Плексатрон как тип ускорителя¶

Плексатрон — тип циклического резонансного ускорителя заряженных частиц, в котором магнитное поле, удерживающее частицы на орбите, создаётся не сплошным полем электромагнита, а системой отдельных катушек, а ускорение обеспечивается многократным прохождением частиц через ускоряющий промежуток. Плексатрон представляет собой промежуточное звено между циклотроном и синхротроном и относится к классу ускорителей с пространственно-неоднородным магнитным полем. Термин образован от английского plexus — «сплетение», «переплетение», что отражает характер распределения магнитного поля, создаваемого набором обмоток.

¶История и происхождение

Идея ускорителя с магнитным полем, формируемым отдельными катушками, была предложена в начале 1950-х годов в ходе поиска способов преодолеть ограничения циклотрона. В классическом циклотроне масса частицы растёт с энергией, что нарушает синхронизм между частотой обращения и частотой ускоряющего напряжения и ограничивает достижимую энергию.

Плексатрон разрабатывался как одна из альтернатив: предполагалось, что специальная конфигурация магнитного поля позволит сохранять устойчивость орбит и одновременно упростить конструкцию магнита. Наибольшую известность получили проекты середины 1950-х годов, в частности работы, выполненные в США и Великобритании. В 1956 году в Оксфорде под руководством физика Т. Говарда был построен небольшой плексатрон на энергию порядка нескольких мегаэлектронвольт, использовавшийся для проверки принципов устойчивости орбит.

Однако уже к концу 1950-х годов плексатрон как самостоятельное направление был вытеснен более перспективными схемами — синхроциклотроном (фазотроном) и синхротроном, которые позволяли достигать существенно более высоких энергий. Практического применения в физике высоких энергий плексатрон не получил.

¶Принцип устройства

Основное отличие плексатрона от других циклических ускорителей заключается в способе формирования магнитного поля.

¶Магнитная система

В плексатроне вместо массивного сплошного электромагнита с полюсными наконечниками применяется набор отдельных катушек, расположенных по кольцу. Каждая катушка создаёт локальное поле, а их суперпозиция формирует результирующее поле в области орбиты. Такая схема позволяет:

• снизить массу магнитной системы;
• гибко управлять конфигурацией поля, изменяя ток в отдельных катушках;
• создавать поле с заданным показателем спада, необходимым для устойчивости движения частиц.

¶Ускорение частиц

Ускорение осуществляется переменным электрическим полем, прикладываемым к ускоряющему промежутку (или нескольким промежуткам). Частица многократно проходит через промежуток, набирая энергию на каждом обороте. Для компенсации роста массы и сохранения синхронизма частота ускоряющего напряжения либо модулируется, либо остаётся фиксированной при соответствующем изменении магнитного поля.

¶Устойчивость орбит

Устойчивость движения частиц обеспечивается специальным профилем магнитного поля: показатель спада поля n должен лежать в определённых пределах, при которых колебания частиц относительно равновесной орбиты (бетатронные колебания) остаются ограниченными. Именно расчёт оптимального профиля поля был главной теоретической задачей при разработке плексатрона.

¶Классификация и место среди ускорителей

Плексатрон принято рассматривать в ряду циклических резонансных ускорителей:

Плексатрон занимает промежуточное положение: он сохраняет постоянство магнитного поля во времени, но использует более сложную пространственную конфигурацию, чем циклотрон.

¶Применение и значение

Практического применения в качестве ускорителя для физических экспериментов плексатрон не получил. Его значение носит преимущественно научно-методический характер:

• на его примере отрабатывались методы расчёта устойчивости орбит в циклических ускорителях;
• исследовались способы формирования магнитного поля системами распределённых обмоток;
• результаты этих работ использовались при проектировании более совершенных ускорителей.

Отдельные технические решения, впервые предложенные в рамках плексатронных проектов (например, управление полем с помощью независимых катушек), позднее нашли применение в системах коррекции поля синхротронов и накопительных колец.

¶Ограничения

К основным недостаткам плексатрона относятся:

• сложность создания достаточно однородного и устойчивого поля системой отдельных катушек;
• ограничения по достижимой энергии, связанные с необходимостью сохранять синхронизм;
• большие потери частиц из-за несовершенства орбит;
• конкуренция со стороны более простых и эффективных схем ускорения.

По совокупности этих причин плексатрон остался преимущественно теоретическим и экспериментальным этапом в развитии ускорительной техники, не выйдя за рамки лабораторных прототипов.