СИНХРОТРОН ПРОТОННЫЙ

СИНХРОТРОН ПРОТОННЫЙ

- циклич. резонансный ускоритель протоновс изменяющимся во времени магн. полем и синхронно изменяющейся частотойэлектрич. ускоряющего поля w. Протонными синхротронами часто называют ианалогичные 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 спомощью спец. эл.-магн. инжекторной системы 3, к-рая обычно оканчиваетсяпластинами с отклоняющим электростатич. полем (это поле по окончании инжекциивыключается). Частицы ускоряются переменным высокочастотным электрич. полемускоряющих 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 определённомпорядке. Система электромагнитов 5 обеспечивает также устойчивость продольных синхротронных колебаний (радиально-фазовых). Траектории частиц вС. п. с точностью до неск. см совпадают с идеальной равновесной орбитой6.

Рис. 1. Схема протонного синхротрона: 1 -- инжектор; 2 - вакуумнаякамера; 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. ускорителейизмеряются километрами. Частота ускоряющего поля w _вч должнабыть кратна частоте обращения частиц в ускорителе

где v - скорость частиц, L - длина их траектории, к-раяпрактически всегда может быть заменена длиной равновесной орбиты, т. е. <длиной такой замкнутой кривой, к-рая принадлежит к числу возможных траекторийдвижения частиц с данным импульсом. Целое число q наз. кратностьюускоряющего поля. Ф-ла (1) показывает, что индукция магн. поля в С. п. <должна увеличиваться вместе с импульсом частиц. Для сокращения размерови экономии электроэнергии в ускорителях на большие энергии всё шире начинаетприменяться сверхпроводимость. Частота ускоряющего поля должна увеличиватьсявместе со скоростью частиц и в течение ускоряющего цикла может изменятьсяв 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. возможныи более сложные режимы) и называется рабочим циклом (или циклом ускорения).После паузы 1 маги, поле начинает возрастать и при подходящем егозначении происходит инжекция 2, в течение к-рой вакуумная камераС. 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 каскадныесхемы, в к-рых инжектором основного С. п. является небольшой С. п.- б ус т е р. Под действием ускоряющего ВЧ-поля инжектируемые частицы группируютсяв q сгустков; при этом теряется часть пучка, оказавшаяся вне сепаратрис, <ограничивающих области устойчивости продольных колебаний. Захваченные врежим ускорения частицы ускоряются ВЧ электрич. полем, частота к-рого всоответствии с ф-лами (1) и (2) синхронизуется с магн. полем системамиавтоподстройки по пучку. Во время захвата и ускорения 3 частицымогут быть потеряны под действием ряда факторов: рассеяния на остаточномгазе, влияния возмущений магн. и ускоряющего полей, коллективных эффектов, <вызванных собств. полем пучка, его взаимодействием со стенками вакуумнойкамеры и т. д. После окончания стадии ускорения частицы выводятся (4 )из С. п. и направляются пользователям: для физ. экспериментов, инжекциив др. ускоритель и т. д. В связи с тем что детекторы имеют ограниченнуюскорость счёта, на совр. С. п. широко используются схемы медленного вывода, <растягивающие процессы вывода частиц до неск. секунд или более. Индукциямагн. 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, включающеецелый ряд техн. систем: магн. систему, систему ускорения, вакуумную систему, <системы инжекции и вывода, систему диагностики пучка, систему контроляи управления и т. д. Рассмотрим кратко две осн. системы: магнитную и системуускорения.

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. традициейразличают С. п. со слабой фокусировкой (в старой отечеств. литературе -синхрофазотроны), у к-рых Q,. и Q_z <1, и С. <п. с сильной фокусировкой (<1) (см. Фокусировка частиц в ускорителе). Для создания сильной фокусировки применяют магниты, у к-рых градиентмагн. поля многократно меняет знак (см. Знакопеременная фокусировка). В качестве элементов магн. системы используются либо магниты с совмещённымиф-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 поворачивающиемагниты 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 сверхвысокуюэнергию применяются и непериодич. группы («вставки»), в к-рых размещаютсяспец. 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 возмущениймагн. поля на орбите, вызванных систематич. или случайными ошибками в полемагнитов, ошибками их установки и т. д. Погрешности магн. систем становятсяособенно заметными, если числа бетатронных колебаний Q_r и Q_z приближаются к целым (резонансное влияние погрешностейв индукции магн. поля) и полуцелым значениям (погрешности в величине дВ ₂/дr).

Ускоряющая система обеспечивает ускорение частиц, а также устойчивостьсинхротронных (радиально-фазовых) колебаний импульса и продольной координатычастицы около равновесного значения, соответствующего центру ускоряемогосгустка. Ускоряющая система состоит из нескольких или многих ускоряющихстанций, возбуждающих нагруженные или полые (в ультрарелятивистских С. <п.) резонаторы. Резонаторы располагаются в промежутках между элементамимагн. системы. Для управления частотой резонаторов широко применяется подмагничиваниеферритов, к-рыми нагружается резонатор. Частота резонатора синхронизуетсяс частотой обращения частиц с помощью спец. систем автоподстройки. Погрешностии шумы в частоте, напряжении и др. параметрах ускоряющей системы приводятк шумовой раскачке амплитуды синхротронных колебаний. Стабилизирующим факторомявляется затухание фазовых колебаний, происходящее при увеличении полной(в релятивистском смысле) энергии частиц

Основные характеристики протонного синхротрона. Наиб. важныехарактеристики ускорителей - предельная энергия и интенсивность ускоренногопучка. 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 видноиз (1), для повышения энергии необходимо увеличивать магн. жёсткость . Обычные железные магниты не позволяют достичь величин индукций, существеннопревосходящих 2 Тл; поэтому в С. п. на сверхвысокие энергии используютсясверхпроводящие магниты, индукция к-рых может достигать 6-8 Тл. РадиусС. п. также возрастает: предполагается, что в проектируемой в США установкеSSC ср. радиус будет равен 13,8 км. В связи с увеличением размеров установки стоимостьС. п. также растёт, однако не очень быстро, т. к. размеры вакуумной камеры(и, следовательно, апертура магнитов) при этом, как правило, несколькосокращаются. Уменьшить размеры вакуумной камеры можно, сокращая размерыинжектируемого пучка (при инжекции из бустера этому способствует уменьшениеразмеров пучка, происходящее при его ускорении ).Среди др. применяемых мер укажем на усовершенствование методов коррекциивозмущений магн. поля, улучшение вакуума и связанное с этим уменьшениерассеяния на остаточном газе.

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

Величина N определяется числом инжектиров. частиц и потерямиво время ускорения. В совр. С. п. N, как правило, приближается кпредельному значению, определяемому коллективными эффектами: допустимымсдвигом частоты поперечных колебаний, коллективными неустойчивостями ит. д. Длительность цикла ускорения зависит гл. обр. от скорости роста магн. <поля в поворотных магнитах и меняется в очень широких пределах: от 0,05с 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. Последнийиз этих С. п.- тэватрон - объединяет в себе функции ускорителя и накопительногокольца 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 - сверхпроводящийсуперстолкновитель (США, Техас, 2 х 20 ТэВ). Эти установки также объединяютв себе ф-ции С. п. и столкновителя. Намеченное время сооружения - 1996и 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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.