Циклические ускорители

В циклических ускорителях частица не проходит однократно через длинный ряд ускоряющих промежутков (резонаторов), а многократно периодически возвращается к одним и тем же ускоряющим промежуткам. Таким путём достигается значительное снижение размеров и стоимости ускорителя. Первый циклический ускоритель был построен в 1930 г. Лоуренсом и назван циклотроном. Идея циклотрона основывается на том факте, что в однородном постоянном магнитном поле с напряжённостью Н заряженная частица, движущаяся в плоскости, перпендикулярной Н, равномерно вращается по окружности с циклической частотой

, (7.1)

т. е. с периодом обращения Т=2p/ W.

Циклотрон представляет собой сплющенную цилиндрическую металлическую коробку, в которой вдоль диаметра имеется прорезь, разделяющая коробку на две половины, называемые дуантами. Коробка помещается в постоянное однородное магнитное поле между противоположными полюсами магнита. Между дуантами прикладывается переменное электрическое напряжение с частотой W. В центре между дуантами помещается источник ионов. Ион движется по раскручивающейся спирали, получая ускорение (дополнительную энергию) всякий раз, как проходит ускоряющий промежуток между дуантами.

При не слишком больших скоростях эта частота не зависит от радиуса окружности и скорости частиц, так что в зазор между дуантами частицы попадают всегда через один и тот же промежуток времени. Получая каждый раз при этом некоторое приращение скорости, они продолжают своё движение дальше по окружности всё большего радиуса, и траектория их движения превращается в плоскую раскручивающуюся спираль. На последнем витке этой спирали включается дополнительно отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу.^[1]

Диаграмма циклотрона из патента Э. Лоуренса 1934года

Недостатком циклотрона является то, что заряженные частицы в нём не могут быть ускорены до больших энергий, так как при высоких скоростях начинает проявляться релятивистская зависимость периода обращения от скорости частиц. С ростом скорости этот период возрастает, и поэтому при каждом очередном попадании в ускоряющий зазор частицы начинают всё больше опаздывать, пока не оказываются в нём тогда, когда существующее в зазоре поле будет их тормозить. Поэтому для получения частиц высоких энергий используют другие, более сложные ускорители, например, электронные синхротроны и синхрофазотроны.

Циклотрон существенно ограничен нерелятивистскими энергиями частиц, в обычных циклотронах протоны можно ускорять до 20-25 МэВ. Для ускорения тяжёлых частиц по траектории раскручивающейся спирали до существенно больших значений энергии (до 1000 МэВ) используют модифицированную установку на базе циклотрона, называемую изохронным (релятивистским) циклотроном. В изохронных циклотронах релятивистские эффекты компенсируются радиальным возрастанием магнитного поля. Для этих целей также используется фазотрон.^[1]

Существенным недостатком циклотрона является то, что он позволяет ускорять частицы только до нерелятивистских энергий, так как только в этом случае имеет место синхронизм колебаний электрического поля между дуантами с обращением частицы по окружности. При релятивистских энергиях формула (7.1) сохраняется, но под m следует понимать не массу покоя, а релятивистскую массу частицы. В силу выше сказанного эффективно ускорять протоны на циклотроне можно лишь до энергий 20-25 МэВ. Но в области низких энергий циклотрон, давая токи 1 мА, по интенсивности значительно превосходит все другие ускорители. По этой причине циклотроны до сих пор широко используются для изучения ядерных реакций при низких энергиях, а также для промышленного получения тех (преимущественно нейтронодефицитных) изотопов, которые невозможно получить в ядерных реакторах.

Для электрона, если его энергия больше 10МэВ, то его скорость практически постоянна и мало отличается от скорости света. Поэтому и период обращения электрона по круговой орбите практически постоянен. Это используется в синхротронах- циклических кольцевых резонансных ускорителях электронов с орбитой почти постоянного радиуса, в которых частота ускоряющего электрического поля постоянна, а напряжённость удерживающего магнитного поля изменяется во времени.