АВТОФАЗИРОВКА
явление, обеспечивающее ускорение электронов, протонов, альфа-частиц,
многозарядных ионов до высоких энергий (от неск. Мэв до сотен Гэв) в большинстве
ускорителей заряженных частиц; открыто сов. физиком В. И. Векслером в 1944
и независимо от него амер. физиком Э. Макмилланом в 1945. Принципиальную
роль это явление сыграло в повышении предела достижимых энергий в циклич.
ускорителях.
В циклич. ускорителях
частицы совершают движение по орбитам в спец. вакуумной камере, помещённой
в магнитное поле, и многократно проходят через ускоряющие электроды. Ускорение
частиц происходит под действием высокочастотного электрич. поля, приложенного
к ускоряющим электродам. Для непрерывного ускорения частиц необходимо,
чтобы в моменты ускорения направления движения частицы и электрич. поля
совпадали; для этого нужно обеспечить синхронизм (резонанс) между движением
частиц и изменением электрич. поля. Если амплитуда разности потенциалов
между электродами равна
то приобретаемая частицей с зарядом е энергия
при каждом прохождении через ускоряющий промежуток равна
где
- фаза электрич.
поля в момент прохождения частицы,< отсчитываемая от его максимального
значения. Фазу поля ф, при к-рой частица пролетает через ускоряющий промежуток,
называют для краткости фазой частицы.
Чтобы частица
двигалась синхронно с изменением ускоряющего поля,< её частота обращения
должна
быть равна или кратна частоте
электрич. поля:
где q - целое число (кратность резонанса). Тогда частица будет проходить
ускоряющие электроды при одном и том же значении фазы ф и при каждом прохождении
получать от поля одну и ту же энергию. Поэтому она будет всё время ускоряться.
Такая ситуация
выполняется в циклотроне - единственном резонансном ускорителе, к-рый существовал
до открытия принципа А. В циклотроне частицы движутся в постоянном магнитном
поле Н с постоянной частотой обращения
(где т - масса частицы,
- скорость света). Поэтому при частоте ускоряющего электрич. поля
для всех частиц наблюдается точный резонанс с полем.
Однако при
достижении достаточно большой энергии массу т уже нельзя считать постоянной:
начинает сказываться эффект увеличения массы частицы с ростом энергии (см.
Относительности теория). Возрастание массы приводит к уменьшению частоты
обращения
и к нарушению резонанса между движением частицы и ускоряющим полем. Частицы
перестают получать энергию от электрич. поля и выпадают из режима ускорения.
Поэтому в обычном циклотроне существует предельная энергия, выше к-рой
ускорение невозможно. Для протонов этот предел энергии составляет примерно
20 Мэв.
Для сохранения
Но в ускорителе
Векслер и Макмиллан
Т. о., А. приводит
Рассмотрим,
Аналогичный
Т. о., частоты
А. действует
Принцип А.
Об А. в ускорителях
Лит. см. при
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
резонанса можно, напр., медленно снижать частоту w
магнитного поля Н, чтобы компенсировать уменьшение частоты со (или вместе
и то и другое).
одновременно ускоряются сотни и тысячи миллиардов частиц, имеющих разброс
по энергиям, а значит, и по массам. Следовательно, частицы будут иметь
различные частоты обращения w. Поэтому невозможно осуществить точны и резонанс
с ускоряющим полем для движения всего множества ускоряемых части ц. До
открытия принципа А. эта трудность казалась непреодолимой.
