синхротрон протонный

СИНХРОТРОН ПРОТОННЫЙ - циклич. резонансный ускоритель протонов с изменяющимся во времени магн. полем и синхронно изменяющейся частотой электрич. ускоряющего поля w. Протонными синхротронами часто называют и аналогичные по устройству ускорители др. тяжёлых частиц: антипротонов, атомарных и молекулярных ионов и т. д.

Схема С. п. приведена на рис. 1. Протоны, ускоренные в предварит. ускорителе - инжекторе 1, вводятся в кольцевую вакуумную камеру 2 с помощью спец. эл--магн. инжекторной системы 3, к-рая обычно оканчивается пластинами с отклоняющим электростатич. полем (это поле по окончании инжекции выключается). Частицы ускоряются переменным высокочастотным электрич. полем ускоряющих станций 4, размещённых в промежутке между электромагнитами 5, к-рые поворачивают и фокусируют частицы в поперечных направлениях (бетатронные колебания). Эти магниты расположены по кольцу в определённом порядке. Система электромагнитов 5 обеспечивает также устойчивость продольных синхротронных колебаний (радиально-фазовых). Траектории частиц в С. п. с точностью до неск. см совпадают с идеальной равновесной орбитой 6.

Рис. 1. Схема протонного синхротрона: 1 -- инжектор; 2 - вакуумная камера; 3 - устройство ввода; 4 - ускоряющие электроды; 5 - электромагниты; 6 - равновесная орбита; 7 - пучок частиц.

Индукция поля в электромагнитах В, импульс ускоренных частиц р и радиус кривизны их траектории R связаны между собой соотношением , к-рое в удобных для практич. применения единицах имеет вид:

Это соотношение определяет геом. размеры С. п., к-рые у совр. ускорителей измеряются километрами. Частота ускоряющего поля w_вч должна быть кратна частоте обращения частиц в ускорителе

где v - скорость частиц, L - длина их траектории, к-рая практически всегда может быть заменена длиной равновесной орбиты, т. е. длиной такой замкнутой кривой, к-рая принадлежит к числу возможных траекторий движения частиц с данным импульсом. Целое число q наз. кратностью ускоряющего поля. Ф-ла (1) показывает, что индукция магн. поля в С. п. должна увеличиваться вместе с импульсом частиц. Для сокращения размеров и экономии электроэнергии в ускорителях на большие энергии всё шире начинает применяться сверхпроводимость. Частота ускоряющего поля должна увеличиваться вместе со скоростью частиц и в течение ускоряющего цикла может изменяться в неск. раз (она постоянна только при ускорении релятивистских частиц).

На рис. 2 изображена типичная зависимость В и w от времени. Эта зависимость обычно носит периодич. характер (в совр. С. п. возможны и более сложные режимы) и называется рабочим циклом (или циклом ускорения). После паузы 1 маги, поле начинает возрастать и при подходящем его значении происходит инжекция 2, в течение к-рой вакуумная камера С. п. заполняется частицами, поступающими от предварит. ускорителя. В С. п. на умеренную энергию (ГэВ) в качестве инжекторов обычно используются резонансные линейные ускорители; в С. п. на высокую и сверхвысокую энергию широко применяют каскадные схемы, в к-рых инжектором основного С. п. является небольшой С. п.- б у с т е р. Под действием ускоряющего ВЧ-поля инжектируемые частицы группируются в q сгустков; при этом теряется часть пучка, оказавшаяся вне сепаратрис, ограничивающих области устойчивости продольных колебаний. Захваченные в режим ускорения частицы ускоряются ВЧ электрич. полем, частота к-рого в соответствии с ф-лами (1) и (2) синхронизуется с магн. полем системами автоподстройки по пучку. Во время захвата и ускорения 3 частицы могут быть потеряны под действием ряда факторов: рассеяния на остаточном газе, влияния возмущений магн. и ускоряющего полей, коллективных эффектов, вызванных собств. полем пучка, его взаимодействием со стенками вакуумной камеры и т. д. После окончания стадии ускорения частицы выводятся (4)из С. п. и направляются пользователям: для физ. экспериментов, инжекции в др. ускоритель и т. д. В связи с тем что детекторы имеют ограниченную скорость счёта, на совр. С. п. широко используются схемы медленного вывода, растягивающие процессы вывода частиц до неск. секунд или более. Индукция магн. поля в течение медленного вывода не меняется (выходит «на площадку»).

Рис. 2. Рабочий цикл протонного синхротрона: 1 - пауза; 2 - инжекция; 3 - ускорение; 4 - медленный вывод; 5 - спад поля.

Совр. С. п. представляет собой сложное инженерное сооружение, включающее целый ряд техн. систем: магн. систему, систему ускорения, вакуумную систему, системы инжекции и вывода, систему диагностики пучка, систему контроля и управления и т. д. Рассмотрим кратко две осн. системы: магнитную и систему ускорения.

