Линейный ускоритель с рекуперацией энергии (ERL) — это тип линейного ускорителя частиц , который обеспечивает пучок электронов, используемый для получения рентгеновских лучей с помощью синхротронного излучения . [1] Впервые предложенная в 1965 году [2], идея привлекла интерес с начала 2000-х годов. [3]
Полезность рентгеновского пучка для научных экспериментов зависит от спектральной яркости пучка , которая показывает, сколько мощности данной длины волны сконцентрировано в точке. В большинстве научных работ по источникам рентгеновского излучения используется тесно связанный термин, называемый яркостью , который учитывает скорость производства фотонов, а не их мощность. Энергия фотона обратно пропорциональна длине волны фотона.
Очень высокая мощность обычно достигается путем подачи энергии короткими импульсами, что позволяет устройству работать в пределах разумных требований к мощности и охлаждению. В зависимости от длительности импульса и частоты повторения средняя спектральная яркость будет намного ниже пиковой спектральной яркости. Пиковая спектральная яркость и средняя спектральная яркость являются важными свойствами рентгеновского пучка. Для некоторых экспериментов пиковое значение является наиболее важным, но для других экспериментов наиболее важным является среднее значение.
Как источник синхротронного света, производительность линейного ускорителя с рекуперацией энергии находится между накопительным кольцом и лазером на свободных электронах (ЛСЭ). Линейные ускорители с рекуперацией энергии имеют высокую частоту повторения и, следовательно, высокую среднюю спектральную яркость, но более низкую пиковую спектральную яркость, чем ЛСЭ. [4]
При использовании рециркулирующего пучка заряженных частиц с магнитной решеткой, напоминающей накопительное кольцо , каждая частица проходит через рециркулирующую дугу, прежде чем замедлиться в структуре линейного ускорителя . Та же структура линейного ускорителя также ускоряет новые частицы с низкой энергией, которые непрерывно инжектируются в линейный ускоритель. Таким образом, вместо непрерывной рециркуляции пучка частиц, в то время как его эмиттанс увеличивается за счет испускания синхротронного излучения , рециркулируется только его кинетическая энергия, что обеспечивает низкий эмиттанс пучка при сохранении высоких частот повторения, сопоставимых с синхротронами .
BNL-ERL нацелен на 500 мА при 20 МэВ. В настоящее время он вводится в эксплуатацию в отделении ускорителей коллайдеров в Брукхейвенской национальной лаборатории. Одной из главных особенностей этого ERL является сверхпроводящая лазерная фотокатодная ВЧ-пушка, работающая от 1 МВт непрерывного клистрона и оснащенная системой блокировки нагрузки для вставки фотокатодов с высокой квантовой эффективностью. Эта ERF-пушка будет обеспечивать высокояркие электронные пучки при беспрецедентной средней мощности. Цель этого ERL — служить платформой для НИОКР в области высокоточного ERL. В частности, это касается генерации и управления гало, проблем с модами более высокого порядка, когерентных излучений для пучка и высокой яркости, генерации и сохранения мощного пучка. После его завершения мы планируем использовать его для различных приложений, таких как генерация терагерцового излучения и рентгеновских лучей высокой мощности посредством комптоновского рассеяния лазерного света на его электронном пучке. [5]
Корнелльский университет в сотрудничестве с Брукхейвенской национальной лабораторией находятся в процессе создания CBETA [6] [7] — ускорительного ускорителя, построенного с использованием оптики FFAG и сверхпроводящих радиочастотных резонаторов, способного генерировать до 100 мА непрерывного электронного пучка с энергией до 150 МэВ в рамках исследовательской программы для будущего электрон-ионного коллайдера .
Недавнее исследование предлагает усовершенствовать Большой адронный коллайдер ( БАК ) ЦЕРНа , крупнейший из существующих в настоящее время ускорителей (2013 г.), добавив к большому накопительному кольцу БАК тангенциальную конструкцию из двух линейных ускорителей рекуперации электронной энергии, каждый длиной 1008 м, что даст возможность получать не только столкновения адронов с адронами, но и, например, столкновения адронов с электронами, и таким образом усовершенствовать БАК до своего рода « БАК ».
За это предложение, выдвинутое специальным комитетом физиков ЦЕРНа, М. Кляйн (Ливерпульский университет) по предложению Института физики Великобритании получил в 2013 году совместную премию Макса Борна Британского и Немецкого физических обществ . [8] [9]