показали, что именно благодаря зависимости частоты обращения частиц от
их энергии (массы), приводящей к нарушению точного синхронизма движения
частиц с ускоряющим полем, само поле будет автоматически осуществлять для
большого количества частиц подстройку синхронизма в среднем. Иными словами,
в случае, когда w зависит от энергии, ускоряющее поле частоты
(к-рая
может и медленно меняться) заставляет частицы двигаться по орбитам с частотами,
в среднем равными (или кратными) частоте w
в среднем; при этом фазы частиц колеблются и концентрируются около одной
фазы ф
к тому, что частицы в среднем обращаются синхронно с изменением ускоряющего
поля:
как осуществляется А. в циклич. ускорителе с однородным и постоянным во
времени магнитным полем и при q = 1. Частота обращения частиц в таком ускорителе
обратно пропорциональна их массе, а следовательно, их полной энергии (равной
сумме энергии покоя и кинетич. энергии). Синхронная частица (воображаемая
частица, к-рая движется в точном резонансе с ускоряющим полем.) будет ускоряться
при одной и той же фазе
и каждый раз получать энергию
Для того чтобы движение частиц по орбитам было устойчивым, т. е. чтобы
частицы с фазами
не выпадали из режима ускорения, синхронная фаза фо должна быть положительной
- находиться на спаде ускоряющего напряжения (рис. 1). Действительно, частица
с меньшей энергией, для к-рой частота обращения
и к-рая в некоторый момент движется вместе с синхронной, в дальнейшем будет
опережать синхронную, попадать в ускоряющий промежуток раньше и ускоряться
при меньшей фазе
Следовательно, она получит большую энергию:
и её частота начнёт уменьшаться, так что в какой-то момент наступит точный
резонанс,
Но этот резонанс является только мгновенным - ведь частица по-прежнему
будет получать от поля большую энергию и её частота со будет нек-рое время
продолжать уменьшаться и станет меньше синхронной,
Тогда частица начнёт отставать от синхронной, будет получать меньшую энергию
от ускоряющего поля, чем синхронная частица, и её частота станет вновь
расти.
процесс происходит и с частицей, отставшей от синхронной и попадающей в
ускоряющий промежуток несколько позже, при фазе
Такая частица будет получать от поля меньшую энергию, её частота начнёт
расти, и частица будет догонять синхронную.
обращения частиц совершают медленные по сравнению с частотой обращения
колебания около значения w
а средняя их фаза является устойчивой:
(отсюда назв.- фазовая устойчивость, или А.). Поэтому в среднем будет автоматически
поддерживаться синхронизм между движением частиц и ускоряющим полем. Одновременно
совершают колебания и другие характеристики движения частиц
(энергия, радиус
орбиты) около их равновесных значений, отвечающих синхронной частице. Эти
колебания фазы и связанные с ними колебания радиуса орбиты частиц наз.
радиально-фаэовыми.
и в линейных резонансных ускорителях протонов, в к-рых (в отличие от циклич.
ускорителей) частота прохождения частицей последовательных ускоряющих промежутков
(расположенных по прямой линии) прямо пропорциональна скорости её движения,
т. е. увеличивается с ростом энергии. Однако устойчивая синхронная фаза
в линейных ускорителях отрицательна - лежит на подъёме ускоряющего электрич.
напряжения (рис. 2). Тогда при пролёте частицей ускоряющего промежутка
поле возрастает, так что отстающая частица (с фазой
) получает большую энергию и начинает догонять синхронную частицу, а опережающая
(с фазой
) - меньшую энергию и также начинает приближаться к синхронной.
оказал революционизирующее влияние на развитие ускорит, техники. Появилось
семейство разнообразных ускорителей, работающих на основе А.: циклич. ускорители
электронов (синхротроны) на энергии до 7 Гэв и протонов (синхрофазотроны,
фазотроны и др.) до энергии 75 Гэв, циклич. ускорители с переменной кратностью
q (микротроны), линейные резонансные ускорители протонов на энергии до
70 Мэв. А. отсутствует, когда частота обращения частиц не зависит от их
энергии (изохронные циклотроны), а в линейных ускорителях - когда скорость
движения частиц приближается к скорости света и практически перестаёт зависеть
от энергии (линейные ускорители электронов на энергии выше 10 Мэв).
со знакопеременной (сильной) фокусировкой см. Ускорители заряженных частиц.
ст. Ускорители заряженных частиц. М. С. Рабинович.