Ускорения заряженных частиц коллективные методы. Ускорение заряженных частиц в современных ускорителях происходит благодаря взаимодействию заряда частицы с внешним электромагнитным полем (см. Ускорители заряженных частиц). Эффективность ускорения, т. е. средняя энергия, сообщаемая частице электрическим полем на единице длины ускоряющего устройства, определяется напряжённостью электрического и магнитного полей и ограничена техническими возможностями устройств, создающих эти поля. Для разных типов ускорителей эффективность ускорения колеблется от 1 до 50 Мэв на 1 м длины системы. В 1960-х гг. возникло новое направление в физике ускорителей – т. н. когерентные методы ускорения, которые в принципе позволяли обойти трудности «классических» ускорителей. Основателем этого направления был В. И. Векслер. Главная задача когерентных методов ускорения – получение больших эффективностей ускорения. Их характерная особенность состоит в том, что электромагнитное поле, ускоряющее частицы, не является внешним, а возникает в результате взаимодействия группы ускоряемых частиц с др. группой зарядов, плазмой или электромагнитным излучением при условии его когерентного (синхронного) воздействия на всю ускоряемую группу частиц. Такой синхронизм обычно возникает автоматически. Величина ускоряющего поля зависит от числа участвующих в таком взаимодействии частиц и может достигать больших значений – 100 Мв/м и более. Однако реализации этих методов мешают возникающие плазменные и гидродинамические неустойчивости и поэтому в настоящее время когерентное ускорение не имеет практического значения для ускорения частиц. Если ускоряемые частицы не участвуют в создании ускоряющих полей, но последние создаются не с помощью электродов, как в «классических» ускорителях, а с помощью потоков, сгустков или колец заряженных частиц, то говорят о коллективных методах ускорения. К 1976 существует около 20 различных схем коллективного ускорения частиц. Во всех таких ускорителях, в отличие от плазменных ускорителей, в создании ускоряющего поля участвуют релятивистские электроны.
Ниже рассмотрены некоторые, наиболее характерные из коллективных методов ускорения.
1. Ускорение ионов электронными пучками
При прохождении электронного пучка высокой плотности через газ образуются ионы газа и ускоряются до энергий, существенно превышающих энергию электронов пучка. Окончательно механизм ускорения ионов не выяснен. Упрощённая схема этого процесса может быть построена следующим образом. Электронный пучок высокой плотности, попадая в металлическую трубку с газом, создаёт настолько сильное поле, что тормозится в этом поле и теряет свою скорость уже на очень малых расстояниях. В этой области за счёт уменьшения скорости плотность электронов максимальна. Затем начинается распад пучка под действием сил пространственного заряда. Энергия электронного пучка тратится не только на создание такого поля, но и на ионизацию газа, имеющегося в трубке. Через характерное время ионизации, которое зависит от плотностей пучка и газа, по всему пути пучка до места его практической остановки образуется достаточное количество положительно заряженных ионов, чтобы нейтрализовать пространственный заряд электронного пучка и локализовать поле внутри самого пучка. Тормозящее действие поля на приходящие после характерного времени ионизации электроны ослабляется, потери энергии прекращаются, и пучок электронов проходит дальше вдоль трубки. После этого весь процесс повторяется, и так продолжается до тех пор, пока пучок не пройдёт всю трубку. Т. о., место наибольшей плотности электронов движется вдоль трубки со скоростью, пропорциональной времени ионизации. Положительно заряженные ионы, попавшие в начальный момент в уплотнённую часть электронного пучка, удерживаются отрицательно заряженными электронами и движутся вместе с таким скачком плотности вдоль трубки с той же скоростью, а следовательно (из-за их большой массы), обладают много большей энергией, чем электроны. Эффективность ускорения в этом методе достигает 100 Мэв/м. Пока реализованы длины ускорения только в несколько см, и предстоит ещё большая работа по проверке правильности изложенной выше схемы ускорения.
2. Плазменный метод ускорения
Плазма является средой, в которой между отдеьными группами зарядов существуют поля до 1 000–10 000 Мв/м. Создание в плазме регулярных волн, т. е. волн, обладающих определённой фазой, и использование их для ускорения заряженных частиц – суть плазменного метода ускорения, предложенного сов.(советский) физиком Я. Б. Файнбергом. Для решения этой задачи применяют мощные электронные пучки. При их прохождении сквозь плазму создаются условия, при которых 20–30% энергии пучка расходуется на создание плазменной волны. Чтобы обеспечить регулярность этой волны, используется предварительная небольшая модуляция электронного пучка внешним электромагнитным полем. Изменяя частоту и фазу модуляции, а также плотность плазмы, можно управлять возникающей волной и сделать её пригодной для ускорения частиц.
