Ускорители элементарных частиц (стр. 3 из 3)

Канал 9 подготовлен для ввода пучка в пузырьковую камеру «Людмила». Двухметровая жидководородная камера «Людмила» создана в ОИЯИ, а затем с большими предосторожностями перевезена в ИФВЭ. Она пущена в строй в 1971 г. Это огромная установка, в которой только магнит весит 700 т. В одном из первых экспериментов камера экспонировалась на пучке антипротонов с энергией 23 ГэВ. Получено более ста тысяч снимков, обработка которых дала первую информацию о взаимодействии антипротонов с энергией 23 ГэВ с протонами. Фотографии обрабатывали физические центры не только Дубны, но и Москвы, Тбилиси, Хельсинки.

В ИФВЭ создана большая теоретическая школа, развивающая исследования частиц при высоких энергиях. Анализируются новые экспериментальные результаты, получаемые на крупнейших ускорителях, сравниваются с теоретическими моделями. Так, серпуховский эффект показал ограниченность предположений модели полюсов Редже для высокоэнергетического рассеяния. В частности, выяснили, что возрастание сечений может быть получено из общих физических принципов. Повысился интерес к таким результатам теории, которые строго следуют из основных положений. Так, Г.Г. Волков, А.А. Логунов, М.А. Мествиришвили доказали в 1970 г., что если полное сечение рассеяния частиц с ростом энергии возрастает, то отношение этого сечения к сечению рассеяния античастиц стремится к единице с ростом энергии. Эта теорема доказывает отсутствие противоречий между основными принципами теории и современными экспериментальными данными по поведению сечений рассеяния частиц.

Циклический ускоритель

Рассмотрим устройство циклического ускорителя электронов[2].

Из инжектора 1(это, как правило, линейный ускоритель или микротрон) предварительно ускоренные электроны попадают на круговую орбиту ускорителя. Захват электронов в режиме синхротронного ускорения возможен при достижении релятивистских скоростей частиц, ибо синхротронная равновесная орбита, по которой электрон движется с постоянной средней угловой частотой и медленно меняющимся радиусом, требует уже в начальном периоде, чтобы энергия частицы была релятивистской (E>mc²). Поэтому синхротронному режиму ускорения предшествует предварительный этап ускорения либо в бетатроне, либо в специальном инжекторе типа линейного ускорителя или микротрона. На круговой орбите электроны 5 удерживаются магнитным полем поворотных магнитов 4. В индукционном ускорителе (бетатроне) и несущее, и ускоряющее поля магнитные. Предел энергии, до которой ускоряются электроны в бетатроне, равен примерно 300 МэВ. В синхротроне магнитное поле в поворотных магнитах увеличивается по мере увеличения энергии электронов, чтобы удержать электроны на равновесной синхротронной орбите (синхронно с ускорением – отсюда и название синхротрон). Обычно круговая камера 2 синхротрона разделяется на 4 части (квадранты 4), между которыми образуются прямолинейные промежутки 3. В один из них устанавливается резонатор с меняющимся электрическим поле, в котором электроны «подталкиваются» (ускоряются). Преимущества синхротрона существенны, так как магниты в отличии от бетатрона, установлены только на криволинейных участках траектории, а потери энергии на СИ компенсируются. Предел достижимой энергии теперь линейными размерами ускорителя, магнитными полями и потерями на СИ. Итак, в синхротроне ускоренный электрон движется со скоростью υ, близкой к скорости света c.

Лазерный ускоритель на биениях

Рассмотрим поведение плазмы в поле двух лазерных пучков с близкими частотами ω₁ и ω₂, распространяющихся в одном и том же направлении (с линейно поляризованным электрическим полем, ориентированным вдоль оси y). Суммарное электрическое поле

E = E₁ cos (ω₁t – k₁x) + E₂ cos (ω₂ t – k₂ x)(2)

Может быть в этом случае представлено в виде высокочастотной синусоиды, промодулированной в пространстве и во времени на разностной частоте. Максимумы и минимумы модуляции (волны биений) двигаются в направлении x со скоростью υ_гр =( ω₁ – ω₂)/( k₁ – k₂), которая при близких частотах ω₁ и ω₂ называется групповой скоростью. В плазме групповая скорость несколько меньше скорости света и определяется выражением

(3)

где ω_c = (ω_{1 +}ω₂)/2 – средняя частота электромагнитных волн.

На заряженную частицу в этом поле действует обычная сила Лоренца. В нерелятивистском случае, который реализуется при плотностях потока энергии лазерного излучения, много меньшей 10¹⁹ Вт/см², уравнение движения электрона имеет вид

(4)

Где B – магнитное поле лазерных волн, ν – вектор скорости. Под действием электрического поля электроны совершают колебательное движение в направлении электрического поля волны

(5)

и, кроме того, на них действует усредненная по высокой частоте сила, являющаяся результатом комбинированного действия обеих лазерных волн (слагаемое ν хB). Эта сила, называемая обычно усредненной пондеромоторной силой или силой Миллера, направлена вдоль x и изменяется в пространстве и времени с частотой биений (разностной частотой ω₁ -ω₂ и разностным волновым числом k₁ – k₂ )

(6)

Эта сила приводит к выталкиванию электронов из областей с более сильным полем и создает неравномерность распределения электронов в пространстве, то есть возбуждает в плазме коллективное пространственно-периодическое электрическое поле на частоте биений.

