Подскажите принцип работы "Синхрофазатрона"?

Синхротрон, или ранее - синхрофазотрон – это кольцевой циклический ускоритель заряженных частиц. Частицы в нём движутся по орбите постоянного радиуса за счёт того, что темп нарастания их энергии в ускоряющих промежутках синхронизован со скоростью нарастания магнитного поля на орбите. Синхротрон может «разгонять» и лёгкие заряженные частицы, такие как электроны или позитроны, и тяжёлые, такие как протоны, антипротоны или ионы.

Принцип их действия сформулировали практически одновременно в 1944 г. советский учёный Владимир Иосифович Векслер и годом позже американец Эдвин Маттисон Макмиллан.

В переменном магнитном поле синхротрона частицы движутся, повторяя одну и ту же замкнутую траекторию и много раз проходя прямолинейные промежутки с ускоряющим электрическим полем радиочастотного диапазона. Частицы, постоянно увеличивающие свою энергию, удерживаются на этой траектории нарастающим полем отклоняющих, в том числе сверхпроводящих, кольцевых магнитов.

Чтобы частицы удерживались, темп нарастания поля синхронизован с темпом нарастания энергии частиц. Когда магнитное поле достигнет своего максимума, частицы или отправляются на фиксированный неподвижный объект – мишень, или, как в коллайдерах, сталкиваются со встречным пучком, и затем цикл ускорения повторяется.
Синхротроны имеют два типа чередующихся кольцевых магнитов - отклоняющие двухполюсные, или дипольные и фокусирующие четырёхполюсные, или квадрупольные. Дипольные магниты удерживают частицы на орбите, квадрупольные фокусируют частицы по тому же принципу, как линзы свет, собирая их в узкий пучок, циркулирующий в вакуумной камере.

Когда скорость частицы приближается к световой, отношение кинетической энергии частицы (Е) и радиусом траектории (R) в системе СИ будет выглядеть так:

E = c*q*H*R, где:
H – величина напряженности магнитного поля,
q – заряд частицы.

Соответственно, максимальная энергия частицы пропорциональна радиусу траектории и величине магнитного поля и для уменьшения размеров громоздкой установки нужно увеличивать величину напряжённости магнитного поля. Напряжённость поля, в свою очередь, ограничивается эффектом насыщения металла (обычно это Fe), используемого в сердечнике электромагнита. Поэтому в этом случае стараются используются электромагниты с катушкой из сверхпроводящего материала, работающие при температуре жидкого гелия.

Как я уже писала выше, синхротроны используют как для ускорения тяжелых заряженных частиц, таких, как протоны и ионы, так и для ускорения электронов.
Но в случае разгона именно электронов при высоких энергиях до критических значении возрастает потеря их энергии на излучение при криволинейном движении по орбите (это излучение и называется синхротронным) .

Мощность синхротронного излучения для релятивистской частицы рассчитывается так:

Р. = ∆ Е/ ∆ t ~ 1 / R в квадрате * ((Е / mc2) в четвертой степени) , где:
Р - мощность синхротронного излучения,
m – масса,
Е – энергия,
R - радиус траектории.

Соответственно видно, что в случае, если электроны и протоны с одинаковой энергией движутся по орбитам одного радиуса, то потери энергии на синхротронное излучение электронов будут в (mp/me)4 1013 раз больше таковых у протонов. И именно поэтому на синхротронах пока не удалось ускорить электроны до значений энергий, бoльше, чем 100 ГэВ.

Крупнейшим на сегодня синхротрон находится является синхротрон в США, в Батавии и называется «Теватрон» . С его помощью можно ускорить протоны и антипротоны до энергии 1 ТэВ = 1012 эВ. Радиус круговой орбиты «Теватрона» составляет 1 км.

В 80-х годах прошлого века было разработано несколько проектов коллайдеров с энергией соударения до нескольких десятков ТэВ. Но в силу технических сложностей в настоящий момент
спроектирован только один такой коллайдер, где будут сталкиваться протоны с суммарной энергией соударения 14 ТэВ в системе центра инерции. Он называется “Большой андронный коллайдер” и создается в Европейском центре ядер.