Циклотрон - резонансний циклічний прискорювач важких частинок (протонів, іонів), що працює при постійному в часі магн. поле і при постійній (але мінливої при переході від іона до іона) частоті прискорює високочастотного електричні. поля. Слід розрізняти звичайні Ц. в яких брало індукція магнітного. поля не залежить від азимута, і Ц. з азимутальной варіацією магн. поля, інакше звані ізохронними циклотронами.
Перша конструкція Ц. була запропонована Е. Лоуренсом (Е. Lauwrence) в 1932, і тоді ж йому вдалося отримати потік дейтронів з енергією до 6 МеВ і силою струму до 25 мкА.
Схема пристрою Ц. зображена на рис. 1: а - вертикальний і б горизонтальний розрізи. Магн. поле в зазорі між полюсами 2 збуджується котушками 3, через к-які пропускається пост. елект. струм. У цьому зазорі розташовується високовакуумних камера 4. Рухаючись в цій камері, частинки переходять з одного дуанта (електрода, що збуджується ВЧ-напругою) в інший, а потім знову в перший і т. Д. Ускоряющее електричні. поле діє на частинки тільки в той час, коли вони переходять з дуанта в дуантов. У цей момент поле повинно мати потрібний напрямок і достатню величину (резонансне прискорення).
Мал. 1. Схема циклотрона: а - вид збоку; б-вид зверху; 1-ярмо електромагніту; 2-полюса електромагніту; 3 - котушки, що збуджують магнітне поле В; 4 - вакуумна камера; 5 - прискорюють електроди (дуанти).
Розглянемо рух частинок у вакуумній камері Ц. за відсутності прискорює напруги. Траєкторії частинок, що рухаються по азимуту, в пост. вертикальному магн. поле мають вигляд, близький до горизонтально розташованим колах. Необхідна для такого руху центро-стремит. прискорення створює сила Лоренца.
Для частинки, що рухається в Ц. справедливі наступні співвідношення:
де В -індукція магн. поля, з - швидкість світла. Ze - заряд частинки, r - радіус її траєкторії, т0 - маса спокою частинки, р - імпульс, w - частота її звернення в Ц. g - її релятивістський фактор.
Ф-ли (1) і (2) показують, що при пост. індукції В частота звернення нерелятівістскіх частинок в Ц. не залежить від їх енергії, а радіус траєкторії пропорційний імпульсу. Тому траєкторії прискорених частинок є не окружності, а країни, що розвиваються спіралі. Частота прискорюючого поля постійна і дорівнює (або кратна) частоти звернень частинок у вакуумній камері.
Незмінність магн. поля і частоти прискорюючої напруги роблять можливим безперервний режим прискорення: у той час як одні частинки рухаються по зовн. виткам спіралі, інші знаходяться на середині шляху, а треті тільки починають рух (частки инжектируются в вакуумну камеру Ц. поблизу її центру); радіус інжекції залежить від імпульсу, к-рий набувають частки в іонному джерелі або на шляху від джерела до дуантов.
Прискорювані частки заповнюють спіральну траєкторію з вибором. Зайнятими виявляються тільки ті її ділянки, к-які відповідають часткам, що приходять в зазор при прискорює напрямку електричні. ВЧ-поля. Тому пучок прискорених частинок розпадається на ланцюжок наступних один за одним груп частинок (банчів, см. Банчіровка).
При значить. прискоренні частинок, коли відбувається релятивістське збільшення маси (g> 1). частота звернення частинок починає падати, і вони виходять із синхронізму з пришвидшує полем. В такому випадку режим прискорення частинок змінюється їх за.медленіем і їх подальше прискорення стає неможливим. Цього ефекту можна уникнути, якщо зі збільшенням енергії (маси) частки, т. Е. Зі збільшенням радіуса її орбіти, збільшувати індукцію поля В. Однак для Ц. з азимутально-симетричним полем це веде до появи нестійкості вертикального руху прискорених частинок.
При стійкому русі будь-яке відхилення параметрів руху частинок від рівноважних значень повинно супроводжуватися виникненням ефектів, які прагнуть повернути ці параметри до рівноважним, так що частинки здійснюють коливання біля рівноважних значень. Прийнято розрізняти стійкість поперечних коливань (коливань по висоті і по радіусу) і стійкість поздовжнього руху (радіально-фазові коливання).
Можна показати, що в азимутально-симетричному полі вертикальний рух виявляється стійким лише в тому випадку, якщо індукція магнітного. поля не росте, а зменшується з радіусом. Зазвичай таке поле і створюється. Складаючись з релятивістським збільшенням маси, цей ефект накладає доповнить. обмеження на макс. енергію прискорених частинок. У Ц. використовуваних для прискорення протонів, максимально досяжна енергія лежить в області 30 МеВ.
Збільшити енергію, доурую можуть досягти частки, прискорювані в Ц. можливо двома способами. Можна відмовитися від сталості частоти прискорюючої напруги, знижуючи її, у міру того як падає частота звернення частинок. Такі прискорювачі зв. ФАЗОТРОН При змінюється в часі частоті стає неможливим описаний вище режим прискорення, коли в прискорювачі співіснують частки, що знаходяться на різних стадіях процесу прискорення. Частота прискорюючого поля при цьому відповідає прискоренню одного або групи близько розташованих банчів. T. о. збільшення максимально досяжної енергії частинок в ФАЗОТРОН відбувається за рахунок істотного зниження інтенсивності.
Інший шлях досягнення макс. енергії полягає у відмові від азимутальної симетрії магн. поля. У таких прискорювачах частинки поперемінно перетинають області, в яких брало поле зі збільшенням радіуса зростає і зменшується. При правильному виборі параметрів в результаті такого руху з'являється вертикальна стійкість навіть при збільшується з радіусом пор. індукції магнітного. поля. Прискорювачі, побудовані за цим принципом, наз. ізохронним і Ц. Ізохронні Ц. працюють при пост. частоті прискорюючого поля і тому здатні видавати великі струми прискорених частинок. Азимутальное зміна магнітного. поля, поєднане з радіальним, вимагає магн. полюсів складної форми. Полюса ізохронних Ц. зазвичай складаються з неск. секторів або забезпечуються спіралевіднимі гребенями.
Зовн. вид одного з сучасних Ц. працюючого в Інституті ядерних досліджень, представлений на рис. 2. Він може прискорювати як протони, так і іони (до неону включно). На зовн. витку спіралі енергія протонів становить 35 МеВ. Cp. ток прискорених протонів 30 тка. Потужність прискореного пучка становить
1 кВт. Магн. ярмо Ц. важить 300 т, вага котушок збудження
70 т, діаметр магн. полюсів 150 см, споживана від мережі потужність
180 кВт. Габаритні розміри Ц. 8 13 м 2 в плані і 4,5 м по висоті.
Мал. 2. Зовнішній вигляд циклотрона Інституту ядернихісследованій на 35 МеВ по протонам.