Автофазировка

явление, обеспечивающее ускорение электронов, протонов, альфа-частиц, многозарядных ионов до высоких энергий (от нескольких Мэв до сотен Гэв) в большинстве ускорителей заряженных частиц (См. Ускорители заряженных частиц). Открыто советским физиком В. И. Векслером в 1944 и независимо от него американским физиком Э. Макмилланом в 1945. Принципиальную роль это явление сыграло в повышении предела достижимых энергий в циклических ускорителях. В циклических ускорителях частицы совершают движение по орбитам в специальной вакуумной камере, помещенной в магнитное поле, и многократно проходят через ускоряющие электроды. Ускорение частиц происходит под действием высокочастотного электрического поля, приложенного к ускоряющим электродам.

Для непрерывного ускорения частиц необходимо, чтобы в моменты ускорения направления движения частицы и электрического поля совпадали. Для этого нужно обеспечить синхронизм (резонанс) между движением частиц и изменением электрического поля. Если амплитуда разности потенциалов между электродами равна V0, то приобретаемая частицей с зарядом е энергия ΔЕ при каждом прохождении через ускоряющий промежуток равна ΔЕ = eV0cosφ, где (φ — фаза электрического поля в момент прохождения частицы, отсчитываемая от его максимального значения. Фазу поля φ, при которой частица пролетает через ускоряющий промежуток, называют для краткости фазой частицы. Чтобы частица двигалась синхронно с изменением ускоряющего поля, её частота обращения ω должна быть равна или кратна частоте ω0 электрического поля.

Ω0= qω, где q — целое число (кратность резонанса). Тогда частица будет проходить ускоряющие электроды при одном и том же значении фазы φ и при каждом прохождении получать от поля одну и ту же энергию. Поэтому она будет всё время ускоряться. Такая ситуация выполняется в Циклотроне — единственном резонансном ускорителе, который существовал до открытия принципа А. В циклотроне частицы движутся в постоянном магнитном поле Н с постоянной частотой обращения ω = eH/mc (где m — масса частицы, с — скорость света). Поэтому при частоте ускоряющего электрического поля ω0 = ω для всех частиц наблюдается точный резонанс с полем. Однако при достижении достаточно большой энергии массу m уже нельзя считать постоянной. Начинает сказываться эффект увеличения массы частицы с ростом энергии (см.

Относительности теория). Возрастание массы приводит к уменьшению частоты обращения ω и к нарушению резонанса между движением частицы и ускоряющим полем. Частицы перестают получать энергию от электрического поля и выпадают из режима ускорения. Поэтому в обычном циклотроне существует предельная энергия, выше которой ускорение невозможно. Для протонов этот предел энергии составляет примерно 20 Мэв. Для сохранения резонанса можно, например, медленно снижать частоту ω0 ускоряющего поля в соответствии с уменьшением ω или медленно изменять напряжённость магнитного поля Н, чтобы компенсировать уменьшение частоты ω (или вместе и то и другое). Но в ускорителе одновременно ускоряются сотни и тысячи миллиардов частиц, имеющих разброс по энергиям, а значит, и по массам.

Следовательно, частицы будут иметь различные частоты обращения ω. 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 ω зависит от энергии, ускоряющее поле частоты ω0 (которая может и медленно меняться) заставляет частицы двигаться по орбитам с частотами, в среднем равными (или кратными) частоте ω0, т.

Е. Реализует резонанс в среднем. При этом фазы частиц колеблются и концентрируются около одной фазы φ0 (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. Ωср = ω0. 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 φ0 и каждый раз получать энергию eV0 cos φ0.

Для того чтобы движение частиц по орбитам было устойчивым, т. Е. Чтобы частицы с фазами φ≠φ0 не выпадали из режима ускорения, синхронная фаза φ0 должна быть положительной — находиться на спаде ускоряющего напряжения (рис. 1). Действительно, частица с меньшей энергией, для которой частота обращения ω > ω0 и которая в некоторый момент движется вместе с синхронной, в дальнейшем будет опережать синхронную, попадать в ускоряющий промежуток раньше и ускоряться при меньшей фазе φ1 eV0 cos φ0, и её частота начнёт уменьшаться, так что в какой-то момент наступит точный резонанс, ω = ω0. Но этот резонанс является только мгновенным — ведь частица по-прежнему будет получать от поля большую энергию и её частота ω будет некоторое время продолжать уменьшаться и станет меньше синхронной, ω < ω0.

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 φ2>φ0. 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 ω0. Соответственно колеблются фазы частиц около значения φ0, а средняя их фаза является устойчивой. Φср = φ0 (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 φ2>φ0) получает большую энергию и начинает догонять синхронную частицу, а опережающая (с фазой φ1 0.

Рис. 2. Синхронная фаза φ0< 0..