коллективные методы ускорения

КОЛЛЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ УСКОРЕНИЯ - методы ускорения заряж. частиц, а также их удержания в процессе ускорения, в к-рых используются собственные эл--магн. поля, возникающие в результате взаимодействия одной группы зарядов с другой либо в результате взаимодействия группы зарядов с эл--магн. волной или плазмой (в отличие от обычных методов ускорения, в к-рых создаваемые внеш. поля, электрические или магнитные, имеют конфигурацию, обеспечивающую как ускорение, так и удержание в процессе ускорения заряж. частиц). В зависимости от характера взаимодействия различаются способы и модификации коллективного ускорения частиц.

История развития К. м. у. В 1956 В. И. Векслер, Я. Б. Файнберг и Г. И. Будкер предложили использовать собственные поля заряж. частиц для целей ускорения и удержания частиц - когерентные методы, плазменные волноводы и релятивистски стабилизированный пучок [1].

Когерентные методы рассматривали взаимодействие компактного плотного сгустка частиц с эл--магн. волной, пучком электронов или др. сгустком частиц. При достаточной малости размеров сгустка в процессе ускорения, обеспечивающей когерентное (синхронное) воздействие на всю ускоряемую группу частиц, сила, действующая на сгусток, пропорциональна квадрату числа зарядов в сгустке. Величина напряжённости ускоряющих частицы полей в этом случае может во много раз превышать достижимые техникой и составляет 10⁷-10⁸ В/см.

Плазменный волновод предназначен для формирования в плазме такой эл--магн. волны, к-рая может обеспечить одновременно условия ускорения частиц и их поперечного удержания. Плазма как среда для волновода выбиралась из условия создания высокой напряжённости ускоряющего поля.

Релятивистская стабилизация основана на явлении самофокусировки для кольцевого пучка релятивистских частиц. Условие самофокусировки впервые было сформулировано У. Беннеттом в 1934 [2]. Кроме сил кулоновского расталкивания, в релятивистском пучке частиц существует магн. сила взаимодействия параллельно движущихся частиц с зарядом одного знака, существенно ослабляющая ку-лоновское расталкивание. Ослабление происходит в раз ( - релятивистский фактор, равный отношению энергии частиц к их энергии покоя). За счёт добавления в пучок покоящихся частиц с противоположным знаком заряда силы кулоновского расталкивания могут быть не только скомпенсированы, но и поменять знак, т. е. расталкивание превратится в стягивание пучка. Это, очевидно, имеет место при N₂> > , где N₁ и N₂ - плотности соответственно движущихся частиц и покоящихся частиц "примеси". Если при этом N₂<N₁, то добавленные покоящиеся частицы в свою очередь удерживаются суммарным кулоновским полем (магн. поле на покоящиеся частицы не действует). Т. о., при условии

имеет место самофокусировка релятивистского пучка с примесью зарядов противоположного знака собственными электрич. и магн. полями. Если это условие обеспечить, напр., в бетатроне, то эффективность работы ускорителя возрастёт во много раз, т. к. условие поперечного удержания пучка оказывается выполненным за счёт самофокусировки. Стягивание пучка за счёт сил самофокусировки прекращается только при сечениях кольца 10^-4 см. Полученное таким способом состояние кольцевого пучка является стационарным.

Конкретная реализация этих обших предложений пошла по ряду направлений. Рассмотрим основные из них.

