Contents
1
Introduction and Historical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1
X-rays and the Electromagnetic Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Sources of X-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2.1
Synchrotron Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.3
Brightness: A Figure of Merit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3.1
Spectral Brightness of a Blackbody Source . . . . . . . .
4
1.3.2
Why Is Spectral Brightness Important? . . . . . . . . . . .
5
1.4
The Synchrotron Radiation Revolution . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.5
Synchrotron Radiation Laboratories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.6
Synchrotron Radiation from Outer Space . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.7
Suggested Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.8
Reference Books and Review Articles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2
The Storage Ring Complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1
How to Accelerate and Steer Charged Particles:
The Lorentz Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2
The Linear Accelerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1
Particle Sources and Bunchers . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2
RF Power and Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3
The Linac and Particle Acceleration . . . . . . . . . . . . . 14
2.3
The Storage Ring: Inside the Shield Walls . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1
Dipole Magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2
Quadrupole Magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.3
Sextupole Magnets (and Beyond) . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.4
Storage Ring Lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.5
Beam Perturbations and Loss Mechanisms . . . . . . . . 19
2.3.6
Describing the Stored Beam: Phase Space
and Emittance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.7
The Diffraction Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.8
Putting Energy Back in: Storage Ring RF Cavities . . 24
xi
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Introduction and Historical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.1
X-rays and the Electromagnetic Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2
Sources of X-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.1
Synchrotron Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Brightness: A Figure of Merit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.3.1
Spectral Brightness of a Blackbody Source . . . . . . . .
4
1.3.2
Why Is Spectral Brightness Important? . . . . . . . . . . .
5
1.4
The Synchrotron Radiation Revolution . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
1.5
Synchrotron Radiation Laboratories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.6
Synchrotron Radiation from Outer Space . . . . . . . . . . . . . . . .
7
1.7
Suggested Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.8
Reference Books and Review Articles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2
The Storage Ring Complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1
How to Accelerate and Steer Charged Particles:
The Lorentz Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2
The Linear Accelerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1
Particle Sources and Bunchers . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2
RF Power and Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.3
The Linac and Particle Acceleration . . . . . . . . . . . . . 14
2.3
The Storage Ring: Inside the Shield Walls . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1
Dipole Magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2
Quadrupole Magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3.3
Sextupole Magnets (and Beyond) . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.4
Storage Ring Lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.5
Beam Perturbations and Loss Mechanisms . . . . . . . . 19
2.3.6
Describing the Stored Beam: Phase Space
and Emittance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.7
The Diffraction Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.8
Putting Energy Back in: Storage Ring RF Cavities . . 24
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