III. Принцип действия резонансных ускорителей
В резонансном ускорителе непрерывное ускорение происходит благодаря тому, что в ускоряющие электроды частица всё время попадает в ускоряющую фазу поля (т. е. когда электрическое поле направлено в сторону движения частиц). Идеальная, т. н. равновесная, частица всё время попадает в одну и ту же фазу — равновесную фазу.
В циклическом ускорителе период обращения Т частицы по орбите связан со средним радиусом <R> орбиты соотношением:
(1)
(u — скорость частицы). Средний радиус орбиты равен
(2)
где Е = mc2 — полная релятивистская энергия частицы массы m, равная сумме энергии покоя частицы E = mс2 и её кинетической энергии W (m — масса покоя частицы, с — скорость света), е — заряд частицы, <В > — среднее значение индукции магнитного поля; поэтому период обращения связан с энергией частицы соотношением:
(3)
Для равновесной частицы период обращения равен или кратен периоду Ту ускоряющего поля. Фиксированным значениям периода обращения и индукции магнитного поля соответствуют вполне определённые равновесная энергия частицы и равновесный радиус её орбиты. Равновесная частица набирает за оборот энергию eV cos j , где j — равновесная фаза, т. е. фаза поля, действующего на равновесную частицу, отсчитываемая от максимума поля, a V — амплитуда напряжения на зазоре ускоряющих электродов. Для набора конечной кинетической энергии Wмакс частица должна совершить N = Wмакс /eV cosj оборотов. В циклических ускорителях длина пути, проходимого частицей, достигает десятков и сотен тысяч км. При столь большой длине пути для успешной работы ускорителя необходимо обеспечить устойчивость равновесного движения: небольшие отклонения частицы по фазе, по энергии, по радиусу и по вертикали, а также небольшие начальные скорости в направлениях, перпендикулярных орбите, не должны приводить к сильному отклонению частицы от равновесной орбиты — частица должна совершать колебательное движение около равновесной частицы. Обеспечение устойчивости движения частицы в направлениях, перпендикулярных орбите (по радиусу и по вертикали), называется фокусировкой, а в направлении орбиты — фазировкой.
В линейном ускорителе протонов (с ускоряющими зазорами) для равновесной частицы время пролёта Т = L/u между соседними ускоряющими зазорами (L — расстояние между центрами зазоров, u — скорость частицы) кратно периоду ускоряющего поля Ту = l/с , где l — длина волны электромагнитного поля. Энергия Wмакс набирается при прохождении N = Wмакс /eV cos j ускоряющих зазоров, что определяет требуемую длину ускорителя. Длины современных линейных ускорителей для протонов достигают сотен м. Поэтому и здесь вопрос устойчивости движения, т. е. обеспечения фокусировки и фазировки, является актуальным.
Для того чтобы рассеяние на ядрах атомов газа не приводило к сильному уходу частиц от равновесной траектории и их выпаданию из процесса ускорения, область вокруг равновесной траектории охватывается вакуумной камерой, в которой специальными насосами создаётся достаточно сильное разрежение.
Фазировка в резонансных ускорителях обеспечивается механизмом автофазировки, обусловленным зависимостью промежутка времени между последующими ускорениями от энергии. В циклических ускорителях с однородной фокусировкой период обращения растет с увеличением энергии, т.к. в соотношении (1) средний радиус орбиты растет с возрастанием энергии быстрее, чем скорость частицы. В ускорителях со знакопеременной фокусировкой зависимость среднего радиуса орбиты от энергии значительно слабее; поэтому при малых энергиях период обращения обычно уменьшается с ростом энергии (u растёт быстрее, чем <R> ), а при больших энергиях — увеличивается с ростом энергии (<R> растет быстрее, чем u, которая ограничена скоростью света). При периоде, растущем с энергией, устойчива правая фаза на рис. 1 : если частица случайно попадёт в фазу j1 > j , она приобретёт энергию меньше равновесной, поэтому её период обращения станет меньше равновесного, частица отстанет по фазе и, следовательно; её фаза приблизится к равновесной фазе j . Если же период уменьшается с ростом энергии, то фаза j становится неустойчивой, а устойчивой будет симметричная ей фаза — j . Как бы то ни было, если eV достаточно велико, всегда существуют устойчивая равновесная фаза и область близких к ней фаз (область захвата), в пределах которой частицы колеблются около равновесной. Прирост энергии равновесной частицы eV cos j определяется условием резонанса: T = qTy , где q — целое число, называется кратностью частоты, или кратностью ускорения. Так, для циклического ускорителя энергия равновесной частицы
(3’)
где wy = 2p/Ту — частота ускоряющего поля, так что для увеличения равновесной энергии нужно либо увеличивать магнитное поле (синхротрон), либо уменьшать частоту ускоряющего поля (фазотрон), либо изменять и то и другое (синхрофазотрон), либо, наконец, изменять кратность ускорения q (микротрон). Закон изменения магнитного поля, частоты и кратности ускорения и определяет значение фазы j для равновесной частицы; вследствие автофазировки равновесная частица набирает именно ту энергию, которая определяется соотношением (3’). В соответствии с энергией изменяется радиус равновесной орбиты, определяемый формулой (2).
Для неравновесных частиц, находящихся внутри области захвата, прирост энергии происходит неравномерно, но в среднем они приобретают ту же энергию, что и равновесная частица. Эти частицы «захвачены» в режим ускорения. Частицы, сильно отличающиеся от равновесных по фазе или по энергии, вообще в среднем не будут приобретать энергии, т.к. будут попадать то в ускоряющее, то в замедляющее поле («скользить по фазе ускоряющего напряжения»).
Аналогичный механизм фазировки имеет место и в линейных резонансных ускорителях с той разницей, что там всегда время прохождения расстояний между соседними зазорами уменьшается с ростом энергии, так что устойчивая равновесная фаза всегда равна — j .
Фокусировка частиц в ускорителях. В циклических ускорителях фокусировка достигается главным образом специальным подбором формы магнитного поля. Если бы магнитное поле было строго однородно, то при любом отклонении скорости частицы от плоскости орбиты ускоряемая частица уходила бы с равновесной орбиты в направлении оси магнита (по вертикали z ). Но если магнитное поле уменьшается с увеличением радиуса, то оно имеет «бочкообразную» форму (это связано с тем, что в отсутствии токов магнитное поле — безвихревое), благодаря чему сила F, действующая на частицу, имеет составляющую Fz по направлению к плоскости равновесной орбиты (рис. 2 ).
Изменение поля по радиусу принято характеризовать показателем спада поля 
. Т. о., для устойчивости движения в вертикальном (аксиальном) направлении необходимо выполнение условия n
> 0,
т. е. чтобы поле убывало с увеличением радиуса. Движение в радиальном направлении определяется соотношением между силой действия на частицу магнитного поля eB
u/c
и центростремительной силой m
u2/R,
соответствующей радиусу R.
На равновесной орбите обе эти величины равны. Если частица с той же скоростью случайно оказалась на большем радиусе, то для обеспечения устойчивости в радиальном направлении нужно, чтобы сила действия магнитного поля на этом радиусе eB
u/c
была больше, чем m
u2/R,
т. е. чтобы магнитное поле уменьшалось медленее, чем 1/R.
Тот же вывод получается, если рассмотреть случайное отклонение частицы в сторону меньших радиусов. Т. о., условие устойчивости в радиальном направлении налагает ограничение на скорость убывания магнитного поля: показатель спада поля n
должен быть меньше 1 (n
< 1). Для одновременной устойчивости в радиальном и вертикальном направлениях должно выполняться условие: