Синхроциклотрон (фазотрон)

Фазотрон является модификацией классического циклотрона. Он позволяет ускорять частицы до энергий 800…1000 МэВ. Средняя интенсивность пучка ускоренных частиц в сотни и тысячи раз меньше чем в циклотроне. Название синхроциклотрон было введено Лоуренсом. У нас – фазотрон. Принцип действия этой машины состоит в том, что частота ускоряющего напряжения в зазоре между дуантами не остается постоянной, а постепенно уменьшается по мере того, как падает частота вращения частиц из-за релятивистского увеличения массы и спада напряженности магнитного поля. В обычном циклотроне вся спиральная траектория заполнена пакетами ускоряемых частиц, находящихся в различных стадиях ускорения, начиная от момента выхода из источника в центре сечения зазора и кончая выпуском пучка на конечном радиусе. В синхроциклотроне переменная частота ускоряющего напряжения совпадает с частотой вращения лишь небольшой группы частиц, находящихся на одном из участков траектории. Все остальные частицы не захватываются в режим ускорения. Вследствие этого интенсивность пучка синхроциклотрона значительно меньше интенсивности пучка обычного циклотрона. На рис. 55 схематически показано положение небольшого сгустка ускоряемых частиц в три последовательных момента времени: t₁, t₂ и t₃. Только для этого пакета частиц в течение всего периода ускорения осуществлено резонансное условие: т.е. равенство частот вращения и ускоряющего напряжения.

Рис. 55. Положение сгустка ускоряемых в циклотроне ча­стиц в три последовательных момента времени.

Несмотря на кажущуюся простоту принципа дей­ствия фазотрона, до открытия автофазировки никто не решался разрабатывать, и сооружать подобную машину. Было ясно, что осуществить точное равенство частот вращения и ускоряющего напряжения в период ускорения практически невозможно. При большом числе оборотов частиц малейшая ошибка приводит к накоплению расхождения фаз и очень скоро пакет частиц по­падет в замедляющую фазу напряжения и ускорение прекратится. При точном совпадении частот резонансные условия удовлетворялись бы только для бесконечно короткого пакета частиц. Для всякой другой группы частиц, отстающих от этого бесконечно тонкого пакета или опережающих его, происходило бы накопле­ние ошибки фазы, и наблюдался бы постепенный выход из режима ускорения. Вследствие этого интенсивность пучка была бы ни­чтожно малой. После того, как было показано, что механизм автофазировки, связанный с релятивистским изменением массы, позволяет допускать значительное несовпадение частот, и обеспе­чивает ускорение достаточно протяженного пакета частиц без их потерь, началась усиленная работа по созданию синхроцикло­тронов.

Если фаза частиц отличается от равновесной, то в результате действия автофазировки она будет колебаться вокруг равновесной. Такие колебания называются фазовыми колебаниями.

Обычно в синхроциклотронах фазовые колебания охватывают сравнительно узкую зону фаз, главным образом на спадающих участках кривой напряжения в пределах от φ = 0 до φ = π/2. Это объясняется тем, что в синхроциклотронах так же, как и в обычных циклотронах, в ускоряющий режим захватываются только частицы, которые попадают в промежуток между дуантами в указанной фазе напряжения. Все остальные частицы, из-за вертикальной дефокусировки электрическим полем дуантов, в начальный период не попадают в режим ускорения. Частота фазовых колебаний обычно очень мала.

Фазовые колебания частицы связаны с колебаниями радиаль­ными. Поэтому обычно оба эти явления рассматриваются сов­местно в виде радиально-фазовых колебаний. Радиус мгновенной орбиты частицы при заданном значении магнитного поля зависит от ее энергии. Колебания энергии при фазовых колебаниях не­избежно приводят к соответствующим изменениям радиуса орбиты.

Ускоряющее напряжение в синхроциклотронах может выбираться значительно меньшим, чем в обычных циклотронах, — порядка десятков, а не сотен киловольт. Автофазировка позволяет производить ускорение достаточно долго и поэтому дает возможность выбирать ускоряющее напряжение, наивыгоднейшее по конструктивным соображениям. Устройство для периодического изменения частоты может работать лишь при сравнительно низком напряжении. Мощность высокочастотной системы при понижении напряжения уменьшается, а конструкция ускоряющей системы становится проще.

У различных синхроциклотронов частота модуляции колеблется в пределах в диапазоне 60… 2000 Гц в зависимости от основных параметров. Эта частота зависит от конечной энергии ускоряемой частицы и от принятой величины ускоряющего напряжения.

Вариация частоты осуществляется с помощью специального конденсатора переменной емкости, включенного в резонансный контур. Этот конденсатор обычно называется вариатором, он представляет собой сложную вращающуюся многодисковую машину с лопатками на статоре и роторе (рис. 56).

Рис. 56. Ротор вариатора синхроциклотрона.

По своей конструкции вариатор напоминает роторный генератор с метал­лическим ротором, описанный ниже и схематически показан­ный на рис. 33. Диаметр ротора выбирается обычно около 1 м. Скорость вращения ротора вариатора 1500—3000 об/мин. Ротор приводится в движение от электродвигателя, вал которого проходит в полость вариатора через сложные скользящие вакуумные уплотнения.

Существуют конструкции, в которых статор электродвигателя расположен за пределами вариатора, а ротор внутри него. Энер­гия от статора к ротору передается через тонкую стенку с помощью вращающегося магнитного поля.

Вакуумная конструкция вариатора устраняет потери на тре­ние лопаток о газовую среду и повышает электрическую проч­ность промежутков. Благодаря этому зазоры между лопатками вариатора сводятся к минимуму и обусловливаются лишь монтажно-сборочными допусками. Уменьшение зазоров между лопатками повышает максимальную емкость вариатора, а, следовательно, и глубину вариации. Поверхность лопаток обычно хромируется и тщательно полируется, благодаря чему повышается электрическая прочность промежутков и уменьшаются потери поверхностных токов. Отвод тепла, связанного с протеканием токов по поверхности деталей вариатора, производится с помощью масла. Если внутри вариатора неизбежны открытые поверхности охлаждающей жидкости, то применяют вакуумное масло с низкой упругостью пара.

Синхроциклотрон обычно имеют однодуантную систему. Основные узлы фазотрона мало отличаются от узлов обычных циклотронов. Они имеют лишь большие размеры.