Ускорение в поле пространственного заряда. Этот способ ускорения был открыт экспериментально в 1968 С. Грейбиллом и Дж. Аглумом [3]. Ионы ускоряются потенц. ямой пространств. заряда, создаваемой мощным электронным пучком. Электронный пучок, ускоряемый от анода к катоду, не будет распространяться в область за анодом, если его ток больше предельного; накопление пространств. заряда электронов за анодом, запирающее пучок (виртуальный катод), создаёт потенц. яму для ионов (рис. 1). Глубина ямы достигает значений, больших 1 MB. Ионы могут создаваться за счёт ионизации электронами атомов остаточного газа или вводиться специально сформированными струями газа. При образовании ионов происходит частичная нейтрализация электронного заряда, запирающее действие накопленного электронного заряда ослабляется и электронный пучок распространяется дальше за анод. Вместе с перемещением ямы пространств. заряда происходит перемещение ионов, захваченных внутрь ямы. Величина энергии ускоренных таким методом ионов может превышать энергию электронов пучка в десятки раз. Для протонов макс. полученная энергия составляет 60 МэВ, что существенно превышает глубину потенц. ямы, в к-рой ускоряются ионы. Чтобы ионы удерживались потенц. ямой электронов, движение ямы должно строго регламентироваться. Существует и изучается неск. схем, в к-рых движение ямы заранее программируется. Особенно интересным представляется ускоритель М. Фридмана [4]. В его схеме полый электронный пучок проходит через прерыватель, где создаётся последовательность полых "электронных цилиндров". Затем пучок проходит в ведущем магн. поле, образованном рядом коротких соленоидов. Когда цепочка электронных цилиндров проходит в таком "гофрированном" магн. поле, радиусы цилиндров в соответствии с полем попеременно уменьшаются и увеличиваются. При изменении радиуса заряж. цилиндров возникает перем. осевое электрич. поле, к-рое можно представить как сумму двух эл--магн. волн: медленной прямой волны и обратной. Фазовую скорость прямой - ускоряющей - волны можно изменять за счёт изменения периода магн. поля, его величины, тока пучка и периода дробления пучка.

Рис. 1. Ускорение в поле пространственного заряда: 1 - катод; 2 - анод; 3 - труба дрейфа; 4 - электронный пучок; 5 - потенциальная яма с ионами.

Рис. 2. Ускорение медленной волной в пучке: 1 - электронный пучок; 2 - медленная волна; 3 - ионы, захваченные волной.

Волновые ускорители. Это направление является развитием предложения о плазменных волноводах. В электронном пучке, распространяющемся в вакууме и удерживаемом продольным магн. полем H, возбуждается и используется для ускорения ионов волна пространств. заряда с отрицат. энергией, т. е. волна, для к-рой характерно увеличение амплитуды ускоряющего ионы поля по мере затраты энергии на ускорение ионов (рис. 2). Проведены два демонстрац. эксперимента, показавшие возможность возбуждения и управления такой волной. В экспериментах использовались волны разной физ. природы: циклотронная [5] и ленгмюровская [6], обладающие отрицат. энергией. Для волновых ускорителей наиб. сложным является получение низких нач. фазовых скоростей волны, необходимых для инжекции ионов в потенц. яму волны. В опытах с циклотронными волнами для этого используют низшую циклотронную моду. Для её возбуждения применяют спиральную секцию, резонансно возбуждаемую на круговой частоте . При этом фазовая скорость возбуждаемой в пучке волны равна

где - скорость электронов, - циклотронная частота (е и т - величина заряда и масса электрона, В - магн. индукция). Создавая сильное магн. поле (большие значения ) и выбирая сравнительно низкую частоту , фазовую скорость вначале можно сделать достаточно малой для захвата ионов в режим ускорения. Последующее увеличение фазовой скорости осуществляется за счёт уменьшения магн. поля по длине ускорения. [Для аналогичного ускорителя с ленгмюровскими волнами параметром, меняющим фазовую скорость, является плазменная частота, к-рую можно регулировать изменением геом. фактора (напр., расстояния от пучка до стенки трубы дрейфа).] Ниже приведены рассчитанные в [5] параметры строящегося ускорителя такого типа. Энергия электронного пучка ....... .-3 МэВ

Ток электронного пучка в импульсе . . . . - 30 кА

Длительность импульса тока пучка . . . .-200 нc

Частота циклотронной волны ....... . - 250 МГц

Магнитная индукция по длине .......- 2 5 кГс - 2 кГс

Энергия ионов ................ - 30 МэВ

Ток ионов в импульсе ............-30 А

Длина ускорителя ..............-4 м

Точности поддержания параметров для обеспечения синхронизации во всё время ускорения очень высоки, и это определяет сложность реализации ускорителя.

Ускорители с электронными кольцами используют для ускорения и удержания ионов потенциальную яму специально сформированного кольца релятивистских электронов. Метод был предложен в ОИЯИ (Дубна) в 1967 [7].