Таким образом, два лазерных пучка создают в плазме бегущую волну силвого поля, распространяющуюся в направлении x с групповой скоростью лазерной волны. Если эта сила окажется в резонансе с плазменными колебаниями, то есть частота лазерных биений совпадет с плазменной частотой, а групповая скорость лазерной волны совпадает с фазовой скоростью плазменной волны, то даже при сравнительно малой величине силы Миллера возможно резонансное возбуждение плазменной волны с большой амплитудой[3].

Это явление аналогично резонансному возбуждению колебаний вынуждающей силой в обычном колебательном контуре.

Позже Т. Таджима и Дж. Даусон предложили использовать возбуждаемое таким образом электрическое поле в плазме для ускорения заряженных частиц. Чтобы ответить на вопрос о реальной возможности ускорения, необходимо определить максимальную величину электрического поля в плазменной волне, возбуждаемой на частоте биений двух лазерных волн. Если в формулу

E = 4πσ = 4π℮Ν∆x, (7)

Вместо ∆x подставить ∆x =λ_p/(2π) = с/ω _пл, где l_p– длина плазменной волны, то получим

(8)

Здесь α – максимальная глубина модуляции плотности в волне α = N_M/N. Численно это дает значение E_{M =} α N В/см, где N выражается в см^-3. Величина α обычно определяется нелинейными процессами, нарушающими резонансные условия и приводящими к насыщению роста возмущения плотности. Наиболее существенным из них является сдвиг собственной частоты плазменных колебаний от значения ω_пл,связанный с релятивистским утяжелением массы электронов, осциллирующих в поле сильной плазменной волны. Как показывает компьютерное моделирование и экспериментальные исследования, при использовании релятивистски сильных лазерных пучков с плотностью потока энергии до 10¹⁸ – 10²⁰ Вт/см², модуляция плотности может достигать 30 %, то есть при концентрации N = 10¹⁷ см^-3 электрическое поле может иметь аномально высокую напряженность 10¹¹ В/м.

Фазовая скорость возбуждаемой волны несколько меньше скорости света. Для электронов, синхронных с волной, то есть имеющих начальную скорость, равную фазовой скорости волны, действующее на них электрическое поле оказывается независящим от времени и периодическим в пространстве. Максимальное увеличение энергии электрона в ускоряющем поле можно определить, если вычислить энергию, приобретенную им при скатывании с потенциального барьера в системе координат, движущейся вместе с волной, и пересчитать эту энергию в лабораторную систему координат. В результате максимальное приращение энергии ∆Е = 2αγ²mc², где γ = ω/_пл. Приобретая эту энергию, электрон начинает двигаться быстрее волны и выходит из ускоряющей фазы. Длина на которой это происходит, L_уск = γ²c/ω_пл. Именно таким размером и следует ограничить ускоряющую область. Например, при использовании излучения газового CO₂ лазера с длинами волн около 10 мкм в плазме с плотностью электронов N = 10¹⁷ см^-3 длина ускорения составляет 3 см, а максимальная приобретаемая электроном энергия при этом может достигать величины 1 ГэВ.

Заключение

Изложенные выше ключевые физические идеи о способах возбуждения в плазме релятивистски сильных плазменных волн и их использовании для ускорения заряженных частиц позволили реализовать в первых экспериментах рекордно сильные электрические поля (вплоть до 1011 В/м), более чем на три порядка превышающие уровень, достижимый в вакуумных системах в радиодиапазоне. Эти результаты существенно усиливают интерес к исследованию ускорителей, использующих коллективные электрические поля в плазме и уже позволяют рассматривать конкретные проекты ускорителей.

Только дальнейшие исследования могут ответить на возникающие вопросы. В то же время полученные результаты уже сегодня позволяют построить компактные ускорители с умеренной энергией частиц (порядка 1 ГэВ), не требующие сложных и громоздких высоковольтных устройств. Подобные ускорители могут найти широкое применение в науке, медицине и промышленности, открывая подчас совершенно новые возможности, неосуществимые при использовании традиционных систем.

Список используемой литературы

1. Современное естествознание: Энциклопедия: в 10 т. – М: Издательский дом

Магистр-Пресс,2000. –т.4 – Физика элементарных частиц. Астрофизика – 280 с: иллюстр.

2. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для ВУЗов – М.: Академический Проект, 2000. Изд. 2-е, испр. и доп. – 639 с.

3. Дубовой Э.И. таинственный мир элементарных частиц. – М.: Атомиздат, 1979, - 144 с.

4. Мякишев Г.Я. Элементарные частицы, изд. 3-е, испр. и доп. – М.: Наука,1979. – 176 с.

5. Белокуров В.В. Ширков Д.В. Теория взаимодействий частиц. – М.: Наука, гл. ред. Физико-математическая литература, 1986. – 160 с.

6. Ахиезер А.И. Рекало М.П. Элементарные частицы. – М.: Наука. 1986.

[1] А.И.Ахиезер, М.П. Рекало Элементарные частицы. – м.:Наука.1986г

[2] Современное Естествознание: Энциклопедия: в 10 т. – М.:2000. – Физика элементарных частиц. – 280 с.

[3]Современное Естествознание: Энциклопедия: в 10 т. – М.:2000. – Физика элементарных частиц. – 280 с.