21.4. ОРБИТАЛЬНЫЕ ИЛИ ЦИКЛИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ С ПОСТОЯННЫМ ПОЛЕМ

21.4.1. Циклотроны

Первым циклическим ускорителем элементарных частиц, построенным и успешно работавшим, явился циклотрон с постоянной частотой, описанный Лоуренсом и Ливингстоном [93, 94]. Общее устройство обычного циклотрона показано на рис. 21.10, а; он состоит из двух электродов -образной формы, между которыми приложено высокочастотное электрическое поле синхронное с движением частиц; помимо этого имеется постоянное магнитное поле, направленное перпендикулярно к электродам. Ускоряемыми частицами обычно являются тяжелые ионы, движущиеся с

достаточно малыми скоростями, так что и частота вращения, определяемая уравнением (21.19), становится равной

оставаясь практически постоянной. Если неоднородность электрического поля между -образными электродами мала, то частица при каждом пролете через зазор приобретает энергию где представляет собой фазу электрического поля, при которой частица попадает в зазор.

Рис. 21. 10. Типы циклотронов: а — циклотрон с постоянной частотой; б - фазотрон с переменной частотой; в — зависимость энергии частиц от времени для обоих видов ускорителей. (См. [41].)

После N полных оборотов частица имеет полную энергию, очень близкую к

Частицы инжектируются с помощью специальной пушки, и когда они достигают желаемой энергии, то выводятся через окно из тонкой фольги с помощью отклоняющей системы. Рабочая частота была около при входной мощности приблизительно добротность электродного контура обычно имеет порядок нескольких тысяч. Практический верхний предел энергии протонов составляет около при диаметре магнитных полюсов и поскольку сгусток ускоренных частиц получается в каждом периоде, то средняя интенсивность пучка достигает Был сконструирован [73, 139, 154] трехфазный циклотрон для ускорения протонов, дейтронов и тритонов.

Типичное значение магнитной индукции в циклотроне составляет для чего требуется магнит весом потребляющий мощность Необходимость создания магнитного поля во всей области, включая конечную орбиту частицы, приводит к быстрому росту стоимости ускорителя с увеличением энергии частиц на выходе. Более того, максимальная энергия, получаемая в обычном циклотроне, ограничена радиальным уменьшением магнитного поля,

необходимым для устойчивости орбиты, и релятивистским увеличением массы ускоряемых частиц. Уравнение (21.19) показывает, что уменьшается с ростом кинетической энергии частицы выпадают из синхронизма с ускоряющим полем, что вызывает ограничение конечной энергии.