Физический энциклопедический словарь - табл. 1.

В синхрофазотроне со слабой фокусировкой магн. система представляет собой кольцевой электромагнит, обычно разбитый на неск. секторов с промежутками между ними. В процессе ускорения за счёт изменения тока в обмотках электромагнита магн. поле между его полюсами увеличивается от значения, соответствующего энергии инжекции, до макс. значения, соответствующего конечной энергии. Форма полюсов магнита подбирается так, чтобы обеспечить слабое спадание поля по радиусу в соответствии с условием (5). Ч-цы ускоряются в вакуумной камере, представляющей собой замкнутую трубу, охватывающую область вокруг равновесной орбиты. Промежутки между магн. секторами используются для размещения системы ввода ч-ц, ускоряющих устройств, вакуумных насосов, систем наблюдения за пучком и др. Ввод ч-ц производится обычно импульсным отклоняющим устройством, электрич. или магн. поле к-рого направляет впускаемые ч-цы вдоль орбиты. Ускоряющие устройства создают переменное электрич. поле, частота к-рого должна меняться в строгом соответствии с изменением магн. поля, согласно (7). Требуемая высокая точность воспроизведения обычно обеспечивается

793

автоматич. системой слежения за положением пучка: сигнал об отклонении пучка от равновесного положения используется для коррекции частоты ускоряющего поля. Под действием ускоряющего поля ч-цы группируются в камере в неск. сгустков, расположенных около устойчивых равновесных фаз, число к-рых равно кратности частоты. В процессе ускорения сгустки сжимаются всё теснее к равновесной фазе. Одновременно уменьшаются и поперечные размеры пучка. Ускоренный пучок либо используется внутри камеры (наводится на внутр. мишень), либо выводится из У. отклоняющим устройством того же типа, что и вводное, но более мощным (из-за большой энергии ч-ц).

Синхрофазотрон с сильной фокусировкой отличается от описанного прежде всего устройством магн. системы, состоящей из большого числа магнитов (рис. 3), в к-рых чередуются сильное спадание и сильное нарастание магн. поля по радиусу, т. е. обеспечивающей сильную знакопеременную фокусировку.

Рис. 3. Схема расположения магнитов в сильнофокусирующем ускорителе: Д &mdash; магниты, дефокусирующие по радиусу (n>>1), Ф — фокусирующие по радиусу (n<<-1); пунктирная кривая — орбита неотклонённой ч-цы (равновесная орбита), сплошная кривая — орбита отклонённой ч-цы.

Рис. 4. Схематич. разрез магнита синхрофазотрона с сильной фокусировкой; полюсные наконечники 2, возбуждаемые токовыми обмотками 2, создают быстро спадающее по радиусу магн. поле В в области расположения вакуумной камеры 3.

Каждый магнит осуществляет 2 функции — заворачивает ч-цы по орбите и фокусирует их (магн. структура с совмещёнными функциями; рис. 4). Применяется также магн. структура с разделёнными функциями, в к-рой фокусировка осуществляется квадрупольными линзами (рис. 5), расположенными в промежутках между заворачивающими магнитами.

Др. отличие У. с сильной фокусировкой — существование т. н. критической или переходной энергии ξкр. При энергии ξ<ξкр устойчивая равновесная фаза расположена на восходящей части кривой напряжения (фаза -0), а при энергии больше критической — на нисходящей (фаза +0).

Рис. 5. Поле магн. квадрупольной линзы: N и S — северные и южные полюсы магнита; F — сила действия магн. поля на ч-цу, движущуюся перпендикулярно плоскости рисунка (F=0 в центре О).

При прохождении критич. энергии фаза колебаний ускоряющего поля быстро смещается на 20, чтобы ч-цы, к-рые до критической энергии сгруппировались вблизи фазы -0, оказались в окрестности новой устойчивой фазы

+0.

