Автофазування, явище, що забезпечує прискорення електронів, протонів, альфа-часток, багатозарядних іонів до високих енергій (від декількох Мев до сотень Гев ) в більшості прискорювачів заряджених часток ; відкрито радянським фізиком В. І. Векслером в 1944 і незалежно від нього американським фізиком Е. Макмілланом в 1945. Принципову роль це явище зіграло в підвищенні межі досяжних енергій в циклічних прискорювачах.
В циклічних прискорювачах частки здійснюють рух по орбітах в спеціальній вакуумній камері, поміщеній в магнітне поле, і багато разів проходять через прискорюючі електроди. Прискорення часток відбувається під дією високочастотного електричного поля, прикладеного до прискорюючих електродів. Для безперервного прискорення часток необхідно, щоб в моменти прискорення напрями руху частки і електричного поля збігалися; для цього потрібно забезпечити синхронізм (резонанс) між рухом часток і зміною електричного поля. Якщо амплітуда різниці потенціалів між електродами рівна V 0 , то що набуває часткою із зарядом е енергія D Е при кожному проходженні через прискорюючий проміжок рівна D Е = e V 0 cosj, де (j — фаза електричного поля у момент проходження частки, відлічувана від його максимального значення. Фазу поля j, при якій частка пролітає через прискорюючий проміжок, називають скорочено фазою частки.
Щоб частка рухалася синхронно із зміною прискорюючого поля, її частота звернення w має бути рівна або кратна частоті w 0 електричного поля: w 0 = q w, де q — ціле число (кратність резонансу). Тоді частка буде проходіть прискорюючі електроди при одному і тому ж значенні фази j і при кожному проходженні отримувати від поля одну і ту ж енергію. Тому вона весь час прискорюватиметься.
Така ситуація виконується в циклотроні — єдиному резонансному прискорювачі, який існував до відкриття принципу А. У циклотроні частки рухаються в постійному магнітному полі Н з постійною частотою звернення w = eh/mc (де m — маса частки, з — швидкість світла). Тому при частоті прискорюючого електричного поля w 0 = w для всіх часток спостерігається точний резонанс з полем.
Проте досягши достатній великій енергії масу m вже не можна вважати постійною: починає позначатися ефект збільшення маси частки із зростанням енергії (див. Відносності теорія ). Зростання маси приводить до зменшення частоти звернення w і до порушення резонансу між рухом частки і прискорюючим полем. Частки перестають отримувати енергію від електричного поля і випадають з режиму прискорення. Тому в звичайному циклотроні існує гранична енергія, вище за яку прискорення неможливе. Для протонів ця межа енергії складає приблизно 20 Мев.
Для збереження резонансу можна, наприклад, повільно знижувати частоту w 0 прискорюючого поля відповідно до зменшення w або повільно змінювати напруженість магнітного поля Н, щоб компенсувати зменшення частоти w (або разом і те і інше).
Але в прискорювачі одночасно прискорюються сотні і тисячі мільярдів часток, що мають розкид по енергіях, а значить, і по масах. Отже, частки матимуть різні частоти звернення w. Тому неможливо здійснити точний резонанс з прискорюючим полем для руху всієї безлічі прискорюваних часток. До відкриття принципу А. ця трудність здавалася непереборною.
Векслер і Макміллан показали, що саме завдяки залежності частоти звернення часток від їх енергії (маси), що приводить до порушення точного синхронізму руху часток з прискорюючим полем, само поле автоматично здійснюватиме для великого кількості часток підстроювання синхронізму в середньому. Іншими словами, у разі, коли w залежить від енергії, прискорююче поле частоти w 0 (яка може і повільно мінятися) заставляє частки рухатися по орбітах з частотами, в середньому рівними (або кратними) частоті w 0 , тобто реалізує резонанс в середньому; при цьому фази часток вагаються і концентруються біля однієї фази j 0 (див. нижчий), яка називається синхронною, або рівноважною. Це явище і називається А.
Т. о., А. приводить до того, що частки в середньому поводяться синхронно із зміною прискорюючого поля: w ср = w 0 .
