Автофазировка

АВТОФАЗИРОВКА (фазовая устойчивость), возникновение в резонансных ускорителях фазовой устойчивости при взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями, обеспечивающей требуемый прирост энергии частиц.

Явление открыто в 1944-45 годах В. И. Векслером и независимо от него Э. М. Макмилланом. В резонансных ускорителях прирост энергии частиц происходит в ускоряющих элементах, состоящих из набора высокочастотных резонансных ячеек, в которых с помощью внешних источников синхронно возбуждаются электромагнитные колебания определённой частоты, и возникает продольное электрическое поле, попеременно ускоряющее либо тормозящее частицы. Заряженные частицы ускоряются, если при очередном пересечении резонансных ячеек они каждый раз оказываются в фазе, совпадающей с фазой ускоряющего поля (или очень близкой к ней), и поэтому непрерывно увеличивают свою энергию. Необходимая синхронизация достигается подбором последовательного смещения фаз колебаний в отдельных резонансных ячейках с учётом движения ускоряемых частиц. В линейных ускорителях резонансные элементы расположены вдоль прямой траектории движения частиц, в циклических системах - вдоль замкнутой орбиты.

В резонансных ускорителях реально ускоряются не одиночные частицы, а следующие один за другим сгустки частиц, в которых одни частицы движутся перед центром сгустка, а другие - за ним. Следовательно, частицы сгустка пересекают резонансные ячейки в различные моменты времени и имеют различные фазы. Тем не менее, все частицы могут ускоряться, поскольку они благодаря автофазировке могут удерживаться в области некоторой равновесной фазой поля. Для частиц синхронизованные колебания в отдельных резонансных ячейках представляют собой волну электрического поля, бегущую вдоль орбиты вместе со сгустками, разделёнными расстояниями, равными длине волны поля. Равновесная фаза ускорения φ₀ (рисунок) находится в положительной полуволне поля. Для линейных систем она расположена на переднем склоне полуволны. Частицы с фазой φ_1, опережающие центры сгустков, оказываются ниже на склоне полуволны электрического поля. Они набирают энергию eV₀cosφ₁, меньшую, чем равновесные частицы, снижают скорость движения и, таким образом, приближаются к равновесному положению (здесь е - электрический заряд частицы, V₀ - амплитуда ускоряющего напряжения). Частицы с фазой φ₂, отстающие от центра сгустка, оказываются выше на склоне полуволны и набирают энергию eV₀cosφ₁, большую, чем равновесная частица, и в итоге также приближаются к равновесному положению. В результате все частицы сгустка с фазой, близкой к равновесной фазе φ₀, в дальнейшем совершают около неё устойчивые фазовые колебания и сохраняются в ускорительном цикле.

В циклических ускорителях скорость изменения положения частиц на орбите определяется частотой обращения частиц, которая с приростом энергии может либо увеличиваться (равновесная фаза на переднем фронте полуволны), либо уменьшаться (равновесная фаза на заднем фронте полуволны). Такая ситуация типична, например, для синхротронов.

Автофазировка приводит к продольному сжатию пучка и уменьшению относительной неоднородности энергии ускоренных частиц.

Лит. смотри при статье Ускорители заряженных частиц.   

В. К. Гришин.