1.2.5 Фазотрон (синхроциклотрон)

Фазотрон - резонансный циклический ускоритель тяжёлых частиц (протонов, ионов), работающий при постоянном во времени азимутально однородном (или почти однородном) магнитном 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 магнитном поле, к-рое создаётся между полюсами 2 электромагнита с помощью катушек 3, питаемых пост. током. В камере расположены высоковольтные полые электроды (дуанты), между которыми создаётся ВЧ электрическое поле. Частицы ускоряются этим полем, переходя из дуанта в дуант. Электрическое 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 уровнями

Формулы (1) и (2) приведены в физ. системе единиц; w - частота обращения частиц в вакуумной камере Ф., Ze- заряд ускоряемых частиц, В- индукция магнитного 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 которых 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 магнитном поле, индукция которого уменьшается с радиусом.) Рабочий режим Ф. носит поэтому циклический 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 магнитной системы и энергопотребление ускорителя. Для ускорения частиц до самых больших энергий применяют ускорители, в которых магнитное поле создаётся не по всей площади круга, а на узкой кольцевой дорожке, в пределах которой происходит движение ускоряемых частиц. Как ясно из (2), при растущем импульсе частиц и пост. радиусе траектории в течение ускорит. цикла должна изменяться индукция магнитного 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 которых частота ускоряющего поля постоянна, а с энергией частиц (с радиусом) возрастает усреднённое по азимуту значение магнитной индукции. При таком законе изменения В возникает неустойчивость вертикального движения, с к-рой удаётся справиться ценой отказа от азимутальной симметрии магнитного поля.

Рисунок 10 - 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 магнитных 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 магнитного поля были введены спиралевидные неоднородности, которые позволяют уменьшить диапазон изменения частоты ускоряющего напряжения.