В 1940 году Векслер защитил докторскую и остался работать в Физическом институте АН СССР. Он активно публиковался в научных журналах и считался одним из молодых светил советской ядерной физики. А в 1944 году Векслер первым в мире сформулировал принцип автофазировки.
Как уже говорилось ранее, когда пучок заряженных частиц разгоняется в циклическом ускорителе, он многократно проходит через ускоряющие промежутки. Для эффективного разгона необходимо, чтобы в эти моменты направление движения частицы и направление электрического поля совпадали, то есть движение частицы и изменение поля надо синхронизировать. Для синхронизации частота обращения частицы должна быть или равна, или кратна частоте электрического поля, при этом частица всегда будет пролетать ускоряющий промежуток при одном и том же значении фазы поля, получать энергию и ускоряться. Именно на таком принципе и работает циклотрон: в нём частицы движутся в постоянном магнитном поле с постоянной частотой обращения, равной частоте ускоряющего поля.
Но при достижении энергией частицы достаточно высокого значения синхронизация сбивается. Связано это вот с чем. При скоростях, значительно меньших скорости света, кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости:
Но если скорости приближаются к скорости света, то, в соответствии с теорией относительности равенство нарушается (что эквивалентно возрастанию массы m). А это, в свою очередь, ведёт к замедлению обращения частицы по мере роста энергии собственно, период обращения частицы становится прямо пропорциональным её энергии.
Частота обращения уменьшается, перестаёт совпадать с частотой разгоняющего электрического поля, и частицы выпадают из ускоряемого пучка. Если у нас одна частица, то мы можем подгонять под изменение её частоты обращения частоту поля, снижая по ходу ускорения или изменяя величину магнитного поля. Но если частиц миллионы и миллиарды, то у них существует разброс энергий (иначе говоря, каждая ведёт себя немного по-своему) и подстроиться под все попросту невозможно. Это и есть естественное ограничение циклотрона как уже говорилось, он позволяет разогнать частицы не более чем до 2025 МэВ.
Итак, Владимир Векслер, исследуя описанную проблему, открыл физическое явление, названное им принципом автофазировки частиц. Представьте себе, что в процессе ускорения мы плавно увеличиваем период частоты ускоряющего поля. Некоторым частицам «повезёт»: период их обращения будет изменяться с точно такой же скоростью, и при прохождении через разгоняющий промежуток они станут получать на каждом обороте одинаковую порцию энергии для разгона. Такие частицы называются равновесными. Векслер же обнаружил, что остальные частицы с энергией, близкой к энергии равновесных частиц, тоже могут разгоняться, не «выпадая» из ускоряемого пучка, просто несколько иным путём!
Итак, Владимир Векслер, исследуя описанную проблему, открыл физическое явление, названное им принципом автофазировки частиц. Представьте себе, что в процессе ускорения мы плавно увеличиваем период частоты ускоряющего поля. Некоторым частицам «повезёт»: период их обращения будет изменяться с точно такой же скоростью, и при прохождении через разгоняющий промежуток они станут получать на каждом обороте одинаковую порцию энергии для разгона. Такие частицы называются равновесными. Векслер же обнаружил, что остальные частицы с энергией, близкой к энергии равновесных частиц, тоже могут разгоняться, не «выпадая» из ускоряемого пучка, просто несколько иным путём!
Если частица имеет изначально чуть большую энергию, чем её равновесные «коллеги», то её период обращения возрастает быстрее и на очередном витке она запаздывает при подходе к ускоряющим электродам. Иначе говоря, она попадает туда в момент уменьшения поля, получает меньшую энергию и период её обращения уменьшается. Так, виток за витком, частица постепенно уменьшает период обращения вплоть до момента, когда он идеально совпадает с периодом обращения равновесной частицы, иначе говоря, приближается к резонансу.
Но на этом уменьшение не останавливается, и частица продолжает приобретать энергию, меньшую, чем равновесная, постепенно уходя в другую крайность. Эффект начинает работать в обратную сторону: частица имеет меньшую энергию, чем равновесная, её период обращения уменьшается, и на очередном витке она проходит ускоряющий промежуток слишком рано, в момент увеличения поля. В целом же и отстающие, и опережающие частицы колеблются около равновесной фазы и постепенно собираются к ней это и называется автофазировкой.
Визуально её можно представить вот так:
Пересечения штриховой линии с графиком колебания энергии частицы это те самые точки, в которых частица получает ускорение. Хорошо видно, что частица колеблется вокруг нужной фазы. Энергию она приобретает неравномерно то побольше, то поменьше.
Вы скажете: это же открытие, а книга-то об изобретениях! С одной стороны, вы будете правы. Но с другой именно открытие принципа автофазировки привело к появлению нового поколения ускорителей частиц, то есть к изобретению в прямом смысле слова. И это изобретение первым тоже описал именно Владимир Векслер.