Розглянемо, як здійснюється А. у циклічному прискорювачі з однорідним і постійним в часі магнітним полем і при q = 1. Частота звернення часток в такому прискорювачі назад пропорційна їх масі, а отже, їх повній енергії (рівною сумі енергії спокою і кінетичної енергії). Синхронна частка (уявна частка, яка рухається в точному резонансі з прискорюючим полем) прискорюватиметься при одній і тій же фазі j 0 і кожного разу отримувати енергію e V 0 cos j 0 . Для того, щоб рух часток по орбітах був стійким, тобто щоб частки з фазами j¹j 0 не випадали з режиму прискорення, синхронна фаза j 0 повинна бути позитивною — знаходитися на спаді прискорюючої напруги ( мал. 1 ). Дійсно, частка з меншою енергією, для якої частота звернення w > w 0 і яка в деякий момент рухається разом з синхронною, надалі випереджатиме синхронну, потрапляти в прискорюючий проміжок раніше і прискорюватися при меншій фазі j 1 <j 0 . Отже, вона отримає велику енергію: e V 0 cos j 1 > e V 0 cos j 0 , і її частота почне зменшуватися, так що в якийсь момент настане точний резонанс, w = w 0 . Але цей резонанс є лише миттєвим — адже частка як і раніше отримуватиме від поля велику енергію і її частота w деякий час продовжуватиме зменшуватися і стане менше синхронною, w < w 0 . Тоді частка почне відставати від синхронної, отримуватиме меншу енергію від прискорюючого поля, чим синхронна частка, і її частота стане знов зростати.
Аналогічний процес відбувається і з часткою, що відстала від синхронної і потрапляє в прискорюючий проміжок декілька пізніше, при фазі j 2 >j 0 . Така частка отримуватиме від поля меншу енергію, її частота почне зростати, і частка наздоганятиме синхронну.
Т. о., частоти звернення часток здійснюють повільні в порівнянні з частотою звернення коливання біля значення w 0 . Відповідно вагаються фази часток біля значення j 0 , а середня їх фаза є стійкою: j ср = j 0 (звідси назва — фазова стійкість, або А.). Тому в середньому автоматично підтримуватиметься синхронізм між рухом часток і прискорюючим полем. Одночасно здійснюють коливання і інші характеристики руху часток (енергія, радіус орбіти) біля їх рівноважних значень, що відповідають синхронній частці. Ці коливання фази і пов'язані з ними коливання радіусу орбіти часток називаються радіально-фазовими.
А. діє і в лінійних резонансних прискорювачах протонів, в яких (на відміну від циклічних прискорювачів) частота проходження часткою послідовних прискорюючих проміжків (розташованих по прямій лінії) прямо пропорційна швидкості її руху, тобто збільшується із зростанням енергії. Проте стійка синхронна фаза в лінійних прискорювачах негативна — лежить на підйомі прискорюючої електричної напруги ( мал. 2 ). Тоді при прольоті часткою прискорюючого проміжку поле зростає, так що відстаюча частка (з фазою j 2 >j 0 ) отримує велику енергію і починає наздоганяти синхронну частку, а що випереджає (з фазою j 1 <j 0 ) — меншу енергію і також починає наближатися до синхронної.
Принцип А. зробив вплив, що революціонізував, на розвиток прискорювальної техніки. З'явилося сімейство всіляких прискорювачів, що працюють на основі А.: циклічні прискорювачі електронів (синхротрони ) на енергії до 7 Гев і протонів (синхрофазотрони, фазотрони і ін.) до енергії 75 Гев, циклічні прискорювачі із змінною кратністю q (мікротрони ), лінійні резонансні прискорювачі протонів на енергії до 70 Мев. А. відсутній, коли частота звернення часток не залежить від їх енергії (ізохронні циклотрони), а в лінійних прискорювачах — коли швидкість рухи часток наближається до швидкості світла і практично перестає залежати від енергії (лінійні прискорювачі електронів на енергії вище 10 Мев ).
