Вопрос №10. Циклические ускорители
.pdfВопрос № 10. Циклические резонансные ускорители с постоянным магнитным полем: циклотрон, изохронный циклотрон, фазотрон (синхроциклотрон), микротрон. Принципы работы, отличия.
1
ЦИКЛОТРОН
Вопрос № 10. Циклические резонансные ускорители с постоянным магнитным полем: циклотрон, изохронный циклотрон, фазотрон (синхроциклотрон), микротрон. Принципы работы, отличия.
2
Более подробно о принципе работы (взято из Коломенского, Лебедева)
Вопрос № 10. Циклические резонансные ускорители с постоянным магнитным полем: циклотрон, изохронный циклотрон, фазотрон (синхроциклотрон), микротрон. Принципы работы, отличия.
3
Вопрос № 10. Циклические резонансные ускорители с постоянным магнитным полем: циклотрон, изохронный циклотрон, фазотрон (синхроциклотрон), микротрон. Принципы работы, отличия.
4
Вопрос № 10. Циклические резонансные ускорители с постоянным магнитным полем: циклотрон, изохронный циклотрон, фазотрон (синхроциклотрон), микротрон. Принципы работы, отличия.
5
Вопрос № 10. Циклические резонансные ускорители с постоянным магнитным полем: циклотрон, изохронный циклотрон, фазотрон (синхроциклотрон), микротрон. Принципы работы, отличия.
6
Теоретические значения предельной энергии частиц в циклотроне.
Частицы |
E0 |
Wlim (в МэВ) |
|
|
|
|
|
|
(в МэВ) |
|
|
|
V0=100 кВ |
V0=500 кВ |
|
|
|
|
|
Протоны |
938 |
20 |
50 |
|
|
|
|
Дейтоны |
1876 |
30 |
70 |
|
|
|
|
-частицы |
3733 |
60 |
140 |
|
|
|
|
Вопрос № 10. Циклические резонансные ускорители с постоянным магнитным полем: циклотрон, изохронный циклотрон, фазотрон (синхроциклотрон), микротрон. Принципы работы, отличия.
7
+: Лекция Баева:
Вопрос № 10. Циклические резонансные ускорители с постоянным магнитным полем: циклотрон, изохронный циклотрон, фазотрон (синхроциклотрон), микротрон. Принципы работы, отличия.
8
ИЗОХРОННЫЙ ЦИКЛОТРОН
В качестве модификации классического циклотрона был предложен изохронный циклотрон, в котором период Т обращения частиц не зависит от их инергии.
Зависимость периода фазы частиц в классическом циклотроне приводит к тому, что существенное повышение их предельной энергии требует применения очень высоких напряжений V0 между дуантами, однако это практически неприменимо из-за тезнических трудностей.
Вопрос № 10. Циклические резонансные ускорители с постоянным магнитным полем: циклотрон, изохронный циклотрон, фазотрон (синхроциклотрон), микротрон. Принципы работы, отличия.
9
ФАЗОТРОН
Фазотрон, синхроциклотрон — циклический ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, дейтронов, ионов и др.), в котором магнитное поле однородно и постоянно во времени, а частота ускоряющего электрического поля меняется.
Вфизике высоких энергий этот тип ускорителей считается устаревшим, однако он все ещё используется, например, в медицине.
Всвоих основных чертах принцип действия и устройство синхроциклотрона те же, что и у циклотрона. Отличием является компенсация эффекта релятивистского запаздывания путём соответствующего снижения частоты ускоряющего поля.
Синхроциклотрон функционирует в режиме повторяющихся с определённой частотой интервалов ускорения. Частота ускоряющего электрического поля в рабочей части каждого интервала падает в соответствии с энергией частиц, а в конце интервала возвращается к своему начальному значению.
Вопрос № 10. Циклические резон ансные ускорители с постоянным магнитным полем: цик лотрон, изохронный циклотрон, фазотрон (синхроциклотрон), микротрон. Принципы работы, отличия.
10
[ для справки: Принцип автофазировки
В циклическом ускорителе установлен высокочастотный резонатор, создающий ускоряяющее продольное
электрическое поле. Соответствующее ему напряжение: . Для резонансного ускорения, частицы пучка должны проходить через резонатор в одной и той же фазе. Пусть есть некая центральная частица в пучке (равновесная частица), которая приходит в резонатор в момент времени
и получает энергию , где — заряд частицы. Если какая-то частица имеет отклонение по энергии от энергии равновесной частицы , то такая частица совершает один оборот за другое время, чем равновесная. В первом приближении поправка линейно связана с ошибкой
по энергии: , где . Первое слагаемое, ко эффициент
расширения орбит , отвечает за удлинение орбиты, а второе, выраженное через релятивистский фактор , отвечает за изменени е скорости движения частицы. Для ультрарелятивистских частиц, их скорость почти неизменна, второ е слагаемое несущественно, и коэффициент . В этом случае,
частица с большей энергией, имея больший период обращения, придёт в следующий раз в резонатор |
||
́ |
|
|
позже равновесной |
. Ес ли равновесная фаза |
расположена на спадающем склоне |
синусоиды напряжения ВЧ, то запоздавшая частица получит меньше энергии, то есть её отклонение по энергии от равновесного значен ия сократится. Аналогично, частица с меньшей энергией получит больше,
чем равновесная. Таким образо м, частицы пучка будут совершать малыесинхротронн ые колебания вокруг равновесного з начения[1].
Аналогичные рассуждения можно провести для случая , только для автофа зировки следует
выбрать нарастающий склон синусоиды ВЧ, в противном случае частицы будут совер шать инфинитное движение в фазовой плоскости .
Следует отметить, что в резонан сном ускорителе циклотроне принцип автофазировки не выполняется,
поскольку нерелятивистские частицы имеют период обращения, не зависящий от энер гии. Это значит, что частица с отклонением по энерги и не будет сокращать отстройку, а частица с отклоне нием по фазе прихода в ускоряющий зазор буд ет сохранять отстройку по фазе и наращивать отстройку по энергии.]
Дополнительно: