§ 175. Автофазировка

Новые идеи в области ускорителей были высказаны Векслером (СССР) и Мак-Миланом (США) соответственно в 1944 и 1945 гг. Они заключаются в следующем. Вглядываясь в формулу периода обращения частицы в магнитном поле, мы видим, что возрастание массы

можно скомпенсировать возрастанием магнитного поля. Если бы такая компенсация удалась, то период обращения заряда мог бы остаться неизменным.

Положим, что во время работы циклотрона напряженность магнитного поля нарастает. Среди миллиардов частиц, движущихся в ускорительной камере, несомненно, найдутся такие частицы у которых возрастание массы из-за увеличения скорости идет как раз в такой пропорции с нарастанием магнитного поля, чтобы период обращения оставался неизменным. Расчеты показали, что и другие частицы при этих условиях не будут выходить из синхронизма, с тем лишь совершенно неважным для практики различием, что их энергия будет нарастать не монотонно, как у частиц «удачных», у которых возрастание массы полностью компенсируется возрастанием магнитного поля, а колеблясь около значения энергии «удачных» частиц.

У «удачных» частиц радиус орбиты согласован со значением энергии, в этом и состоит их «удачливость». Положим теперь, что имеется частица, у которой энергия больше, чем надо для данного радиуса. Но тогда из-за излишнего прироста массы частица будет замедляться. Наоборот, если частице не хватает энергии, то прирост массы будет недостаточен и частица будет ускоряться по отношению к своим соседям на том же радиусе. Отсюда следует, что явление возрастания массы со скоростью позволяет частицам как бы самостоятельно регулировать скорости своего движения и подбирать фазы напряжения, пригодные для корректировки этого движения. Отсюда и термин «автофазировка».

Таким образом, оказывается возможным в принципе безгранично увеличивать скорость движущихся в циклотроне частиц, если только плавно увеличивать напряженность магнитного поля. Ускорение частиц в такой установке надо вести импульсным методом. При возрастании поля установка работает, обратный цикл является холостым.

Описанный способ не является единственным приемом осуществления автофазировки. Другой принцип заключается в медленном изменении периода электрического напряжения. Идея та же самая: возрастание массы заряженной частицы влечет за собой увеличение периода обращения в магнитном поле; мы подгоняем к этому нарастанию соответствующее изменение режима переменного электрического поля. Ускоритель, в котором медленно увеличивается период электрического напряжения, носит название фазотрона (синхроциклотрона). Траектория частицы в фазотроне представляет собой плоскую спираль. Чем дальше зайдет эта спираль, тем большая энергия частиц будет достигнута. Таким образом, увеличение энергии связано с увеличением площади ускорительной камеры, находящейся в магнитном поле. Из существующих ускорителей этого типа наиболее мощным является фазотрон АН СССР с весом магнита 7000 т. Этот фазотрон дает пучок протонов с энергией 680 МэВ.

Фазотроны ограничены энергиями порядка сотен дальнейшее увеличение их возможностей привело бы к немыслимому увеличению веса магнита. Энергии частиц в миллиарды электрон-вольт достигаются в синхрофазотроне.