нижнее белье для полных
მედიცინის კვლევები

   Велика Радянська Енциклопедія

Прискорення заряджених частинок колективні методи

   
 

Прискорення заряджених частинок колективні методи. Прискорення заряджених частинок в сучасних прискорювачах відбувається завдяки взаємодії заряду частинки 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 коливається від 1 до 50 МеВ на 1 м довжини системи. У 1960-х рр.. виник новий напрям у фізиці прискорювачів = т. н. когерентні методи прискорення, які в принципі дозволяли обійти труднощі "класичних" прискорювачів. Засновником цього напрямку був В. І. Векслер . Головне завдання когерентних методів прискорення = отримання більшої ефективності прискорення. Їх характерна особливість полягає в тому, що електромагнітне поле, що прискорює частки, не є зовнішнім, а виникає в результаті взаємодії групи прискорених частинок з ін групою зарядів, плазмою або електромагнітним випромінюванням за умови його когерентного (синхронного) впливу на всю прискорювала групу частинок. Такий синхронізм зазвичай виникає автоматично. Величина прискорює поля залежить від числа що беруть участь в такій взаємодії частинок і може досягати великих значень = 100 Мв / м і більше. Проте реалізації цих методів заважають виникають плазмові й гідродинамічні нестійкості і тому в даний час когерентне прискорення не має практичного значення для прискорення частинок. Якщо прискорювані частинки не беруть участь у створенні прискорюючих полів, але останні створюються не за допомогою електродів, як в "класичних" прискорювачах, а за допомогою потоків, згустків або кілець заряджених частинок, то говорять про колективні методах прискорення. До 1976 існує близько 20 різних схем колективного прискорення частинок. У всіх таких прискорювачах, на відміну від плазмових прискорювачів , у створенні прискорює 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, істотно перевищують енергію електронів пучка. 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 тільки на створення такого поля, а й на іонізацію газу, наявного в трубці. Через характерний час іонізації, яке залежить від щільності пучка і газу, по всьому шляху пучка до місця його практичної зупинки утвориться достатня кількість позитивно заряджених іонів, щоб нейтралізувати просторовий заряд електронного пучка і локалізувати поле усередині самого пучка. Гальмує дію поля на надходять після характерного часу іонізації електрони послаблюється, втрати енергії припиняються, і пучок електронів проходить далі вздовж трубки. Після цього весь процес повторюється, і так продовжується до тих пір, поки пучок не пройде всю трубку. Т. о., Місце найбільшої щільності електронів рухається уздовж трубки зі швидкістю, пропорційною часу іонізації. Позитивно заряджені іони, що потрапили в початковий момент в ущільнену частина електронного пучка, утримуються негативно зарядженими електронами і рухаються разом з таким стрибком густини вздовж трубки з тією ж швидкістю, а отже (через їх великої маси), мають багато більшою енергією, ніж електрони. Ефективність прискорення в цьому методі досягає 100 МеВ / м. Поки реалізовані довжини прискорення тільки в кілька см, і належить ще велика робота з перевірки правильності викладеної вище схеми прискорення.

2. Плазмовий метод прискорення

Плазма є середовищем, в якій 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 частинок = суть плазмового методу прискорення, запропонованого сов. фізиком Я. Б. Файнберг. Для вирішення цього завдання застосовують потужні електронні пучки. При їх проходженні крізь плазму створюються умови, при яких 20 = 30% енергії 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 виникає хвилею і зробити її придатною для прискорення частинок.

3. Прискорення іонів електронними кільцями

При цьому способі прискорення створюється стійкий електронний згусток, в який вводяться позитивно заряджені іони. Електричне поле електронного згустку міцно утримує іони. При прискоренні згустка зовнішнім полем іони також прискорюються разом зі згустком. Кінцева енергія іонів в стільки разів більше енергії електронів того ж згустку, у 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 згустку. Щоб домогтися стійкості згустку електронів, необхідно компенсувати сили кулонівського відштовхування електронів в згустку. Це можна зробити додаванням в згусток необхідного числа позитивно заряджених іонів. Однак число іонів має бути невеликим, щоб маса згустку істотно не змінювалася (тому прискорення залежить від ставлення заряду до маси). Такі суперечливі вимоги виконуються лише для рухомих електронів. Дійсно, на електрони згустку діють кулонівських сили расталкивания, що призводить до розльоту згустку. Але якщо згусток рухається, то, крім кулонівських сил, з'являються магнітні сили, пов'язані з рухом зарядів і спрямовані протилежно силам расталкивания. Чим вище швидкість руху електронів, тим більше магнітні сили. Для електронів з енергією руху, наприклад, в 10 МеВ результуюча сила расталкивания зменшується в 400 разів у порівнянні з силою для покояться електронів. У цьому випадку досить в електронний згусток ввести мале число іонів (1/ 400 від числа електронів), щоб повністю компенсувати кулоновское відштовхування. Для подальшого прискорення такої освіти в зовнішньому полі згусток формується у вигляді кільця рухомих електронів. Всередині перерізу такого кільця (тора) розташовані практично покояться іони. 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 цьому методі.

Схема прискорювача з електронними кільцями. Згусток електронів формується таким чином. Пучок електронів від лінійного прискорювача вводиться (інжектується) в магнітне поле, таке ж, як у прискорювача зі слабкою фокусуванням, і утворює кільце великого діаметру. Початковий розмір кільця вибирається з умови утримання в поле потрібного числа електронів. Потім магнітне поле наростає і відповідно до зростання поля всі розміри кільця зменшуються. Цей процес триває аж до отримання кільцевого згустка необхідних параметрів. У кінцевому стані стиснення за допомогою газового клапана в область кільця впорскується необхідну кількість газу. Електрони ионизуют газ, і які утворюються іони захоплюються електронним згустком. Число захоплених іонів регулюється зміною тиску впускаємо порції нейтрального газу. Після цього змінюється конфігурація магнітного поля, що утримує електрони, і кільце разом з іонами починає рухатися з прискоренням уздовж своєї осі в напрямку спаду магнітного поля (за рахунок трансформації енергії обертання електронів в енергію поступального руху кільця). Подальше прискорення кільця проводиться зовнішнім електричним полем (див. рис. ); При цьому необхідна прискорювальна 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. У багатьох країнах ведуться роботи з вивчення можливостей отримання в колективних методах прискорення ефективностей 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, p. 80 = 83; Плютто А. А. та ін, Прискорення іонів в електронному пучку, "Атомна енергія", 1969, т. 27, в. 5, с. 418; Файнберг Я. Б., Прискорення частинок в плазмі, "Атомна енергія", 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.

© В. П. Саранцев.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
енциклопедія  біляші  морс  шашлик  качка