概况

原理

结构

概况

同步回旋加速器（sychrocyclotron）又称调频回旋加速器或稳相加速器，它是克服回旋加速器极限能量的限制而发展起来的加速器。由于相对论效应，随着速度增大，粒子的质量增大，使绕行半圈的时间变长，以致逐渐偏离了交变电场的加速状态，因而粒子的能量达到一定的限度，不能够再增大。技术上曾想过两种办法来解决。一种是使磁极外圈的磁场逐渐增强，抵消相对论效应的影响，另一种是调节加速电场的变化频率，使之适应相对论效应的影响。这两种方法都是为了使粒子在磁场中作圆周运动的频率与加速电场的变化频率维持同步。前一种改进措施发展成为扇形聚焦回旋加速器，后一种改进措施发展成为同步回旋加速器。后一措施的进一步发展还可得来另外的好处。在回旋加速器中粒子回旋的轨道半径逐渐地由小到大，因而磁体本身必须是实心的圆柱，这是极为笨重的，而且耗资昂贵。改进后的同步加速器只需要一个环形的磁极，带电粒子先在一个较小的加速器中预加速，然后再引入同步加速器作进一步同步加速。目前美国费米国家加速器实验室最大的质子同步加速器的加速管道圈的直径为2千米 ，质子被加速可达500吉电子伏特（GeV），进一步使用超导强磁场，能量可提高到1000GeV。

原理

在调变加速场的频率时，实际上只有某种所谓“同步”粒子准确满足谐振加速条件，其他粒子则不能严格满足。但是加速器中存在着一种称为“自动稳相”的机制。它是由Β.И.韦克斯勒和E.M.麦克米伦各自在1944～1945年提出的，称为自动稳相原理。它保证同步粒子周围有一群粒子稳定地得到加速。当非同步粒子的相位 嗞因某种原因小于同步粒子的相位嗞s（设能量W 等于同步粒子的能量Ws）时，它将获得较大的加速，从而周期变长,在以后的加速中嗞不断增大,直到嗞＞嗞s；而嗞一旦大于嗞s，粒子在加速中获得的能量就比同步粒子小，于是周期开始减小。嗞继续增长到某最大值（此时W＝Ws）后，开始变小。如此往复，使非同步粒子的相位嗞 保持在嗞s的附近作稳定的相振荡。只要非同步粒子的能量以及进入电场时的相位都与同步粒子足够靠近。它们可以一直保持在同步粒子的周围作稳定的相振荡，并获得与同步粒子相同的平均能量增益。附图定性地表示了这种加速过程中非同步粒子的能量(W)和相位(嗞)围绕同步粒子变化的情况。其他远离同步的粒子，不能被加速器所“俘获”，在调变频率的一个周期内，只提供一个束流脉冲。

结构

采用频率调变不再可能连续加速粒子，加速得的束流是脉冲束，平均电流通常在几微安以下，仅为经典回旋加速器的0.1％～1％。它提高了加速粒子的能量（每粒子能量可达几百乃至上千兆电子伏）。但限制了束流的强度。这个缺点后来被不变频率的新型回旋加速器(见扇形聚焦回旋加速器)所克服。另外,由于磁铁重量近似同能量的三次方成比例，能量增大时磁铁迅速变大，结果建造大磁铁的经济性成为新的限制。为了克服这个困难，在高能范围，一般采用具有环形磁铁的同步加速器结构。