Большие размеры высоковольных ускорителей не устраивали практиков. Например, трудно применять столь громоздкие системы для лечения онкологических заболеваний. Еще одна проблема – слишком высокие напряжения, увеличивать которые было уже некуда. Проблемы удалось решить при помощи переменного электрического поля, а также магнитного поля, которое заворачивало частицы по окружности. В 1931 году Лоуренс впервые сконструировал циклический ускоритель циклотрон.

В циклотроне используется резонансный метод, при котором ускоренные частицы многократно проходят ускоряющий промежуток.

Резонансный метод можно использовать и в линейных ускорителях. Еще в 1927 году норвежский физик Рольф Видероэ предложил схему линейного синхронного ускорителя ионов.

Схема линейного ускорителя (резонансный метод)

Принцип такой: когда заряженная частица проходит расстояние от одного электрода, выполненного в форме полого цилиндра, до другого, напряжение на электродах меняется, и частица разгоняется дальше. Остается только рассчитать расстояние между электродами. Таким образом, отпала необходимость в сверхвысоких напряжениях. Но при этом энергия частицы зависит от длины ускорителя, что вызывает дополнительные сложности как в конструкции, так и в эксплуатации. Так как энергия зависит и от массы частицы, то такие ускорители использовали в основном для разгона более тяжелых заряженных частиц – ионов. Например, для получения ионов ртути с энергией 2,85 МэВ, понадобилось 36 электродов и длина трубки 1,85 м. Чтобы разогнать до такой же энергии протоны длина трубки должна была быть 25 м, а для электронов около 46 км. Даже в наше время осуществить такой проект сложно.

Циклотрон решает эту проблему. Между двумя полукруглыми полыми электродами, так называемыми дуантами, приложено переменное электрическое напряжение. На рисунке дуанты изображены полукругами.

Устройство циклотрона. 1 — место поступления частиц, 2 — траектория их движения, 3 — электроды, 4 — источник переменного напряжения. Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рисунка.

Они помещены между полюсами электромагнита, создающего постоянное магнитное поле (на рисунке поле направлено перпендикулярно его плоскости). Частица, вращается по окружности в магнитном поле. Период вращения не зависит от радиуса, поэтому если электрическое поле будет меняться с частотой, равной периоду вращения частицы, она будет ускоряться на каждом обороте в щели между дуантами. С увеличением энергии радиус траектории частицы будет увеличиваться, пока она не выйдет за пределы дуантов.

Циклотроны вскоре обогнали в своем развитии электростатические ускорители.

Чтобы увеличить скорость частиц, надо было увеличивать размеры циклотрона или усиливать магнитное поле. Однако есть и сложности: удержание и фокусировка пучка, накопление электрического заряда на стенках диэлектрической вакуумной камеры. Поэтому циклотрон имеет ограничения по энергии частиц.

Несмотря на это, циклотроны применяются до настоящего времени для ускорения тяжёлых частиц до относительно небольших энергий (50 МэВ/нуклон).

Циклотрон У-400 в ОИЯИ.

В 1940 году Дональд Керст, американский физик реализовал циклический индукционный ускоритель электронов – бетатрон (бета-излучение), идею которого предложил еще Видероэ. 

Бетатроны Дональда Керста

В нем ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10 —100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).