Прискорення заряджених часток колективні методи. Прискорення заряджених часток в сучасних прискорювачах відбувається завдяки взаємодії заряду частки із зовнішнім електромагнітним полем (див. Прискорювачі заряджених часток ). Ефективність прискорення, тобто середня енергія, що повідомляється частці електричним полем на одиниці довжини прискорюючого пристрою, визначається напруженістю електричного і магнітного полів і обмежена технічними можливостями пристроїв, що створюють ці поля. Для різних типів прискорювачів ефективність прискорення вагається від 1 до 50 Мев на 1 м-коду довжини системи. У 1960-х рр. виник новий напрям у фізиці прискорювачів – т.з. когерентні методи прискорення, які в принципі дозволяли обійти труднощі «класичних» прискорювачів. Засновником цього напряму було Ст І. Векслер . Головне завдання когерентних методів прискорення – здобуття великих еффектівностей прискорення. Їх характерна особливість полягає в тому, що електромагнітне поле, прискорююче частки, не є зовнішнім, а виникає в результаті взаємодії групи прискорюваних часток з ін. групою зарядів, плазмою або електромагнітним випромінюванням за умови його когерентного (синхронного) дії на всю прискорювану групу часток. Такий синхронізм зазвичай виникає автоматично. Величина прискорюючого поля залежить від числа часток, що беруть участь в такій взаємодії, і може досягати великих значень – 100 Мв/м і більш. Проте реалізації цих методів заважають виникаючі плазмові і гідродинамічні нестійкості і тому в даний час когерентне прискорення не має практичного значення для прискорення часток. Якщо прискорювані частки не беруть участь в створенні прискорюючих полів, але останні створюються не за допомогою електродів, як в «класичних» прискорювачах, а за допомогою потоків, згустків або кілець заряджених часток, то говорять про колективні методи прискорення. До 1976 існує близько 20 різних схем колективного прискорення часток. У всіх таких прискорювачах, на відміну від плазмових прискорювачів, в створенні прискорюючого поля беруть участь релятивістські електрони.
Нижче розглянуті деякі, найбільш характерні з колективних методів прискорення.
1. Прискорення іонів електронними пучками
При проходженні електронного пучка високої щільності через газ утворюються іони газу і прискорюються до енергій, електронів пучка, що істотно перевищують енергію. Остаточно механізм прискорення іонів не з'ясований. Спрощена схема цього процесу може бути побудована таким чином. Електронний пучок високої щільності, потрапляючи в металеву трубку з газом, створює настільки сильне поле, що гальмується в цьому полі і втрачає свою швидкість вже на дуже малих відстанях. У цій області за рахунок зменшення швидкості щільність електронів максимальна. Потім починається розпад пучка під дією сил просторового заряду. Енергія електронного пучка витрачається не лише на створення такого поля, але і на іонізацію газу, наявного в трубці. Через характерний час іонізації, який залежить від щільності пучка і газу, по всій дорозі пучка до місця його практичної зупинки утворюється достатня кількість позитивно заряджених іонів, щоб нейтралізувати просторовий заряд електронного пучка і локалізувати поле усередині самого пучка. Гальмівна дія поля на електрони, що приходять після характерного часу іонізації ослабляється, втрати енергії припиняються, і пучок електронів проходіт далі уздовж трубки. Після цього весь процес повторюється, і так продовжується до тих пір, поки пучок не пройдет всю трубку. Т. о., місце найбільшої щільності електронів рухається уздовж трубки з швидкістю, пропорційною часу іонізації. Позитивно заряджені іони, що попали в початковий момент в ущільнену частину електронного пучка, стримуються негативно зарядженими електронами і рухаються разом з таким стрибком щільності уздовж трубки з тією ж швидкістю, а отже (із-за їх великої маси), володіють багато більшою енергією, чим електрони. Ефективність прискорення в цьому методі досягає 100 Мев/м. Доки реалізовані довжини прискорення лише в декілька см, і предстоїт ще більша робота по перевірці правильності викладеної вище схеми прискорення.
2. Плазмовий метод прискорення
Плазма є середовищем, в якому між отдеьнимі групами зарядів існують поля до 1 000–10 000 Мв/м. Створення в плазмі регулярних хвиль, тобто хвиль, що володіють певною фазою, і використання їх для прискорення заряджених часток – суть плазмового методу прискорення, запропонованого сов.(радянський) фізиком Я. Б. Файнбергом. Для вирішення цього завдання застосовують потужні електронні пучки. При їх проходженні крізь плазму створюються умови при яких 20–30% енергій пучка витрачається на створення плазмової хвилі. Щоб забезпечити регулярність цієї хвилі, використовується попередня невелика модуляція електронного пучка зовнішнім електромагнітним полем. Змінюючи частоту і фазу модуляції, а також щільність плазми, можна управляти виникаючою хвилею і зробити її придатною для прискорення часток.
