Большая Советская Энциклопедия (УС) - БСЭ БСЭ

  Переход к сильнофокусирующим магнитным системам сопряжён с повышением требований к точности изготовления и монтажа магнитов; при длине кольцевого магнита больше 1 км точность монтажа измеряется десятыми и сотыми долями мм. Это обусловлено большой чувствительностью поведения частиц к различным случайным отклонениям магнитного поля, связанной с резонансной раскачкой пучка. Другая особенность ускорителя с сильной фокусировкой — наличие т. н. критической, или переходной, энергии. При энергии частицы меньше критической устойчивая равновесная фаза расположена на восходящей части кривой напряжения (фаза — j0 на рис. 1 ), т.к. с увеличением энергии период уменьшается (как в линейном ускорителе). При энергии частицы больше критической увеличение энергии приводит, напротив, к увеличению периода обращения (как в ускорителе со слабой фокусировкой) и равновесной становится фаза + j0 . Чтобы при прохождении критической энергии не происходили потери пучка, в момент перехода через критическую энергию в систему вводится быстрое смещение фазы колебаний на 2 j0 , так что ускоряемые частицы, которые до критической энергии были сгруппированы вблизи устойчивой фазы — j0 , оказываются в окрестности новой устойчивой фазы + j0 .

  Ускоренный в синхрофазотроне пучок либо используется внутри камеры (наводится на внутреннюю мишень), либо выводится из ускорителя отклоняющим устройством того же типа, что и в системе ввода, но более мощным из-за большой скорости частиц. После этого начинается цикл ускорения. Частота следования циклов ускорения в современных синхрофазотронах составляет 5—30 циклов минуту. В каждом цикле ускоряется 1011 —1012 частиц. В принципе предельная интенсивность определяется ограничивающим влиянием пространственного заряда.

  В связи с тем, что синхрофазотроны на сверхвысокие энергии потребовали бы очень больших размеров и сверхвысокой точности изготовления установки (в частности, магнита), рассматриваются возможности применения сверхпроводящих материалов в электромагнитах ускорителя (что позволяет получить магнитные поля по крайней мере в 3—4 раза выше обычных и во столько же раз сократить размеры установки) и методов автоматического управления параметрами ускорителя (что позволяет ослабить требования к точности его изготовления).

  Синхротрон — циклический резонансный ускоритель электронов, отличающийся от синхрофазотрона тем, что в нём изменяется во времени лишь магнитное поле, а частота ускоряющего электрического поля остаётся неизменной. Т. к. при постоянной частоте обращения радиус орбиты пропорционален скорости частиц (R = u /w), а для электронов уже при энергии порядка 1 Мэв скорость очень близка к скорости света (т. е. очень слабо меняется с ростом энергии), то радиус равновесной орбиты почти не меняется. Поэтому магнит синхротрона (как и магнит синхрофазотрона) имеет вид кольца. Конструктивно как слабо-, так и сильнофокусирующий синхротроны весьма схожи с синхрофазотроном (поэтому синхрофазотрон и называется также протонным синхротроном). Максимально достижимые в синхротроне энергии определяются в первую очередь электромагнитным излучением релятивистских электронов. Электроны, движущиеся по круговым траекториям, испытывают центростремительное ускорение и, согласно законам электродинамики, должны излучать электромагнитные волны (см. Синхротронное излучение ). Излучаемая электроном за 1 оборот энергия равна:

     (8)