Магнитная система обеспечивает поворот и фокусировку частиц. Жёсткость фокусировки определяется бетатронными частотами Q_r и Q_z - числом поперечных (радиальных и аксиальных) колебаний на оборот (см. Бетатрон ).В соответствии с историч. традицией различают С. п. со слабой фокусировкой (в старой отечеств. литературе - синхрофазотроны), у к-рых Q,. и Q_z < 1, и С. п. с сильной фокусировкой (Q>1) (см. Фокусировка частиц в ускорителе ).Для создания сильной фокусировки применяют магниты, у к-рых градиент магн. поля многократно меняет знак (см. Знакопеременная фокусировка). В качестве элементов магн. системы используются либо магниты с совмещёнными ф-циями, в к-рых создаётся магн. поле, имеющее как поворачивающую B_z, так и фокусирующую составляющие, либо магниты с разделёнными ф-циями, т. е. дипольные поворачивающие магниты без градиента и квадрупольные фокусирующие линзы, не имеющие поворотного магн. поля (В_z = 0).

Магниты в ускорителях объединяют в периодич. группы сложной конфигурации (периоды и суперпериоды магн. системы); иногда в С. п. на сверхвысокую энергию применяются и непериодич. группы («вставки»), в к-рых размещаются спец. системы для исследования встречных пучков, мощные ускоряющие системы, системы аварийного вывода пучка и т. д. Магн. система включает также элементы (в виде отд. магнитов, дополнит. обмоток, шимм и т. д.) для коррекции возмущений магн. поля на орбите, вызванных систематич. или случайными ошибками в поле магнитов, ошибками их установки и т. д. Погрешности магн. систем становятся особенно заметными, если числа бетатронных колебаний Q_r и Q_z приближаются к целым (резонансное влияние погрешностей в индукции магн. поля) и полуцелым значениям (погрешности в величине дВ₂/дr).

Ускоряющая система обеспечивает ускорение частиц, а также устойчивость синхротронных (радиально-фазовых) колебаний импульса и продольной координаты частицы около равновесного значения, соответствующего центру ускоряемого сгустка. Ускоряющая система состоит из нескольких или многих ускоряющих станций, возбуждающих нагруженные или полые (в ультрарелятивистских С. п.) резонаторы. Резонаторы располагаются в промежутках между элементами магн. системы. Для управления частотой резонаторов широко применяется подмагничивание ферритов, к-рыми нагружается резонатор. Частота резонатора синхронизуется с частотой обращения частиц с помощью спец. систем автоподстройки. Погрешности и шумы в частоте, напряжении и др. параметрах ускоряющей системы приводят к шумовой раскачке амплитуды синхротронных колебаний. Стабилизирующим фактором является затухание фазовых колебаний, происходящее при увеличении полной (в релятивистском смысле) энергии частиц

Основные характеристики протонного синхротрона. Наиб. важные характеристики ускорителей - предельная энергия и интенсивность ускоренного пучка. Совр. С. п. позволяют достичь самых высоких (в принципе неограниченных) значений энергии; интенсивность же С. п. слишком мала для их техн. применения. Поэтому осн. приложение С. п. - физика частиц высоких энергий. Как видно из (1), для повышения энергии необходимо увеличивать магн. жёсткость . Обычные железные магниты не позволяют достичь величин индукций, существенно превосходящих 2 Тл; поэтому в С. п. на сверхвысокие энергии используются сверхпроводящие магниты, индукция к-рых может достигать 6-8 Тл. Радиус С. п. также возрастает: предполагается, что в проектируемой в США установке SSC ср. радиус будет равен 13,8 км. В связи с увеличением размеров установки стоимость С. п. также растёт, однако не очень быстро, т. к. размеры вакуумной камеры (и, следовательно, апертура магнитов) при этом, как правило, несколько сокращаются. Уменьшить размеры вакуумной камеры можно, сокращая размеры инжектируемого пучка (при инжекции из бустера этому способствует уменьшение размеров пучка, происходящее при его ускорении). Среди др. применяемых мер укажем на усовершенствование методов коррекции возмущений магн. поля, улучшение вакуума и связанное с этим уменьшение рассеяния на остаточном газе.

Ср. интенсивность С. п. (число ускоренных протонов в с) определяется ф-лой: где N - число частиц, ускоренных за рабочий цикл, Т - длительность этого цикла.

Величина N определяется числом инжектиров. частиц и потерями во время ускорения. В совр. С. п. N, как правило, приближается к предельному значению, определяемому коллективными эффектами: допустимым сдвигом частоты поперечных колебаний, коллективными неустойчивостями и т. д. Длительность цикла ускорения зависит гл. обр. от скорости роста магн. поля в поворотных магнитах и меняется в очень широких пределах: от 0,05 с у быстрых бустеров до 100- 150 с у С. п. на сверхвысокие энергии.

Основные параметры некоторых действующих протонных синхротронов

Осн. параметры нек-рых из действующих С. п. сведены в табл. Последний из этих С. п.- тэватрон - объединяет в себе функции ускорителя и накопительного кольца со встречными пучками. Тэватрон - первый из С. п. со сверхпроводящими магнитами на энергию, измеряемую многими сотнями ГэВ. Наиб. крупные проектируемые установки: LHC - большой адронный столкновитель (CEPN, Женева, 2x8 ТэВ) и SSC - сверхпроводящий суперстолкновитель (США, Техас, 2 х 20 ТэВ). Эти установки также объединяют в себе ф-ции С. п. и столкновителя. Намеченное время сооружения - 1996 и 1998 гг. соответственно.

Лит.: Коломенский А. А., Лебедев А. Н., Теория циклических ускорителей, М., 1962; Лебедев А. Н., Шальнов А. В., Основы физики и техники ускорителей, т. 1-3, М., 1981-83; Catalogue of high energy accelerations, Tsukuba, 1989. П. Р. Зенкевич.