Большая Советская энциклопедия (АВ) [БСЭ БСЭ] (fb2) читать постранично, страница - 217

Следовательно, частицы будут иметь различные частоты обращения w. Поэтому невозможно осуществить точный резонанс с ускоряющим полем для движения всего множества ускоряемых частиц. До открытия принципа А. эта трудность казалась непреодолимой.

  Векслер и Макмиллан 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 w0 (которая может и медленно меняться) заставляет частицы двигаться по орбитам с частотами, в среднем равными (или кратными) частоте w0, т. е. реализует резонанс в среднем; при этом фазы частиц колеблются и концентрируются около одной фазы j0 (см. ниже), которая называется синхронной, или равновесной. Это явление и называется А.

  Т. о., А. приводит к тому, что частицы в среднем обращаются синхронно с изменением ускоряющего поля: wср = w0.

  Рассмотрим, как осуществляется А. в циклическом 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 кинетической энергии). Синхронная частица (воображаемая частица, которая движется в точном резонансе с ускоряющим полем) будет ускоряться при одной и той же фазе j0 и каждый раз получать энергию eV0 cos j0. Для того чтобы движение частиц по орбитам было устойчивым, т. е. чтобы частицы с фазами j¹j0 не выпадали из режима ускорения, синхронная фаза j0 должна быть положительной — находиться на спаде ускоряющего напряжения (рис. 1). Действительно, частица с меньшей энергией, для которой частота обращения w > w0 и которая в некоторый момент движется вместе с синхронной, в дальнейшем будет опережать синхронную, попадать в ускоряющий промежуток раньше и ускоряться при меньшей фазе j1<j0. Следовательно, она получит большую энергию: eV0 cos j1 > eV0 cos j0, и её частота начнёт уменьшаться, так что в какой-то момент наступит точный резонанс, w = w0. Но этот резонанс является только мгновенным — ведь частица по-прежнему будет получать от поля большую энергию и её частота w будет некоторое время продолжать уменьшаться и станет меньше синхронной, w < w0. Тогда частица начнёт отставать от синхронной, будет получать меньшую энергию от ускоряющего поля, чем синхронная частица, и её частота станет вновь расти.

  Аналогичный процесс происходит и с частицей, отставшей от синхронной и попадающей в ускоряющий промежуток несколько позже, при фазе j2>j0. Такая частица будет получать от поля меньшую энергию, её частота начнёт расти, и частица будет догонять синхронную.

  Т. о., частоты обращения частиц совершают медленные по сравнению с частотой обращения колебания около значения w0. Соответственно колеблются фазы частиц около значения j0, а средняя их фаза является устойчивой: jср = j0 (отсюда название — 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 называются радиально-фазовыми.

  А. действует и в линейных резонансных ускорителях протонов, в которых (в отличие от циклических 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 электрического напряжения (рис. 2). Тогда при пролёте частицей ускоряющего промежутка поле возрастает, так что отстающая частица (с фазой j2>j0) получает большую энергию и начинает догонять синхронную частицу, а опережающая (с фазой j1<j0) — меньшую энергию и также начинает приближаться к синхронной.

  Принцип А. оказал революционизирующее влияние на развитие ускорительной техники. Появилось семейство разнообразных ускорителей, работающих на основе А.: циклические ускорители электронов (синхротроны) на энергии до 7 Гэв и протонов (синхрофазотроны, фазотроны и др.) до энергии 75 Гэв, циклические 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).

  Об А. в ускорителях