Циклотрон

Циклотрон

Циклотрон — резонансный циклический ускоритель нерелятивистских тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частицы находятся под действием постоянного и однородного магнитного поля, а для их ускорения применяется высокочастотное электрическое поле с неизменной частотой.

Принцип работы

В циклотроне тяжёлые ускоряемые частицы инжектируются в камеру вблизи её центра. После чего они движутся внутри полости двух чуть раздвинутых полуцилиндров (дуантов), расположенных в вакуумной камере между полюсами сильного электромагнита. Однородное магнитное поле этого электромагнита искривляет траекторию частиц. Ускорение движущихся частиц происходит после того как они попадают в зазоры между дуантами. В этом месте на них оказывает влияние электрическое поле, формируемое с помощью электрических генераторов высокой частоты, совпадающая с частотой обращения частиц внутри циклотрона (циклотронной частотой). При относительно малых (нерелятивистских) скоростях эта частота не зависит от энергии частиц,так что в зазор между дуантами частицы попадают всегда через один и тот же момент времени. Получая каждый раз при этом некоторое приращение скорости, они продолжают своё движение дальше по окружности всё большего радиуса, и траектория их движения создает плоскую раскручивающуюся спираль. На последнем витке этой спирали включается дополнительно отклоняющее поле, и пучок ускоренных частиц выводится наружу. Так как задающее орбиту пучка магнитное поле статично, и ускоряющее высокочастотное электрическое поле в процессе ускорения частиц также не меняет своих характеристик, циклотрон может работать в непрерывном режиме: все витки спирали заполнены частицами пучка ионов.

Фокусировка пучка

В горизонтальной плоскости частицы автоматически фокусируются в однородном магнитном поле. В вертикальном направлении фокусировка происходит благодаря неоднородности электрического поля в ускоряющем зазоре. Действительно, если частица смещена по вертикали из медианной плоскости, то на входе в ускоряющий зазор она испытает толчок в сторону медианной плоскости вертикальной компонентой краевого электрического поля. На выходе толчок будет обратного знака, но меньшей силы, за счёт конечного смещения частицы. На внешнем радиусе циклотрона, где магнитное поле не падает, протекает вторичная фокусировка по обеим координатам из-за линейного градиента поля.