Кожен раз, коли частка, що рухається в магнітному полі по колу, підлітає до зазору між дуантами, вона в такт зі зміною електричного поля отримує прискорює «ляпас». В кінцевому підсумку енергія частинки збільшується, і вона, рухаючись все швидше і швидше, крутиться по кривій типу розкручування спіралі.
Зрозуміло, електричне поле в зазорі залежно від його напряму може або прискорювати, або гальмувати заряди. Очевидно, потрібно підібрати таку частоту генератора, щоб максимум напруги в проміжку між дуантами припадав щоразу на момент знаходження там частки. Але як бути тоді з подальшим рухом протона, коли він почне описувати все більші й більші півкола? Чи буде він встигати на даний момент за циклічними змінами електричного поля?
В циклотроні на заряджену частинку діють дві сили: відцентрова, яка прагне «викинути» частку з циклотрона, і сила Лоренца, яка змушує частку рухатися по колу. Якщо магнітне поле постійне по всій області руху частинки, то і час руху частинки по півкола будь-якого радіусу постійно.
У цьому основна причина простоти роботи циклотрона. Генератор робить змінну напругу фіксованої частоти, яке в незмінні проміжки часу доповідає часткам прискорюють імпульси. Чудово, що описаний спосіб дозволяє підвищити початкову енергію протона в сотки і навіть тисячі разів (дуже до 20-25 МеВ), хоча напруга на дуантах не перевищує декількох 10-ов або сотень кіловольт. Ви запитаєте, чому тільки до 25 МеВ, а не до 1000 МеВ або ще більш високої енергії? Адже можна збільшити індукцію магнітного поля або вибудувати більш великий циклотрон.
Але значно підвищити магнітне поле в циклотронах не вдається. Дуже досяжне значення індукції лімітується насиченням в залізних полюсних наконечниках і становить приблизно 1,5-2 Тл. Що ж стосується габаритів прискорювача, то підрахували, що один тільки магніт циклотрона на 10000 МеВ, при В = 1,5 Тл, важив би більше 1 млн.
Але це ще не все. Якщо навіть вибудувати великий циклотрон, чекаючи отримати більш високі енергії, то виявиться, що частинки енергією в декілька мегаелектронвольт не встигають вчасно підлітати до прискорює проміжку. На зовнішніх орбітах, де протони повинні були б придбати гігантську енергію, вони рухаються все повільніше і повільніше. Зрештою це призводить до порушення синхронності між роботою генератора і циркуляцією протонів (расфазіровке); частинки випадають з такту, і процес прискорення припиняється. Чому ж це відбувається? Адже якщо заряд частки не обмінявся і залишається такою магнітне поле, то і час обороту частки по будь-якій орбіті не повинно змінюватися.
Насправді це не зовсім так. Період Т не залежить від швидкості частинки і радіуса орбіти тільки при швидкостях, малих порівняно зі швидкістю світла. Коли ж швидкість частинки наближається до швидкості світла - фізики називають такі частинки релятивістськими, маса її відповідно до невблаганною теорією відносності різко зростає. Але частка більшої маси менш рухлива - вона починає відставати і потрапляє в гальмівне поле. Як бачите, сам принцип роботи циклотрона не дозволяє отримувати протони енергією більше 20-25 МеВ. Всі проби прискорити схожим способом заряджені частинки до високих енергій виявилися безуспішними.
Вихід із цього становища був знайдений українським фізиком В. І. Векслер. Він зумів скласти такий графік руху частинки, в якому автоматом враховується зростання їх маси. Ви, природно, бачили, як котиться по сходах м'яч. Він спочатку стрибає з одного ступеня на іншу, пізніше швидкість його збільшується, і він вже перестрибує через дві сходинки, пізніше через три, чотири і т. Д. Щось схоже Векслер запропонував робити і в прискорювачах. У міру зростання швидкості частинок змінювати або індукцію магнітного поля або частоту генератора. Підкоряючись впливу поля змінюється частоти, частинки самі по собі приходять до прискорює проміжку саме в цей момент, коли це необхідно. Таким чином, процес прискорення може тривати і при дуже величезних енергіях. На цьому принципі (фізики назвали його автофазіровкой) заснована дія багатьох сучасних прискорювачів. Але це вже не звичайні циклотрони.