн заряж. частицами в ускорителях. В линейных ускорителях излучение, связанное с ускорением частиц, незначительно, т. к. при прямолинейном движении ускорение частиц невелико. В цнклич. ускорителях из-за искривления траектории магн. полем ускорение частиц (центростремительное) остаётся конечным даже при постоянстве величины скорости в релятивистской области и вызванное им эл--магн. излучение (синхротронное излучение)может существенно сказаться на динамике частиц. Для релятивистских частиц синхротронное излучение обладает характерными особенностями: 1) сильной угл. направленностью излучения - оно сосредоточено в основном в узком конусе с углом раствора порядка g=E/т₀с² (E - полная энергия частицы, т₀ - её масса покоя); 2) наличием интенсивных высш. гармоник - макс, интенсивность приходится на гармонику с частотой в g³ раз больше частоты обращения частицы; 3) сильной зависимостью излучения от энергии частицы - мощность излучения Р пропорц. квадрату энергии при фиксированном магн. поле и четвёртой степени энергии при фиксированном радиусе кривизны орбиты R:

(В - магн. индукция, е - заряд частицы). Из (1) видно, что при данной энергии частицы мощность излучения обратно пропорциональна четвёртой степени массы покоя частицы, поэтому синхротронное излучение практически несущественно в совр. ускорителях для тяжёлых частиц (ионов, протонов) и играет определяющую роль в электронных ускорителях на большие энергии. Соотношение (1) ставит предел техн. возможностям циклич. электронных ускорителей, требуя больших ускоряющих полей для компенсации потерь на излучение: для достижения энергии E_т необходимо выполнение условия

где E_макс - макс. технически достижимое ср. значение ускоряющего электрич. поля. Излучение существенно сказывается на динамике электронов в ускорителях. Благодаря узкой направленности излучения на электрон действует сила отдачи F_рад⁼Р/с, направленная противоположно скорости v (рис.; z - направление вертик. колебаний орбиты). Её составляющая F_|| вдоль ср. траектории частицы вызывает уменьшение энергии продольного движения, к-рое в ускорителе или накопителе компенсируется дополнит. набором энергии от ускоряющей системы (равновесная фаза частицы смещается выше к максимуму напряжения). Составляющая F_^, направленная противоположно скорости поперечных (бетатронных) колебаний, играет роль силы трения и вызывает затухание поперечных колебаний (т. н. радиац. затухание).

Такой простой механизм имеет место для вертик. колебаний. Для радиальных бетатронных колебаний картина осложняется взаимодействием с синхротронными азимутально-радиальными колебаниями, в результате к-рого вносимое радиальной силой отдачи радиац. затухание распределяется между радиальными бетатронными колебаниями и синхротронными колебаниями. При этом в зависимости от параметров магн. системы может даже происходить радиац. раскачка бетатронных или синхротронных колебаний. Чтобы избежать этого, вводят дополнит. связь между колебаниями, перераспределяющую декременты затухания. Благодаря радиац. затуханию, приводящему к сильному сжатию частиц пучка к равновесной орбите, удаётся в накопителях электронов и позитронов накапливать значит. заряд в узкой области вокруг орбиты. Предел сжатию орбит накладывается раскачкой колебаний, обусловленной квантовым характером излучения: потеря энергии электрона на излучение происходит отд. квантами, в случайные моменты времени и в случайном направлении, что эквивалентно нек-рой "шумовой раскачке" колебат. системы случайными силами. Взаимодействием этих противоборствующих тенденций - радиац. затухания и квантовой раскачки - и определяется стационарное значение амплитуд колебаний частиц в пучке. Синхротронное излучение имеет само по себе большое прикладное значение. Расширяется применение синхротронов в качестве генераторов синхротронного излучения, обладающих рядом преимуществ перед др. существующими источниками (высокая интенсивность, коллимированность, поляризация, лёгкость управления и т. д.).

Литература по излучению частиц в ускорителях

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.