Плексатрон как тип ускорителя¶

Плексатрон — исторический тип циклического резонансного ускорителя заряженных частиц, в котором магнитное поле, удерживающее частицы на орбите, создаётся массивным внешним ярмом, а ускорение обеспечивается высокочастотным электрическим полем. Название происходит от английского «plexi» (от латинского plexus — «сплетение», «переплетение») и суффикса «-tron», традиционного для ускорителей. Плексатрон представляет собой промежуточное звено между циклотроном и синхротроном: он был предложен в начале 1950-х годов как способ преодолеть ограничения циклотрона по энергии и в то же время избежать сложностей, связанных с синхротронным управлением магнитным полем.

¶История

Идея плексатрона возникла в контексте бурного развития физики высоких энергий в послевоенные годы. К концу 1940-х годов циклотроны достигли предела по энергии протонов — около 20–25 МэВ, поскольку релятивистский рост массы частиц нарушал синхронизм между частотой обращения и частотой ускоряющего напряжения. Для получения более высоких энергий требовались новые схемы.

В 1950 году американский физик Хьюберт Роджерс из Принстонского университета предложил конструкцию, которую назвал плексатроном. Идея состояла в том, чтобы использовать магнитное поле сложной пространственной конфигурации, создаваемое системой катушек с внешним ярмом, что позволяло одновременно удерживать частицы и обеспечивать их устойчивость (жёсткую фокусировку в зачаточной форме). В 1952 году в Принстоне был построен действующий плексатрон, ускорявавший электроны. Несколько установок подобного типа были созданы в США и Европе в 1950-е годы.

Однако уже к концу 1950-х годов плексатроны были вытеснены синхротронами и синхрофазотронами, которые позволяли достигать существенно более высоких энергий при меньших размерах магнита. К 1960-м годам плексатроны как самостоятельный класс ускорителей практически вышли из употребления.

¶Принцип работы

В основе работы плексатрона лежит сочетание двух физических механизмов:

• Удержание частиц осуществляется магнитным полем, создаваемым внешним железным ярмом с обмотками. Конфигурация поля подбирается так, чтобы обеспечить устойчивость орбиты — частицы, отклоняющиеся от равновесной траектории, возвращаются к ней (принцип, близкий к слабой фокусировке).
• Ускорение обеспечивается высокочастотным электрическим полем, прикладываемым к ускоряющему промежутку. Частота поля должна быть согласована с частотой обращения частиц по орбите.

Ключевое отличие плексатрона от циклотрона — в характере изменения магнитного поля во времени. В циклотроне поле постоянно, а частота ускоряющего напряжения фиксирована, что ограничивает энергию. В плексатроне поле и частота могут изменяться по определённому закону, что позволяет частицам набирать энергию дольше и достигать более высоких значений. Вместе с тем в плексатроне, в отличие от синхротрона, орбита частиц не является строго фиксированной по радиусу: она может смещаться в процессе ускорения, что накладывает ограничения на конструкцию вакуумной камеры и магнитной системы.

¶Конструкция

Типичный плексатрон включал следующие основные элементы:

Магнитная система плексатрона была массивной: для удержания частиц с высокой энергией требовались большие железные сердечники и мощные обмотки. Именно громоздкость и высокая стоимость магнитов стали одной из причин отказа от этой схемы в пользу синхротронов, где магнитное поле изменяется синхронно с энергией частиц, а ярмо может быть существенно меньше.

¶Применение и значение

Плексатроны использовались главным образом для ускорения электронов до энергий в несколько десятков МэВ. Они применялись в ядерной физике и физике элементарных частиц для исследований взаимодействий электронов с веществом, а также для получения рентгеновского и гамма-излучения.

Историческое значение плексатрона состоит в том, что он стал одним из первых шагов к созданию ускорителей с изменяющимся во времени магнитным полем. Опыт, накопленный при разработке плексатронов, был использован при проектировании синхротронов и накопительных колец. Кроме того, плексатрон продемонстрировал важность согласования частоты ускоряющего поля с динамикой частиц — принцип, лежащий в основе всех современных резонансных ускорителей.

¶Отличия от родственных ускорителей

• Циклотрон: постоянное магнитное поле, фиксированная частота, ограничение по энергии из-за релятивистского роста массы.
• Синхроциклотрон (фазотрон): частота ускоряющего поля модулируется, поле постоянно; позволяет ускорять протоны до сотен МэВ.
• Синхротрон: магнитное поле и частота изменяются синхронно, орбита фиксирована; позволяет достигать энергий в сотни ГэВ и выше.
• Плексатрон: занимает промежуточное положение, сочетая изменение поля и частоты с относительно слабой фокусировкой; использовался преимущественно для электронов.

¶Современное состояние

Как самостоятельный тип ускорителей плексатрон не применяется. Его название сохранилось в историко-физической литературе и в описаниях раннего этапа развития ускорительной техники. Некоторые принципы, впервые реализованные в плексатроне, — в частности, идея управления конфигурацией магнитного поля для обеспечения устойчивости пучка — получили развитие в системах жёсткой фокусировки, используемых в современных синхротронах и коллайдерах.