3. Прискорення іонів електронними кільцями
При цьому способі прискорення створюється стійкий електронний згусток, в який вводяться позитивно заряджені іони. Електричне поле електронного згустка міцно утримує іони. При прискоренні згустка зовнішнім полем іони також прискорюються разом із згустком. Кінцева енергія іонів в стільки раз більше енергії електронів того ж згустка, в скільки разів маса іона більше маси електрона; якщо прискорюються протони, то це відношення дорівнює 1836. Даний метод має найбільше практичне значення. Розглянемо конкретну схему створення стійкого згустка електронів.
Фізичні основи створення стійкого згустка. Щоб добитися стійкості згустка електронів, необхідно компенсувати сили кулонівського відштовхування електронів в згустку. Це можна зробити додаванням в згусток необхідного числа позитивно заряджених іонів. Проте число іонів повинне бути невеликим, щоб маса згустка істотно не мінялася (т.к. уськореніє залежить від відношення заряду до маси). Такі суперечливі вимоги виконуються лише для рухомих електронів. Дійсно, на електрони згустка діють кулонівські сили розштовхування, що приводить до розльоту згустка. Але якщо згусток рухається, то, окрім кулонівських сил, з'являються магнітні сили, пов'язані з рухом зарядів і направлені протилежно силам розштовхування. Чим вище швидкість руху електронів, тим більше магнітні сили. Для електронів з енергією руху, наприклад, в 10 Мев результуюча сила розштовхування зменшується в 400 разів в порівнянні з силою для електронів, що покояться. В цьому випадку досить в електронний згусток ввести мале число іонів ( 1 / 400 від числа електронів), щоб повністю компенсувати кулонівське відштовхування. Для подальшого прискорення такої освіти в зовнішньому полі згусток формується у вигляді кільця рухомих електронів. Усередині перетину такого кільця (тора) розташовані іони, що практично покояться. Кільце використовується для прискорення іонів. Сила, що діє на кожен іон кільця при русі його в зовнішньому полі, прямо пропорційна числу електронів в кільці і назад пропорційна перетину кільця. Ці параметри і визначають ефективність прискорення в даному методі.
Схема прискорювача з електронними кільцями. Згусток електронів формується таким чином. Пучок електронів від лінійного прискорювача вводиться (інжектіруєтся) в магнітне поле, таке ж, як в прискорювача із слабким фокусуванням, і утворює кільце великого діаметру. Початковий розмір кільця вибирається з умови утримання в полі потрібного числа електронів. Потім магнітне поле наростає і відповідно до зростання поля всі розміри кільця зменшуються. Цей процес продовжується аж до здобуття кільцевого згустка необхідних параметрів. У кінцевому стані стискування за допомогою газового клапана в область кільця упорскує необхідна кількість газу. Електрони іонізуют газ, і іони, що утворюються, захоплюються електронним згустком. Число захоплених іонів регулюється зміною тиску порції нейтрального газу, що впускається. Після цього міняється конфігурація магнітного поля, що утримує електрони, і кільце разом з іонами починає рухатися з прискоренням уздовж своєї осі у напрямі спаду магнітного поля (за рахунок трансформації енергії обертання електронів в енергію поступальної ходи кільця). Подальше прискорення кільця виробляється зовнішнім електричним полем (см. мал.(малюнок) ); при цьому необхідна прискорююча система із значним енергетичним запасом, наприклад система високочастотних резонаторів.
Експерименти, проведені на макетах таких прискорювачів в Об'єднаному інституті ядерних досліджень (СРСР, м. Дубна), дозволили отримати ефективність прискорення в десятки Мев/м. В багатьох країнах ведуться роботи по вивченню можливостей здобуття в колективних методах прискорення еффектівностей в сотні Мев/м.
Літ.: Veksler V. I., Coherent principle of acceleration of charged particles, «Proceedings CERN symposium on high energy acceierators and pion physics», v. I, Gen., 1956, р. 80–83; Плютто А. А. і ін., Прискорення іонів в електронному пучку, «Атомна енергія», 1969, т. 27, ст 5, с. 418; Файнберг Я. Б., Прискорення часток в плазмі, «Атомна енергія», 1959, т. 6, ст 4, с. 431–46; Veksler V. I. et al., Linear collective acceleration of ions, «Proceedings of the sixth International conference on high energy accelerators», Gamb., 1967, р. 289.