В плотном электронном сгустке электрич. поле на границе определяется плотностью числа электронов р и размерами сгустка а, т. е. пропорционально В центре сгустка поле равно нулю, и, т. о., сгусток образует потенц. яму. Помещённый в такой сгусток положит. ион с зарядом Ze и массой М будет испытывать действие силы поля сгустка, направленное к его центру, и совершать колебат. движения. Ион удерживается потенц. ямой электронного сгустка. Если под действием внеш. сил электронный сгусток начнёт двигаться с ускорением, то силы инерции, действующие на ион, , будут направлены противоположно силам удержания. Если сгусток электронов и внеш. силы, определяющие ускорение, выбраны правильно: , то ион движется вместе со сгустком, т. е. скорости сгустка и иона в среднем совпадают. При этом приобретённые энергии электронов и ионов будут соотноситься (при одинаковых скоростях) как массы частиц: М/т. Даже для самого лёгкого из ионов - протона это отношение равно 1840, для остальных ионов оно в А раз больше (А - атомный номер элемента). Такой большой выигрыш в энергии иона делает реализацию данного метода весьма перспективной. В приведённых рассуждениях предполагалось сохранение первонач. размеров сгустка электронов, что обеспечивает непрерывность процесса ускорения. Одним из отличий этого метода ускорения от других К. м. у. является то, что среди условий, наложенных на сгусток, есть условие сохранения его размеров (также за счёт собств. полей). Всем условиям, наложенным на сгусток, удовлетворяет образование в виде компактного кольца релятивистских электронов, движущихся в магн. поле, в сечении к-рого находятся покоящиеся ионы. Число ионов выбрано так, что удовлетворяется условие самофокусировки: , где Ni и N_e - соответственно число ионов и электронов в кольце. Если , то имеются широкие возможности выполнения этого соотношения. Варьируя число ионов, можно обеспечить в ускорителе как условия набора энергии ионами, так и достаточно большое количество ионов в одном кольце. Для прототипов ускорителей такого вида величина выбрана равной 30-40. При этом, естественно, как во всех К. м. у., необходимо иметь достаточную плотность электронов в кольце - именно это определяет большую эффективность ускорения. Напряжённость электрич. поля на границе сечения кольцевого сгустка равна:

где R - радиус кольца, а - радиус его сечения.

Рис. 3. Ускорение электронными кольцами: 1 - адгезатор; 2 - сечение кольца электронов до сжатия; 3 - сжатое электронное кольцо; 4 - ускоренное электрон-ионное кольцо; 5 - ускоряющее поле.

Принцип работы такого ускорителя и реальные его параметры рассмотрим на примере конкретной схемы ускорителя ОИЯИ [8]. Инжектором электронов служит индукц. линейный ускоритель, позволяющий получать сравнительно высокие импульсные токи электронов (неск. кА) с малым разбросом частиц по энергиям, что существенно для получения плотных сгустков. Инжекция и захват электронов на замкнутую орбиту происходят в магн. поле т. н. адгезатора - адиабатич. генератора заряж. тороидов. В адгезаторе формируется компактное кольцо электронов за счёт адиабатич. (медленного по сравнению с периодом обращения электронов) сжатия в растущем магн. поле. При этом R и a кольца (так же, как в бетатроне с переменным радиусом) изменяются обратно пропорционально (рис. 3). Энергия электронов, а следовательно, и фактор увеличиваются пропорционально . Для конкретного ускорителя после сжатия в адге-заторе: N_e = 10¹³, R=3 см, а=0,15 см, =35, что обеспечивает поле на границе кольца 10⁶ В/см. В этом состоянии источник нейтральных атомов (напр., водорода) формирует их поток сквозь электронное кольцо. Электроны ионизуют проходящий сквозь кольцо газ, и образовавшиеся ионы автоматически попадают в потенц. яму электронов. Оптим. соотношение для числа протонов и электронов составляет 0,01, что соответствует 10¹¹ протонов. При этом все условия удержания выполнены, и дальше такой сгусток ускоряется во внеш. электрич. поле. Точнее, внеш. поле ускоряет электронную компоненту сгустка, ионная же компонента ускоряется и удерживается полем электронного сгустка. Эффективность ускорения определяется отношением , поэтому рассмотренная схема применяется для ускорения тяжёлых ионов. Реализуется

Автоускорение - один из способов повышения энергии нек-рой доли заряж. частиц пучка за счёт его взаимодействия с высокочастотной пассивной структурой (напр., резонатором); впервые предложен А. А. Коломенским [9].

В связи с быстрым развитием электронных ускорителей большой мощности появилась возможность с высокой степенью эффективности трансформировать с помощью коллективных эффектов энергию электронного пучка в энергию пучка ионов. Такие устройства наз. ионными диодами.

