Оказывается, есть предел энергии частиц, ускоряемых в циклотроне. Его диктует
теория относительности. Известно, что масса любой частицы в соответствии с
теорией относительности возрастает по мере приближения скорости частицы к
скорости света. Но частица с большой массой менее "поворотлива": она начинает
отставать от частиц с меньшей энергией и запаздывает к ускоряющему промежутку,
т. е. попадает туда в тот момент, когда ускоряющее электрическое поле мало или
направлено навстречу частице.
По расчетам верхний предел энергии протонов, получаемых в обычном циклотроне,
равен 25 МэВ. Чем больше напряженность магнитного поля, тем больше оборотов
делает заряженная частица в единицу времени. Возникает вопрос: нельзя ли сделать
так, чтобы от центра к краю полюсов магнитное поле увеличивалось. Тогда
приращение массы и, следовательно, "неповоротливость" частицы с ростом ее
энергии могли бы быть скомпенсированы, а энергия частиц, получаемых в
циклотроне, увеличена.
Но в циклотронах делают наоборот: магнитное поле к краю полюса снижают,
осуществляя этим вертикальную фокусировку. Как примирить эти противоположные
требования? Как одновременно иметь вертикальную фокусировку и увеличить поле от
центра полюса с периферии?
Этой задачей интересовались давно. Еще в 1938 г. американский ученый Томас
предложил формулу, в соответствии с которой должно изменяться магнитное поле в
зазоре циклотрона с тем, чтобы эти два условия обеспечивались одновременно.
Однако	 форма полюса при этом оказалась чересчур сложной. Поэтому идея
"изохронного" циклотрона имела в то время немного приверженцев.
Со временем положение изменилось. Инженеры-физики предложили вместо сложных
полюсов Томаса использовать обычные цилиндрические полюсы, покрытые стальными
накладками простой формы. Как выяснилось, такие накладки обеспечивают
одновременное нарастание поля по радиусу и вертикальную фокусировку. Для
коррекции поля в зазоре изохронного циклотрона обычно применяют сложную систему
концентрических и секторных корректирующих обмоток и накладок.
Изохронные циклотроны позволяют повысить энергию частиц, получаемых на
ускорителях этого типа, до 700…800 МэВ. Дальнейшее увеличение энергии —
довольно сложная проблема, так как по технологическим причинам трудно точно
выдержать все требования к конфигурациям магнитного поля циклотронов столь
высоких энергий.
В синхроциклотронах, или фазотронах, установлены аналогичные магнитные системы с
тем лишь отличием, что частота ускоряющего напряжения по мере возрастания
энергии частиц уменьшается; это позволяет отяжелевшим частицам вовремя проходить
ускоряющий промежуток. Такое изменение частоты эквивалентно изменению поля в
изохронном циклотроне. Предел энергии частиц, получаемых в синхроциклотронах,
также составляет 700…800 МэВ. Магниты циклотронного типа устанавливаются и на
микротронах, которые служат для резонансного ускорения электронов в
электрическом поле высокой частоты. В магнитах микротронов обычно используется
магнитное поле примерно в 10 раз меньшее, чем в циклотронах.
В силу различных причин физического и технического характера (о некоторых из них
мы уже говорили) невозможно создать обычные циклотроны с энергией выше 25 МэВ, а
изохронные циклотроны и синхроциклотроны — с энергией выше 800 МэВ. Однако
имеются еще экономические факторы, ограничивающие создание сверхмощных
ускорителей. Подсчитаем, например, массу циклонического ускорителя на энергию 10
тыс. МэВ или 10 ГэВ. Если магнитное поле на конечной орбите составит 1,45 Тл, то