(E 0 = m 0 c 2 — энергия покоя частицы, равная для электрона 0,5 Мэв ), т. е. очень быстро растет с увеличением энергии электрона. [В принципе электромагнитное излучение имеет место при движении по окружности любых заряженных частиц, но для тяжёлых частиц (протонов, ядер) E 0 много больше, чем для электронов, так что их излучение при достигнутых в ускорителях энергиях не проявляется.] В больших электронных ускорителях энергия, излучаемая за 1 оборот, становится сравнимой с энергией, набираемой частицей. Получаемая электроном от ускоряющего поля энергия eV 0 jcos0 расходуется частью на увеличение энергии частицы, а частью на излучение. Излучение сказывается и на колебаниях частиц около равновесной орбиты: с одной стороны, излучение, действуя подобно трению, вносит затухание в колебания частиц, с другой — из-за квантового характера излучения (излучение фотонов) торможение происходит не плавно, а как бы щелчками, что вносит дополнительную раскачку колебаний. Вследствие больших потерь на излучение ускоряющая система должна развивать очень большую мощность. Хотя постоянство частоты обращения позволяет применить резонансные системы с фиксированной частотой, тем не менее именно трудности создания ускоряющей системы ограничивают в первую очередь предельно достижимые энергии. К 1976 в синхротронах достигнуты максимальные энергии порядка 5—10 Гэв (см. табл. 2). Существуют проекты синхротронов на 100—150 Гэв. В синхротронах на меньшие энергии (сотни Мэв ) вместо инжекции извне (как в синхрофазотроне) часто применяют бетатронную инжекцию: ускоритель сначала работает как бетатрон (см. ниже), а после достижения электроном релятивистских скоростей (u » c ) включается ускоряющее ВЧ поле и ускоритель переходит на синхротронный режим.

Табл. 2. — Крупнейшие циклические ускорители

Местонахождение Максимальная энергия, Гэв Диаметр установки, м Сечение камеры, см Тип инжектора Энергия инжекции, Мэв Год запуска Синхрофазотроны Дубна (СССР) 10 72 35´120 Линейный ускоритель 9,4 1957 Аргонн (США) 12,7 55 15´82 то же 50 1963 Женева (Швейцария) 28 200 7´15 то же Бустер 50 800 1959 1972 Брукхейвен (США) 33 257 8´17 Линейный ускоритель 200 1960 Серпухов (СССР) 76 472 12´20 « (строится бустер) 100 1967 Батейвия (США) 500 (на 1976) 2000 5´13 Бустер 8000 1972 Синхротроны Дарсбери (Великобритания) 5,2 70 (4—6) ´(11—15) Линейный ускоритель 43 1966 Ереван (СССР) 6,1 69 3´10 то же 50 1967 Гамбург (ФРГ) 7,5 101 (4—7) ´(10—12) « 300-500 1964 Корнелл (США) 12,2 250 2,5´5,5 « 150 1967 Фазотроны Женева (Швейцария) 0,60 5,0 — « — 1957 Дубна (СССР) 0,68 6,0 — « — 1953 Ленинград (СССР) 1,00 6,85 — « — 1968

  Фазотрон (синхроциклотрон, циклотрон с вариацией частоты) — третий основной тип резонансных циклических ускорителей, работающих на принципе автофазировки. В фазотроне магнитное поле постоянно во времени, а частота ускоряющего электрического поля меняется. Из соотношения (3') видно, что для увеличения равновесной энергии частоту следует уменьшать. Фазотрон применяется для ускорения тяжёлых частиц (протонов, дейтронов, a-частиц). Крупнейшие современные фазотроны дают протоны с кинетической энергией до 1000 Мэв. В фазотроне частицы движутся по спиральным траекториям от центра, где расположен ионный источник (газовый разряд), к периферии вакуумной камеры (рис. 8 ). Энергию они приобретают за счёт многократного прохождения ускоряющего зазора. Ускоренные частицы либо используются внутри камеры, либо выводятся наружу с помощью отклоняющих систем. Изменение частоты ускоряющего поля осуществляется с помощью вариатора — конденсатора переменной ёмкости, включенного в резонансный контур. Вследствие того что орбита частицы в фазотроне имеет форму спирали, магнит фазотрона не кольцевой, а сплошной, так что магнитная система весьма громоздка. Именно поэтому при энергиях выше 1 Гэв отдают предпочтение синхрофазотрону, хотя достигаемая в нём интенсивность ускоренного пучка существенно ниже.

  В фазотронах с однородным по азимуту магнитным полем фокусировка по вертикали очень слабая, т.к. n < 1. Для её увеличения иногда применяют дополнительные модуляции магнитного поля по азимуту, т. е. используют знакопеременную фокусировку.