Однако энергии мощных электронных пучков, получаемых на диодных системах ускорения, составляют лишь 1-2 МэВ, получение таким способом пучков более высоких энергий приводит к существ. увеличению стоимости установок и сопряжено с решением сложнейших инженерных и физ. проблем. Чтобы обойти эти трудности, и применяется метод автоускорения. Процесс автоускорения заключается в передаче энергии большей части частиц пучка малой его части, за счёт чего существенно увеличивается энергия последней. Это достигается в результате взаимодействия мощного пучка с высокочастотной пассивной структурой. При этом часть энергии пучка идёт на возбуждение ускоряющего поля в структуре, под действием к-рого ускоряется та часть частиц, к-рая попадает в благоприятную фазу поля. Опыты с обычной волноводной структурой показали возможность увеличения энергии части электронов в 2-3 раза. Опыты по более строгому фазированию системы одиночных резонаторов и спец. предварит. формированию пучка электронов позволили продолжить процесс резонансного самоускорения и получать электронные пучки большой мощности с энергией 10 МэВ.

Рис. 4. Ускоритель с коллективной фокусировкой: 1- катушки магнитного поля; 2- магнитное поле; 3 - электроны, удерживаемые магнитным полем; 4 - ускоряемый пучок ионов.

Ускорители с коллективной фокусировкой. Первое предложение ускорителя, использующего коллективные поля для фокусировки частиц, было сделано Г. И. Будкером. Радиальное электрич. поле интенсивного электронного пучка в кольцевом ускорителе предполагалось использовать для удержания ионов на круговой орбите. Такое двухкомпонентное кольцо получило назв. будкеровского кольца. Добавление к предложению Будкера нескольких существ. деталей делает эту идею реализуемой [10]. Осн. идея изменений - создать гофрированное тороидальное магн. поле с помощью цепочки попарно замкнутых магн. зеркал. Если в такую систему инжектировать плотное облако электронов с поперечными скоростями, то образуются цепочки электронных линз, создающих потенц. яму для ионов, ускоряемых индукц. полем (как в бетатроне) (рис. 4). При этом электроны не ускоряются вдоль тороида и, следовательно, не нагружают ускоряющего генератора, а удерживаются системой магн. зеркал. Ф-ции ускорения и удержания в такой системе строго разделены. Такой ускоритель может быть и линейным.

Лит.: 1) Fainberg I. В., The use of plasma waveguides as accelerating structures in linear accelerators, в кн.: CERN Symposium of high energy accelerators and pion physics, Proceedings, v. 1, Gen., 1956, p. 84; Veksler V. I., Coherent principle of acceleration of charged particles, там же, р. 80; В u d k e r G. J., Relativistic stabilized electron beam, там же, p. 68; 2) Bennett W. H., Magnetically self-focusing streams, "Phys. Rev.", 1934, v. 45, p. 890; 3) G г а у b i 1 1 S. E., U g 1 u m J. R., Observation of energetic ions from a beam-generated plasma, "J. Appl. Phys.", 1970, v. 41, p. 236; 4) F r i-edman M., The GPA (A collective particle accelerator), "IEEE Trans. Nucl. Sci.", 1979, V. NS-26, № 3, p. 4186; 5) S 1 0-an M. L., Drummond W. E., Autoresonant accelerator concept, "Phys. Rev. Lett.", 1973, v. 31, p. 1234; 6) S p r a n g-le P., Drobot А. Т., Manheimer W. M., Collective ion acceleration in a converging wave guide, "Phys. Rev. Lett.", 1976, v. 36, p. 1180; 7) Veksler V. e t a 1., Collective linear acceleration of ions, Proc. of the 6-th International conf. on high energy accelerators, USA CEAL-2000, 1967, p. 289; 8) Саранцев В. П., Перельштейн Э. А., Коллективное ускорение ионов электронными кольцами, М., 1979; 9) Kolomenskii A. A., Particle acceleration by electron beams, "Particle Accel.", 1973, v. 5, № 2, p. 73; 10) M о n-d e 1 1 i A. A., Rostoker N., The collective focusing ion accelerator, в кн.: Collective methods of accelerations, L., 1979, p. 611. В. П. Саранцев.

   <<      Предметный указатель      >>