Синхрофазотрон представляет собой разновидность циклического ускорителя заряженных частиц (УЗЧ).

В основе работы УЗЧ лежит взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле совершает работу над частицами, придавая им необходимую энергию (на заряд e действует кулоновская сила), в то время как магнитное поле задает орбиты частиц, не совершая над ними работы (сила Лоренца всегда перпендикулярна вектору скорости частицы). В циклических УЗЧ частицы во время "разгона" движутся по замкнутым кривым, многократно проходя ускоряющий промежуток. Синхрофазотрон относится к резонансным циклическим УЗЧ, в которых ускоряющий промежуток частицы всегда проходят под действием ускоряющей фазы поля (т.е. электрическое поле при проходе через него частиц всегда направлено в сторону их движения). В резонансных УЗЧ используется переменное высокочастотное электрическое поле.

Фазовая устойчивость в резонансных УЗЧ обеспечивается механизмом автофазировки. В простейшем случае циклического ускорителя с однородным магнитным полем период обращения Т связан со значением магнитной индукции B на круговой орбите и полной релятивистской энергией частицы E соотношением  (1), где e - заряд частицы (здесь и далее предполагаем, что орбита расположена в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции). Из (1) видно, что с ростом энергии частицы период обращения увеличивается. Обозначим через φ₀ "равновесную фазу" - фазу поля (отсчитываемую от его максимального значения) в ускоряющем зазоре, попадая в которую частица набирает такую энергию eV₀cosφ₀ (V₀ - ускоряющее напряжение), при которой она непрерывно двигается в резонанс с ускоряющим полем. Период обращения Т этой частицы равен или кратен периоду ускоряющего поля T_уск, T=qT_уск, где q - целое число, называется кратностью ускорения. Очевидно, фаза -φ₀ будет также равновесной, т. к. в этой фазе частица набирает точно такую же энергию, как и в фазе φ₀. Если частица попадет в фазу φ₂>φ₀, она наберет энергию eV₀cosφ₂, меньшую eV₀cosφ₀, прирост ее энергии будет меньше равновесного значения, а, следовательно, согласно (1), период станет меньше равновесного. Поэтому при следующем обороте частица придет к ускоряющему промежутку раньше, т. е. ее фаза приблизится к равновесной. Напротив, отставшая частица (φ₁<φ₀) приобретет избыточную энергию (т. к. eV₀cosφ₁>eV₀cosφ₀), ее период обращения станет больше равновесного, вследствие чего на следующем обороте она придёт к ускоряющему зазору позже и ее фаза тоже приблизится к равновесной.
Малые отклонения энергии частицы от равновесной также имеют тенденцию уменьшаться. Действительно, если частица находится в равновесной фазе φ₀, а её энергия больше равновесной (соответствующей периоду ускоряющего поля Туск), то ее период обращения больше qТ_уск и она приходит на следующем обороте к зазору с опозданием, т. е. её фаза φ’>φ₀, а приобретаемая энергия, соответственно, eV₀cos(φ’)< eV₀cosφ₀.
Благодаря описанному механизму частицы, находящиеся в некоторой окрестности равновесной фазы φ₀ (т. н. область захвата), совершают колебания около этой фазы, т. е. фаза φ₀ динамически устойчива. Все частицы, находящиеся в области захвата, совершая колебания около фазы φ₀, набирают в среднем такую же энергию, как и частица в равновесной фазе. Из аналогичных соображений следует, что фаза -φ₀ является неустойчивой.
Радиус равновесной орбиты частиц r определяется соотношением (2), где E₀=mc² – энергия покоя частицы. В синхрофазотронах (и синхротронах) равновесная орбита частиц в процессе разгона имеет постоянную длину, для чего при разгоне изменяют ведущее магнитное поле.
Кроме того, поскольку для тяжелых частиц частота прохождения орбиты при разгоне увеличивается, частота ускоряющего электрического поля в синхрофазотронах (и фазотронах) также соответствующим образом увеличивается, что необходимо для поддержания условий автофазировки.
Из соотношения (2) видно, что максимальная достижимая энергия частиц пропорциональна радиусу траектории и величине магнитной индукции. Достижимые значения величины магнитного поля ограничены эффектом насыщения металла (обычно железа), используемого в качестве материала сердечника электромагнита. В современных ускорителях в связи с этим используются электромагниты с катушкой из сверхпроводящего материала, работающие при температуре жидкого гелия.
Основным ограничением достижимых с помощью синхрофазотронов энергий для легких частиц (электронов) являются потери на т.н. синхротронное излучение, представляющие собой излучение частиц при ускоренном движении по орбите. Мощность потерь на синхротронное излучение P для релятивистской частицы связана с ее массой m, энергией E и радиусом орбиты r соотношением .

