Циклические ускорители представляют собой устройства, в которых заряженные частицы многократно проходят одно и то же ускоряющее поле, увеличивая свою энергию при каждом проходе. В отличие от линейных ускорителей, где ускорение происходит за один проход, циклические ускорители обеспечивают более компактную конструкцию и значительно более высокие энергии на выходе.
Основной принцип действия основан на принудительном движении частиц по замкнутой траектории с помощью магнитного поля и их ускорении с помощью электрического поля, синхронизированного с периодом обращения.
Классическими представителями циклических ускорителей являются циклотроны, синхротроны и бетатроны, каждый из которых использует различные подходы к компенсации изменения массы и траектории частиц по мере роста энергии.
Циклотрон состоит из двух полукруглых электродов, называемых «дуанами» (D-образными электродами), размещённых в вакуумной камере между полюсами постоянного магнита. Частицы вводятся в центр устройства и подвергаются действию переменного электрического поля, приложенного между дуанами, а также постоянного магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости вращения.
Магнитное поле заставляет заряженные частицы двигаться по круговой траектории, а каждый раз, проходя через зазор между дуанами, частицы получают добавочную энергию от электрического поля. Радиус орбиты увеличивается с ростом энергии, и в конечном итоге частица выводится из циклотронной камеры и направляется на мишень.
С ростом скорости частицы увеличивается её релятивистская масса. Это приводит к нарушению синхронности между частицей и высокочастотным напряжением, поскольку период обращения растёт, а частота электрического поля остаётся постоянной. Это ограничивает максимальную энергию, которую можно достичь в классическом циклотроне.
Для преодоления этой проблемы были разработаны изохронные и синхроциклотронные модификации циклотронов.
В синхроциклотроне для компенсации релятивистского увеличения массы частиц изменяют частоту ускоряющего напряжения во времени. Это позволяет сохранять синхронность между частицами и ускоряющим полем, несмотря на изменение периода их обращения. Однако данный подход ограничивает интенсивность пучка, поскольку ускоряется лишь небольшая фракция частиц в каждый цикл.
Изохронный циклотрон использует специально профилированное магнитное поле, которое варьируется по радиусу так, чтобы частота обращения частиц оставалась постоянной несмотря на релятивистский рост массы. Это позволяет ускорять пучки большой интенсивности, сохраняя фазовую синхронизацию.
Бетатрон — циклический ускоритель, предназначенный для ускорения электронов с использованием переменного магнитного поля. В отличие от циклотронов, в которых ускорение происходит за счёт электрического поля в зазоре, в бетатроне ускоряющее поле индуцируется изменением магнитного потока через орбиту электронов (на основе закона Фарадея).
Для того чтобы частицы двигались по стабильной круговой траектории, необходимо соблюдение условия бетатрона: средняя индукция магнитного поля по площади орбиты должна быть в два раза больше магнитной индукции по самой орбите. Это позволяет одновременно ускорять и удерживать электроны на фиксированной траектории.
Бетатроны эффективны при ускорении электронов до энергий порядка сотен МэВ, но не используются для протонов или тяжёлых ионов из-за специфики механизма ускорения.
Синхротрон является наиболее универсальным и мощным циклическим ускорителем, в котором радиус орбиты частиц остаётся постоянным, а магнитное поле и частота ускоряющего напряжения синхронно изменяются в зависимости от энергии частиц. Это позволяет компенсировать релятивистское увеличение массы и сохранять стабильную орбиту на протяжении всего процесса ускорения.
Синхротроны используют чередование фокусирующих и дефокусирующих магнитов (так называемая сильная фокусировка) для удержания частиц в узком пучке, что делает возможным создание ускорителей больших размеров и высокой энергии.
Фундаментальным понятием для синхротрона является фазовая стабильность: частицы, находящиеся немного впереди или позади идеальной фазы ускорения, всё равно остаются в устойчивом состоянии благодаря особой зависимости ускоряющего поля от фазы. Это позволяет сохранять квазимонохроматичность и компактность пучка даже при длительном ускорении.
Для эффективного удержания частиц синхротроны используют магнитную структуру с переменной фокусировкой. Классическая структура состояла из последовательности одинаковых магнитов, но в современных ускорителях применяется альтернирующая градиентная фокусировка (AGS, alternating-gradient focusing), в которой чередуются магниты с положительным и отрицательным градиентом поля. Это приводит к резкому усилению фокусирующей силы без увеличения размеров ускорителя.
С ростом энергии частицы скорость её приближается к скорости света и становится практически постоянной. Однако из-за релятивистского увеличения массы период обращения может всё же меняться, что приводит к так называемой переходной энергии — моменту, когда групповая скорость пучка равна фазовой скорости радиочастотного поля.
Преодоление этой точки требует особого внимания к фазовой стабилизации, чтобы не привести к распаду пучка.
Для ввода частиц в орбиту синхротрона используется система инжекции, включающая предварительные ускорители, отклоняющие магниты и захватывающие радиочастотные структуры. Экстракция пучка может быть как быстрой (для получения импульсных пучков), так и медленной (для равномерного облучения мишени), и требует точной синхронизации с магнитной и радиочастотной системой ускорителя.
Циклические ускорители остаются ключевыми инструментами физики высоких энергий, позволяя достигать энергетических масштабов, недоступных в линейных системах. Их конструкция требует высокой точности и синхронизации всех компонентов, но в то же время обеспечивает высокую производительность и гибкость в исследовательских задачах.