3. Ускорение ионов электронными кольцами
При этом способе ускорения создаётся устойчивый электронный сгусток, в который вводятся положительно заряженные ионы. Электрическое поле электронного сгустка прочно удерживает ионы. При ускорении сгустка внешним полем ионы также ускоряются вместе со сгустком. Конечная энергия ионов во столько раз больше энергии электронов того же сгустка, во сколько раз масса иона больше массы электрона; если ускоряются протоны, то это отношение равно 1836. Данный метод имеет наибольшее практическое значение. Рассмотрим конкретную схему создания устойчивого сгустка электронов.
Физические основы создания устойчивого сгустка. Чтобы добиться устойчивости сгустка электронов, необходимо скомпенсировать силы кулоновского отталкивания электронов в сгустке. Это можно сделать добавлением в сгусток необходимого числа положительно заряженных ионов. Однако число ионов должно быть небольшим, чтобы масса сгустка существенно не менялась (т.к. ускорение зависит от отношения заряда к массе). Такие противоречивые требования выполняются лишь для движущихся электронов. Действительно, на электроны сгустка действуют кулоновские силы расталкивания, что приводит к разлёту сгустка. Но если сгусток движется, то, кроме кулоновских сил, появляются магнитные силы, связанные с движением зарядов и направленные противоположно силам расталкивания. Чем выше скорость движения электронов, тем больше магнитные силы. Для электронов с энергией движения, например, в 10 Мэв результирующая сила расталкивания уменьшается в 400 раз по сравнению с силой для покоящихся электронов. В этом случае достаточно в электронный сгусток ввести малое число ионов (1/400 от числа электронов), чтобы полностью скомпенсировать кулоновское отталкивание. Для последующего ускорения такого образования во внешнем поле сгусток формируется в виде кольца движущихся электронов. Внутри сечения такого кольца (тора) расположены практически покоящиеся ионы. Кольцо используется для ускорения ионов. Сила, действующая на каждый ион кольца при движении его во внешнем поле, прямо пропорциональна числу электронов в кольце и обратно пропорциональна сечению кольца. Эти параметры и определяют эффективность ускорения в данном методе.
Схема ускорителя с электронными кольцами. Сгусток электронов формируется следующим образом. Пучок электронов от линейного ускорителя вводится (инжектируется) в магнитное поле, такое же, как у ускорителя со слабой фокусировкой, и образует кольцо большого диаметра. Начальный размер кольца выбирается из условия удержания в поле нужного числа электронов. Затем магнитное поле нарастает и в соответствии с ростом поля все размеры кольца уменьшаются. Этот процесс продолжается вплоть до получения кольцевого сгустка требуемых параметров. В конечном состоянии сжатия при помощи газового клапана в область кольца впрыскивается необходимое количество газа. Электроны ионизуют газ, и образующиеся ионы захватываются электронным сгустком. Число захваченных ионов регулируется изменением давления впускаемой порции нейтрального газа. После этого меняется конфигурация магнитного поля, удерживающего электроны, и кольцо вместе с ионами начинает двигаться с ускорением вдоль своей оси в направлении спада магнитного поля (за счёт трансформации энергии вращения электронов в энергию поступательного движения кольца). Дальнейшее ускорение кольца производится внешним электрическим полем (см. рис.(рисунок)); при этом необходима ускоряющая система со значительным энергетическим запасом, например система высокочастотных резонаторов.
Эксперименты, проведённые на макетах таких ускорителей в Объединённом институте ядерных исследований (СССР, г. Дубна), позволили получить эффективность ускорения в десятки Мэв/м. Во многих странах ведутся работы по изучению возможностей получения в коллективных методах ускорения эффективностей в сотни Мэв/м.
Лит.: Veksler V. I., Coherent principle of acceleration of charged particles, «Proceedings CERN symposium on high energy acceierators and pion physics», v. I, Gen., 1956, p. 80–83; Плютто А. А. и др., Ускорение ионов в электронном пучке, «Атомная энергия», 1969, т. 27, в. 5, с. 418; Файнберг Я. Б., Ускорение частиц в плазме, «Атомная энергия», 1959, т. 6, в. 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, p. 289.
