В физике ускорителей сильная фокусировка или фокусировка с переменным градиентом — это принцип, согласно которому, используя наборы из нескольких электромагнитов , можно заставить пучок частиц одновременно сходиться в обоих направлениях, перпендикулярных направлению движения. Напротив, слабая фокусировка — это принцип, согласно которому близлежащие круги, описываемые заряженными частицами, движущимися в однородном магнитном поле, пересекаются только один раз за оборот.
Теорема Ирншоу показывает, что одновременная фокусировка сразу в двух направлениях, поперечных оси пучка, одним магнитом невозможна — магнит, фокусирующийся в одном направлении, будет дефокусироваться в перпендикулярном направлении. Однако железные «полюса» циклотрона или два или более разнесенных квадрупольных магнита (расположенных в квадратуре ) могут попеременно фокусироваться по горизонтали и по вертикали, и конечный общий эффект их комбинации можно регулировать для фокусировки луча в обоих направлениях. [1] [2]
Сильная фокусировка была впервые предложена Николасом Христофилосом в 1949 году, но не опубликована (вместо этого Христофилос решил запатентовать свою идею). [3] В 1952 году принцип сильной фокусировки был независимо разработан Эрнестом Курантом , М. Стэнли Ливингстоном , Хартландом Снайдером и Дж. Блюеттом в Брукхейвенской национальной лаборатории , [4] [5] которые позже признали приоритет идеи Христофилоса. [6] Затем преимущества сильной фокусировки были быстро осознаны и применены на синхротроне переменного градиента .
Курант и Снайдер обнаружили, что конечный эффект изменения градиента поля заключался в том, что можно было одновременно усилить как вертикальную, так и горизонтальную фокусировку протонов, что позволило жестко контролировать траектории протонов в машине. Это увеличило интенсивность луча при одновременном снижении общей стоимости строительства более мощного ускорителя. Эта теория произвела революцию в конструкции циклотронов и позволила использовать очень высокую напряженность поля, одновременно значительно уменьшив размер необходимых магнитов за счет минимизации размера луча. Большинство ускорителей частиц сегодня используют принцип сильной фокусировки.
В современных системах часто используются многополюсные магниты, такие как квадрупольные и секступольные магниты , для фокусировки луча вниз, поскольку магниты дают более мощный эффект отклонения, чем более ранние электростатические системы при высоких кинетических энергиях луча. Мультипольные магниты перефокусируют луч после каждой секции отклонения, поскольку секции отклонения оказывают эффект дефокусировки, которому можно противодействовать с помощью сходящейся магнитной «линзы».
Схематически это можно изобразить как последовательность рассеивающих и собирающих линз. Квадруполи часто располагаются в так называемых паттернах FODO (где F фокусируется вертикально и дефокусируется горизонтально, D фокусируется горизонтально и дефокусируется вертикально, а O представляет собой пространственный или отклоняющий магнит). Следуя за частицами пучка по их траекториям через фокусирующее устройство, будет наблюдаться колебательная картина.
Воздействие набора линейных магнитов на набор заряженных частиц (т.е. только диполи, квадруполи и области бесполевого дрейфа между ними) можно выразить в виде матриц, которые можно умножить вместе, чтобы получить общий эффект, используя матрицу переноса лучей анализ . [7] Члены более высокого порядка, такие как секступоли, октуполи и т. д., могут рассматриваться различными методами, в зависимости от интересующих явлений.