Циклотрон. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Циклотрон - резонансный циклический ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов), работающий при постоянном во времени магн. поле и при постоянной (но меняющейся при переходе от иона к иону) частоте ускоряющего высокочастотного электрич. поля. Следует различать обычные Ц., в к-рых индукция магн. поля не зависит от азимута, и Ц. с азимутальной вариацией магн. поля, иначе называемые изохронными циклотронами.

Первая конструкция Ц. была предложена Э. Лоуренсом (Е. Lauwrence) в 1932, и тогда же ему удалось получить поток дейтронов с энергией до 6 МэВ и силой тока до 25 мкА.

Схема устройства Ц. изображена на рис. 1: а - вертикальный и б-горизонтальный разрезы. Магн. поле в зазоре между полюсами 2 возбуждается катушками 3, через к-рые пропускается пост. электрич. ток. В этом зазоре располагается высоковакуумная камера 4. Двигаясь в этой камере, частицы переходят из одного дуанта (электрода, возбуждаемого ВЧ-напряжением) в другой, а затем снова в первый и т. д. Ускоряющее электрич. поле действует на частицы только в то время, когда они переходят из дуанта в дуант. В этот момент поле должно иметь нужное направление и достаточную величину (резонансное ускорение).

Рис. 1. Схема циклотрона: а - вид сбоку; б-вид сверху; 1-ярмо электромагнита; 2-полюса электромагнита; 3 - катушки, возбуждающие магнитное поле В; 4 - вакуумная камера; 5 - ускоряющие электроды (дуанты).

Рассмотрим движение частиц в вакуумной камере Ц. в отсутствие ускоряющего напряжения. Траектории частиц, движущихся по азимуту, в пост. вертикальном магн. поле имеют вид, близкий к горизонтально расположенным окружностям. Необходимое для такого движения центро-стремит. ускорение создаёт сила Лоренца.

Для частицы, движущейся в Ц., справедливы следующие соотношения:

где В-индукция магн. поля, с - скорость света, Ze - заряд частицы, r - радиус её траектории, т₀ - масса покоя частицы, р - импульс, w - частота её обращения в Ц., g - её релятивистский фактор.

Ф-лы (1) и (2) показывают, что при пост. индукции В частота обращения нерелятивистских частиц в Ц. не зависит от их энергии, а радиус траектории пропорционален импульсу. Поэтому траектории ускоряемых частиц представляют собой не окружности, а раскручивающиеся спирали. Частота ускоряющего поля постоянна и равна (или кратна) частоте обращения частиц в вакуумной камере.

Неизменность магн. поля и частоты ускоряющего напряжения делают возможным непрерывный режим ускорения: в то время как одни частицы движутся по внеш. виткам спирали, другие находятся на середине пути, а третьи только начинают движение (частицы инжектируются в вакуумную камеру Ц. вблизи её центра); радиус инжекции зависит от импульса, к-рый приобретают частицы в ионном источнике или на пути от источника к дуанту.

Ускоряемые частицы заполняют спиральную траекторию не сплошь. Занятыми оказываются только те её участки, к-рые соответствуют частицам, приходящим в зазор при ускоряющем направлении электрич. ВЧ-поля. Поэтому пучок ускоряемых частиц распадается на цепочку следующих друг за другом групп частиц (банчей, см. Банчировка).

При значит. ускорении частиц, когда происходит релятивистское увеличение массы (g> 1). частота обращения частиц начинает падать, и они выходят из синхронизма с ускоряющим полем. В таком случае режим ускорения частиц сменяется их за.медлением и их дальнейшее ускорение становится невозможным. Этого эффекта можно избежать, если с увеличением энергии (массы) частицы, т. е. с увеличением радиуса её орбиты, увеличивать индукцию поля В. Однако для Ц. с азимутально-симметричным полем это ведёт к появлению неустойчивости вертикального движения ускоряемых частиц.

При устойчивом движении всякое отклонение параметров движения частиц от равновесных значений должно сопровождаться возникновением эффектов, стремящихся вернуть эти параметры к равновесным, так что частицы совершают колебания около равновесных значений. Принято различать устойчивость поперечных колебаний (колебаний по высоте и по радиусу) и устойчивость продольного движения (радиально-фазовые колебания).

Можно показать, что в азимутально-симметричном поле вертикальное движение оказывается устойчивым лишь в том случае, если индукция магн. поля не растёт, а убывает с радиусом. Обычно такое поле и создаётся. Складываясь с релятивистским увеличением массы, этот эффект накладывает дополнит. ограничение на макс. энергию ускоряемых частиц. У Ц., используемых для ускорения протонов, максимально достижимая энергия лежит в области 30 МэВ.

Увеличить энергию, к-рую могут достичь частицы, ускоряемые в Ц., возможно двумя способами. Можно отказаться от постоянства частоты ускоряющего напряжения, снижая её, по мере того как падает частота обращения частиц. Такие ускорители наз. фазотронами .При изменяющейся во времени частоте становится невозможным описанный выше режим ускорения, когда в ускорителе сосуществуют частицы, находящиеся на разных стадиях процесса ускорения. Частота ускоряющего поля при этом соответствует ускорению одного или группы близко расположенных банчей. T. о., увеличение максимально достижимой энергии частиц в фазотроне происходит за счёт существенного снижения интенсивности.

Другой путь достижения макс. энергии заключается в отказе от азимутальной симметрии магн. поля. В таких ускорителях частицы попеременно пересекают области, в к-рых поле с увеличением радиуса растёт и уменьшается. При правильном выборе параметров в результате такого движения появляется вертикальная устойчивость даже при увеличивающейся с радиусом ср. индукции магн. поля. Ускорители, построенные по этому принципу, наз. изохронным и Ц. Изохронные Ц. работают при пост. частоте ускоряющего поля и поэтому способны выдавать большие токи ускоренных частиц. Азимутальное изменение магн. поля, совмещённое с радиальным, требует магн. полюсов сложной формы. Полюса изохронных Ц. обычно составляются из неск. секторов или снабжаются спиралевидными гребнями.

Внеш. вид одного из современных Ц., работающего в Институте ядерных исследований, представлен на рис. 2. Он может ускорять как протоны, так и ионы (до неона включительно). На внеш. витке спирали энергия протонов составляет 35 МэВ. Cp. ток ускоренных протонов 30 ткА. Мощность ускоренного пучка составляет ~ 1 кВт. Магн. ярмо Ц. весит 300 т, вес катушек возбуждения ~ 70 т, диаметр магн. полюсов 150 см, потребляемая от сети мощность ~ 180 кВт. Габаритные размеры Ц. 8

13 м²в плане и 4,5 м по высоте.

Рис. 2. Внешний вид циклотрона Института ядерных исследований на 35 МэВ по протонам.

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.