Циклические ускорители — это устройства, в которых частицы многократно проходят одно и то же ускоряющее поле, что позволяет значительно увеличить их энергию по сравнению с линейными ускорителями. Основная идея заключается в использовании магнитного поля для удержания заряженных частиц на замкнутой или квазизамкнутой орбите, в то время как электрическое поле периодически ускоряет их.
Циклические ускорители делятся на несколько основных типов: циклотроны, синхротроны, бетатроны и синхрофазотроны. Каждый из них использует различную комбинацию магнитных и электрических полей для управления траекторией и энергией ускоряемых частиц.
Циклотрон был изобретён Лоуренсом и Ливингстоном в 1930-х годах. Принцип его работы основан на том, что заряженные частицы движутся в магнитном поле по спирали, переходя от одного ускоряющего промежутка к другому.
Основные элементы циклотронного ускорителя:
Резонансное условие: Период обращения частицы в постоянном магнитном поле не зависит от радиуса траектории (при невысоких энергиях), поэтому при правильно подобранной частоте переменного напряжения ускорение происходит синхронно.
Ограничения циклотронов:
Для преодоления релятивистского ограничения были разработаны модификации циклотронов.
Синхроциклотрон: частота ускоряющего поля меняется с учётом увеличения массы частицы при релятивистском росте энергии. Частицы ускоряются не непрерывным пучком, а импульсами.
Изохронный циклотрон: геометрия и/или интенсивность магнитного поля изменяется с радиусом, чтобы компенсировать релятивистский эффект и сохранить постоянный период обращения.
Синхротроны являются логическим развитием идей циклотронов. В них частицы движутся по строго определённой орбите с постоянным радиусом, а магнитное поле и частота ускоряющего поля изменяются во времени, чтобы сохранять синхронность с релятивистским ростом массы частиц.
Ключевые характеристики:
Фокусировка: Сильная фокусировка достигается использованием чередующихся градиентов магнитного поля (периодические дипольные и квадрупольные магниты), что обеспечивает устойчивость пучка на орбите.
Преимущества синхротронов:
Бетатрон работает на принципе индукционного ускорения. Он предназначен исключительно для ускорения электронов. Частицы движутся по замкнутой орбите внутри тороидальной вакуумной камеры, а переменное магнитное поле индуцирует в кольце электрическое поле, которое ускоряет электроны.
Условие устойчивой орбиты (условие бетатрона): Среднее магнитное поле по площади, охваченной орбитой, должно быть в два раза больше магнитного поля на самой орбите.
Преимущества и ограничения:
Синхрофазотрон — это усовершенствованный синхротрон, в котором реализовано синхронное ускорение пакета частиц за счёт фазы напряжения в РЧ-резонаторе. Он обеспечивает более стабильное ускорение при высоких энергиях.
Кольцевые ускорители стали основной конструктивной формой современных ускорителей. В таких ускорителях могут использоваться многочисленные резонаторы, магниты и системы фокусировки, объединённые в кольцевую структуру с возможностью многократного прохождения частиц через ускоряющие элементы.
Особенности:
Современные циклические ускорители, такие как БАК (Большой адронный коллайдер), используют принципы синхротрона, но с предельно высокой точностью управления магнитными и электрическими параметрами.
Примеры крупнейших циклических ускорителей:
Особенности эксплуатации:
Во всех типах циклических ускорителей применяется радиочастотное ускоряющее поле. Оно создаёт переменное напряжение, синхронизированное с прохождением частиц через ускоряющий зазор. Энергия, сообщаемая частице за один проход, определяется амплитудой напряжения и фазой её прихода.
Стабильность фазы и продольная фокусировка:
Помимо продольного ускорения, циклические ускорители требуют управления поперечной устойчивостью пучка. Для этого используются:
Сложные магнитные решётки, особенно в синхротронах, проектируются с учётом параметров устойчивости (бетатронных колебаний, дисперсии, апертуры и др.).
При ускорении заряженных частиц, особенно лёгких, таких как электроны, по изогнутой траектории, возникает излучение, известное как синхротронное излучение. Оно ведёт к потере энергии пучка и является основным ограничением при ускорении электронов в циклических ускорителях.
Параметры синхротронного излучения:
Однако это излучение также используется в прикладных целях — например, в источниках синхротронного света для материаловедения, биофизики и нанотехнологий.
Поскольку получить требуемую энергию в одном цикле невозможно из-за технических ограничений, в крупных установках используется каскад ускорителей. Частицы проходят через цепочку ускорителей:
Это позволяет гибко управлять параметрами пучка и добиваться экстремально высоких энергий.
Циклические ускорители стали краеугольным камнем современной физики высоких энергий. Они позволяют исследовать фундаментальные свойства материи, симметрии природы, механизмы взаимодействий и создавать условия, недостижимые в природных процессах.