Фазотрон - резонансный циклич. ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов), работающий при постоянном
во времени азимутально однородном (или почти однородном) магн. поле и периодически
изменяющемся по частоте высокочастотном ускоряющем напряжении.
Ф. применяют для ускорения
частиц до энергий порядка 0,6 - 1 ГэВ. При более высоких энергиях их применение
оказывается экономически неоправданным (см. ниже); с 80-х гг. Ф. начали уступать
место изохронным циклотронам.
Схема устройства Ф. изображена
на рис. 1 к ст. Циклотрон (а - вертикальный разрез Ф.; б-горизонтальный).
Укоряемые частицы движутся в откаченной до высокого вакуума камере, расположенной
в вертикальном магн. поле, к-рое создаётся между полюсами 2 электромагнита
с помощью катушек 3, питаемых пост. током. В камере расположены высоковольтные
полые электроды (дуанты), между к-рыми создаётся ВЧ электрич. поле. Частицы
ускоряются этим полем, переходя из дуанта в дуант. Электрич. поле между дуантами
должно иметь в этот момент нужное направление и достаточную величину. Ускоряющая
система Ф. может иметь не два, а один дуант, роль второго дуанта в этом случае
играет вакуумная камера. Движение частиц в азимутально однородном поле описывается
ур-ниями
Ф-лы (1) и (2) приведены
в физ. системе единиц; w - частота обращения частиц в вакуумной камере Ф., Ze-заряд
ускоряемых частиц, В-индукция магн. поля, с - скорость света,
р-импульс частиц,
-их
полная (включающая энергию покоя) энергия, r-радиус кривизны траектории.
При движении без ускорения
частицы описывают в камере круговые траектории, радиус к-рых определяется из
(2). При движении с ускорением радиус окружности с увеличением импульса частиц
растёт, так что траектории приобретают вид раскручивающихся спиралей. Частота
обращения частиц с увеличением 
падает,
соответственно должна уменьшаться частота ускоряющего напряжения. (Вторая причина
уменьшения частоты заключается в том, что устойчивое вертикальное движение частиц
при ускорении возможно только в магн. поле, индукция к-рого уменьшается с радиусом.)
Рабочий режим Ф. носит поэтому циклич. характер: частота ускоряющего напряжения
на рабочей части цикла падает в соответствии с энергией частиц, а затем возвращается
к своему нач. значению. После этого начинается следующий цикл ускорения.
Практический предел на
энергию, достижимую при помощи Ф., накладывает вес магн. системы и энергопотребление
ускорителя. Для ускорения частиц до самых больших энергий применяют ускорители,
в к-рых магн. поле создаётся не по всей площади круга, а на узкой кольцевой
дорожке, в пределах к-рой происходит движение ускоряемых частиц. Как ясно из
(2), при растущем импульсе частиц и пост. радиусе траектории в течение ускорит.
цикла должна изменяться индукция магн. поля. Такие ускорители называют с и н
х р о ф а з о т р о н а м и или синхротронами протонным.
Как уже говорилось, Ф.
уступают место изохронным циклотронам, в к-рых частота ускоряющего поля постоянна,
а с энергией частиц (с радиусом) возрастает усреднённое по азимуту значение
магн. индукции. При таком законе изменения В возникает неустойчивость
вертикального движения, с к-рой удаётся справиться ценой отказа от азимутальной
симметрии магн. поля.
Рис. Внешний вид протонного фазотрона Объединённого института ядерных исследований.
Приведём в качестве примера
параметры Ф., введённого в действие в 1984 в Объединённом ин-те ядерных исследований
в Дубне (рис.). Протоны ускоряются до энергии
600 МэВ; вес магнита
7000 т, диаметр магн. полюсов 6 м. Потребляемая мощность: 700 кВт для питания
магнита, 200 кВт для питания высокочастотной системы. Частота циклов ускорения
250 Гц; усреднённый по времени ток внутреннего пучка ~6 мкА, тон выведенного
пучка ~3,5 мкА. Во время реконструкции Ф. в структуру магн. поля были введены
спиралевидные неоднородности, к-рые позволяют уменьшить диапазон изменения частоты
ускоряющего напряжения.
Л. Л. Гольдин
|
|
 |