Синхротрон — циклич. резонансный У., в к-ром частота ускоряющего поля постоянна, а меняется во времени лишь магн. поле; применяется для ускорения релятив. эл-нов. Т. к. их скорость практически равна с независимо от энергии, то радиус равновесной орбиты почти не меняется. Поэтому в синхротроне, как и в синхрофазотроне, магнит имеет вид кольца. Как слабо, так и сильно фокусирующий синхротрон конструктивно весьма схож с синхрофазотроном. Релятив. эл-ны, движущиеся в синхротроне по круговым орбитам, явл. источником интенсивного эл.-магн. излучения (см. Синхротронное излучение). Излучаемая электроном за один оборот энергия:

очень быстро растёт с энергией ч-ц и в больших У. становится сравнимой (и даже больше) с энергией, набираемой ч-цей за один оборот. Излучение сказывается и на колебаниях ч-ц около равновесной орбиты: потеря энергии приводит к затуханию колебаний, а квантовый, дискр. хар-р излучения — к их раскачке. Трудности создания мощных ускоряющих устройств, компенсирующих потери на излучение, ограничивают предельно достижимые энергии. В синхротронах достигнуты макс. энергии ~5 —10 ГэВ (табл. 1), хотя существуют проекты и на 100—150 ГэВ. В крупных синхротронах, как и в синхрофазотронах, применяется инжекция извне, в меньших — бетатронная инжекция: У. работает как бетатрон (см. ниже) до достижения релятив. энергий, а потом переходит на синхротронный режим.

Фазотрон (синхроциклотрон, циклотрон с вариацией частоты) — циклич. резонансный У., в к-ром магн. поле постоянно во времени, а уменьшается частота ускоряющего поля у; применяется для ускорения тяжёлых ч-ц (протонов, ионов). Макс. энергия протонов ~1 ГэВ. В фазотроне ч-цы движутся по спирали от центра, где расположен ионный источник (газовый разряд) к периферии вакуумной камеры, приобретая энергию при многократном прохождении ускоряющего зазора (рис. 6). Из-за спирального хар-ра орбит магнит фазотрона не кольцевой, а сплошной, так что магн. система весьма громоздка. Именно поэтому при энергиях выше 1 ГэВ предпочтительнее синхрофазотрон, хотя он и уступает по интенсивности ускоренного пучка фазотрону. В фазотронах с однородным по азимуту магн. полем фокусировка по вертикали очень

Рис. 6. Схема движения ч-ц в фазотроне и циклотроне (магн. поле перпендикулярно плоскости чертежа): 1 — ионный источник; 2 — спиральная орбита ускоряемой ч-цы; 3 — ускоряющие электроды; 4 — выводное устройство; 5 — источник ускоряющего поля.

слабая (n<<1). Для её увеличения часто используют знакопеременную фокусировку, т. е. вводят модуляцию магн. поля по азимуту (секторный фазотрон).

Описанные три типа циклич. резонансных У., основанных на механизме автофазировки, работают в импульсном режиме: группа захваченных в синхротронный (резонансный) режим ч-ц повышает свою энергию до максимальной по мере надлежащего изменения частоты ускоряющего поля и (или) индукции магн. поля, после чего ч-цы используются внутри или вне У. Затем параметры У. возвращаются к исходным значениям и начинается новый цикл ускорения. Длительность цикла ускорения в синхротронах и фазотронах порядка 10^-2 с, в синхрофазотронах — неск. с.

Циклотрон — циклич. резонансный У. тяжёлых ч-ц, в к-ром и магн. поле, и частота ускоряющего электрич. поля постоянны во времени. В отличие от описанных выше У. он работает в непрерывном режиме и поэтому обладает

794

преимуществом по интенсивности ускоренного пучка. Конструктивно весьма схож с фазотроном. Т. к. и у, и В постоянны во времени, а энергия растёт, то в циклотроне с азимутальносимметричным полем, в к-ром поле должно спадать по радиусу, как следует из условия фокусировки (5), резонансное ускорение возможно лишь при нерелятив. энергиях, пока не сказывается релятив. возрастание массы ч-цы. Это и определяет предел достижимых энергий (для протонов ~10—20 МэВ при очень больших напряжениях на ускоряющих электродах). В центр. области циклотрона аксиальная фокусировка магн. полем очень слаба (n0), но там из-за малых скоростей частиц сказывается фокусировка электрическим полем (см. выше).

Знакопеременная фокусировка магн. полем позволяет добиться устойчивого ускорения до релятив. скоростей, обеспечивая точный резонанс за счёт роста ср. магн. поля по радиусу. Такой циклотрон наз. изохронным. Обладая характерной для циклотрона большой интенсивностью пучка, он способен ускорять протоны до энергий ~1000 МэВ.