Электрическое ускорение: продольные и поперечные поля
Основным способом передачи энергии заряженной частице является работа электрического поля. В ускорителях применяются как постоянные, так и переменные поля. Ускорение в постоянных электрических полях — это основа линейных ускорителей (линейных ускоряющих трубок), но такие поля быстро достигают предела пробоя. Чтобы избежать электрического разряда и добиться больших энергий, применяются переменные поля радиочастотного диапазона (RF-структуры), в которых ускорение реализуется синхронно с колебаниями поля.
Различают два типа ускоряющих структур:
Линейные ускорители (линейки, линейки типа Альвареса, Дрифта и т.д.), где частица последовательно проходит через серии электродов с приложенным переменным напряжением, синфазным с движением частицы.
Циклические ускорители, в которых частица многократно проходит одну и ту же ускоряющую структуру. Здесь принцип синхронизации фазы особенно важен, чтобы частица попадала в ускоряющую часть электрического поля.
Магнитные поля и управление траекторией
Магнитное поле не ускоряет частицы по энергии, но управляет направлением их движения. Это используется для создания кольцевых траекторий (например, в синхротронах и циклотронах), а также для фокусировки и стабилизации пучка.
Основные элементы магнитной оптики:
Циклотрон: синхронизация и радиочастоты
Циклотрон использует постоянное магнитное поле и переменное электрическое поле. Частица движется по спирали, переходя из одного дуантра (D-образных электродов) в другой. Радиочастотное поле прикладывается между дуантрами и синхронизировано с обращением частицы, так что ускорение происходит при каждом проходе промежутка между дуантрами.
Однако циклотрон имеет энергетический предел из-за релятивистского увеличения массы: при достижении релятивистских скоростей период обращения изменяется, и частица выходит из фазы с полем. Это ограничение преодолевается в синхроциклотронах и изохронных циклотронных модификациях, где либо изменяется частота радиополя, либо форма магнитного поля для поддержания постоянного периода обращения.
Синхротрон: гибкость и релятивистские режимы
Синхротрон — это циклический ускоритель, в котором как магнитное поле, так и частота радиочастотного поля изменяются синхронно с ростом энергии частицы. Орбита частицы постоянна по геометрии, но магнитное поле увеличивается, чтобы удерживать частицу на этой орбите по мере роста её импульса. Это позволяет ускорять частицы до очень высоких энергий, включая релятивистские.
Преимущества синхротрона:
RF-камеры и ускоряющие резонаторы
В основе ускоряющих структур лежат резонаторы — металлические полости, в которых возбуждаются собственные колебания электромагнитного поля. Наиболее часто используется TM₀₁₀-мода в цилиндрических полостях. Электрическое поле ориентировано вдоль оси резонатора, что позволяет эффективно передавать энергию продольно движущейся заряженной частице.
Современные ускорители используют:
Фокусировка пучка: сильная фокусировка
Применение чередующихся квадрупольных магнитов по схеме Фодора-Лоуренса (alternating gradient focusing) обеспечивает сильную фокусировку пучка, позволяя минимизировать размер и расходимость пучка при его ускорении. Это особенно важно при высокой плотности пучка, когда проявляются эффекты коллективных взаимодействий.
Сильная фокусировка позволяет:
Проблема синхротронного излучения
При ускорении заряженных частиц по криволинейной траектории они излучают электромагнитную энергию — синхротронное излучение. Это особенно выражено для электронов, чья масса мала, и при высоких энергиях приводит к значительным потерям энергии. Эти потери:
Линейные ускорители высоких энергий (линейки)
Линейные ускорители (линейки) ускоряют частицы вдоль прямолинейной траектории при последовательном прохождении через серии ускоряющих резонаторов. Линейки лишены проблемы синхротронного излучения, характерной для кольцевых ускорителей, и позволяют ускорять легкие частицы до высоких энергий без энергетических потерь на излучение.
Ключевые аспекты линейных ускорителей:
Наиболее известный пример — SLAC (Stanford Linear Accelerator), где реализована линейка длиной более 3 км, ускоряющая электроны до десятков ГеВ.
Методы инжекции и экстракции пучка
Для эффективной работы ускорителей необходимо точно вводить пучок в рабочую орбиту (инжекция) и извлекать его для последующего использования (экстракция). Эти процессы реализуются с помощью:
Коллайдеры и встречные пучки
Вместо того чтобы разгонять частицы и направлять их в неподвижную мишень, более эффективно сталкивать два пучка навстречу друг другу. Это позволяет получить существенно большую доступную энергию в системе центра масс.
Особенности коллайдеров:
Примеры: LHC (Large Hadron Collider), RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), LEP (Large Electron–Positron Collider).
Будущие направления: плазменное ускорение
Современные технологии ускорения достигают физических и технических пределов. В качестве альтернативы разрабатываются методы ускорения в плазме с использованием интенсивных лазеров или пучков частиц. Плазма позволяет создавать градиенты поля в сотни раз выше, чем в традиционных RF-резонаторах.
Перспективы плазменных ускорителей:
Однако остаются проблемы стабильности пучка, фазового управления, управления эмиттансом, которые необходимо решить до перехода к промышленным или научным приложениям.