ЛПДС — линейно-параболический депозитный синхротрон¶
ЛПДС (линейно-параболический депозитный синхротрон) — тип ускорителя элементарных частиц, сочетающий линейный ускоритель (линейник) в качестве инжектора и кольцевой депозитный синхротрон для накопления и разгона пучков электронов. Термин широко используется в российской физике высоких энергий для обозначения класса электронных ускорителей, разработанных в СССР и России, в частности на Новосибирском физико-техническом институте (НФТИ) и в Институте физики высоких энергий (ИФВЭ).
¶Общие сведения
ЛПДС относится к классу электронных синхротронов. Его основная задача — производство интенсивных пучков электронов с высокой энергией для фундаментальных физических исследований, а также для получения синхротронного излучения. В отличие от классических синхротронов, в которых разгон начинается с малых энергий, в ЛПДС электронный пучок предварительно разгоняется в линейном ускорителе до энергии, близкой к рабочей, после чего он «впрыскивается» в кольцевую магнитную систему — депозитор. Это позволяет существенно упростить систему управления магнитными полями и уменьшить потери пучка на ранних стадиях разгона.
¶Принцип работы
Рабочий цикл ЛПДС состоит из нескольких последовательных этапов:
- Генерация электронов. Электроны выделяются из катода электронной пушки под действием сильного электрического поля.
- Линейный разгон. Пучок проходит через линейный ускоритель, где в СВЧ-поле набирает энергию, как правило, от десятков до сотен МэВ.
- Впрыск в депозитор. С помощью системы переключающих магнитов (магнитных «захватов») пучок вводится в замкнутое кольцо депозитного синхротрона.
- Накопление и разгон. В кольце под действием вращающегося магнитного поля и СВЧ-резонаторов электроны разгоняются до рабочей энергии, одновременно накапливаясь в пучке — так называемый режим накопления (депонирования).
- Использование пучка. Накопленный пучок либо используется для столкновений в экспериментальных установках, либо направляется на излучательные устройства для получения синхротронного излучения.
¶История
Идея линейно-параболического депозитного синхротрона была разработана в конце 1950-х — начале 1960-х годов в Советском Союзе. Основоположником направления считается академик Г. И. Будкер, возглавлявший Институт ядерной физики Сибирского отделения АН СССР (ныне Институт физики высоких энергий и элементарных частиц, Новосибирск). Первый в мире электронный синхротрон подобного типа — Новосибирский электронный синхротрон (Сибирь-1) — был запущен в Новосибирске в 1963 году. Его энергия составляла 150 МэВ.
В 1967 году в Новосибирске был запущен более мощный синхротрон «Сибирь-2» с энергией электронов до 2,5 ГэВ, также работавший по схеме ЛПДС. На этих установках были получены важные результаты по физике электрон-позитронных столкновений и синхротронному излучению. Впоследствии схема ЛПДС была реализована на ряде других ускорителей в СССР и за рубежом.
¶Конструктивные особенности
Основные элементы ЛПДС:
- Электронная пушка — источник электронов.
- Линейный ускоритель (линейник) — дает электронам начальную энергию.
- Депозитор (кольцевая магнитная система) — набор дипольных магнитов, формирующих замкнутое орбитальное движение.
- СВЧ-ускоряющие резонаторы — компенсируют потери энергии и разгоняют пучок.
- Инжекционная система — магнитные переключатели, обеспечивающие ввод пучка из линейника в кольцо.
- Система вакуума — поддержание высокого вакуума в канале движения пучка.
Термин «параболический» в названии отражает формулу изменения магнитного поля депозитора по времени: при разгоне пучка синхротронного типа индукция магнитного поля должна расти пропорционально энергии. В ЛПДС, поскольку энергия задается линейным ускорителем и почти не меняется в кольце, зависимость упрощается, что и упрощает конструкцию магнитной системы.
¶Применение
ЛПДС-схема применяется в ускорителях, предназначенных для:
- изучения фундаментальных свойств элементарных частиц (электронно-позитронные столкновения);
- генерации интенсивного синхротронного излучения для исследований в физике конденсированного состояния, биологии, химии, материаловедения;
- проверки теорий квантовой электродинамики и других разделов физики высоких энергий.
В России по схеме ЛПДС работали и работают установки в Новосибирске (ИЯФ СО РАН), а также ряд ускорителей в других научных центрах.
¶Значение
ЛПДС сыграл важную роль в развитии отечественной и мировой физики высоких энергий. Новосибирские электронные синхротроны, построенные по схеме Будкера, позволили СССР выйти на передовые позиции в области электронно-позитронной физики и синхротронного излучения. Схема ЛПДС оказалась настолько удачной, что её элементы были заимствованы при проектировании более поздних ускорительных комплексов, включая коллайдеры.
¶Источники
- Будкер Г. И. «Эксперимент с накопительными пучками» — доклад на Международной конференции по ускорителям, Дубна, 1963.
- Балашов Н. С., Башаров Б. А. и др. «Новосибирский электронный синхротрон» — Известия СО АН СССР, 1965.
- Справочник «Ускорители элементарных частиц», под ред. А. А. Коломенского — М.: Атомиздат.
- Материалы Института ядерной физики СО РАН (novosib.ru).