Если электроны и протоны одинаковых энергий двигаются по орбитам одного радиуса, то, как следует из (3), потери на синхротронное излучение у электронов будут в (m_p/m_e)4≈10¹³ раз больше. Из-за этого на УЗЧ пока не удалось ускорить электроны до энергий, больших 100 ГэВ.
 

Синхрофазотроны применяются в экспериментальных задачах физики частиц для ускорения тяжелых заряженных частиц до высоких энергий (для ускорения легких ультрарелятивистских частиц используются синхротроны, поскольку для таких частиц частота обращения в процессе ускорения практически не меняется, и условия автофазировки сохраняются при постоянной частоте ускоряющего электрического поля). Большинство современных циклических ускорителей являются синхрофазотронами. На синхрофазотронах достигнуто ускорение протонов до энергий порядка 1 ТэВ.

 

Теватрон (англ. LHC, Tevatron) — кольцевой ускоритель-коллайдер, расположенный в национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми в городке Батавия штата Иллинойс, недалеко от Чикаго. В настоящее время oн имeет самую высокую в мире энергию пучков частиц. Теватрон — синхротрон, ускоряющий заряженные частицы — протоны и антипротоны в подземном кольце длиной 6.3 км до энергии 980 ГэВ (~ 1 ТэВ), отсюда машина получила свое имя - Теватрон. Строительство Теватрона было закончено в 1983 г., стоимость постройки — около 120 млн долл., с тех пор Теватрон претерпел несколько модернизаций. Наиболее крупной было строительство Главного Инжектора, проводившееся в течение 5 лет (1994-1999). До 1994 г. каждый пучок ускорителя имел энергию 900 ГэВ.

Ускорение частиц в Теватроне происходит в несколько этапов. На первой стадии 750 кэВ преускоритель - генератор Кокрофта-Волтона ускоряет отрицательно заряженные ионы водорода. Ионы пролетают 150-метровый линейный ускоритель (линак), ускоряющий частицы с помощью переменного электрического поля до энергии 400 МэВ. Затем ионы проходят через углеродную фольгу, теряют электроны и уже протоны влетают в Бустер.
Бустер — небольшой кольцевой магнитный ускоритель. Протоны пролетают около 20000 кругов в этом ускорителе и приобретают энергию около 8 ГэВ. Из Бустера частицы поступают в Главный Инжектор, выполняющий несколько задач. Он ускоряет протоны до энергии 150 ГэВ, производит протоны энергии 120 ГэВ для рождения антипротонов и ускоряет антипротоны также до 150 ГэВ. Последняя его задача - инжекция протонов и антипротонов в главное ускорительное кольцо Теватрона. Антипротоны рождаются в так называемом Антипротонном Источнике, где протоны энергии 120 ГэВ бомбардируют неподвижную никелевую мишень. В результате рождается огромное число частиц разных типов, включая антипротоны, которые накапливаются и охлаждаются в накопительном кольце. Затем антипротоны инжектируются в Главный Инжектор.
Теватрон ускорят протоны и антипротоны до энергии 980 ГэВ, это означает, что кинетическая энергия частиц в 1000 раз больше, чем их масса, а скорость практически равна максимальной в Природе - скорости света. Теватрон - машина коллайдерного типа. Это означает, что протоны и антипротоны летят в противоположных направлениях и сталкиваются в нескольких точках ускорительного кольца, где располагаются детекторы частиц. Всего в туннеле Теватрона установлено 2 детектора - CDF и D0. Для того, чтобы удержать частицы в канале ускорителя используются сверхпроводящие дипольные магниты, охлажденные до температуры жидкого гелия. Магниты создают магнитное поле напряженностью 4.2 Тесла.

Другое название: индукционный ускоритель. Циклический ускоритель, в котором ускорение частиц осуществляется вихревым электрическим полем, индуцируемым изменением магнитного потока, охватываемого орбитой пучка. Поскольку для создания вихревого электрического поля необходимо изменять магнитное поле сердечника, а магнитные поля в несверхпроводящих машинах обычно ограничены эффектами насыщения железа на уровне ~20кГс, возникает ограничение сверху на максимальную энергию бетатрона. Бетатроны используются преимущественно для ускорения электронов до энергий 10—100 МэВ (максимум достигнутой в бетатроне энергии 300 МэВ).
Впервые бетатрон был разработан и создан Видероэ в 1928 году, который, однако, ему не удалось запустить. Первый надёжно работающий бетатрон был создан Д. В. Керстом лишь в 1940—1941 гг. в США.