Одним из наиболее перспективных направлений развития современной физики ускорителей является использование плазмы в качестве среды для ускорения заряженных частиц. В традиционных ускорителях максимальные градиенты ускоряющего поля ограничены электрической прочностью твёрдых материалов и диэлектриков. В плазме же, как в полностью ионизованной среде, не существует диэлектрического пробоя в привычном смысле. Это позволяет достигать ускоряющих градиентов на уровне десятков и даже сотен гигаэлектронвольт на метр, что на порядки превышает возможности классических радиочастотных структур.
Существуют два основных механизма возбуждения ускоряющих волн в плазме:
Оба подхода активно исследуются, демонстрируя рекордные ускоряющие градиенты и перспективу создания компактных ускорительных установок, потенциально пригодных для фундаментальных исследований и прикладных задач.
Другим направлением исследований являются диэлектрические ускорители, в которых в качестве рабочих структур применяются материалы с высокими диэлектрическими постоянными. При облучении таких структур мощным лазерным излучением или СВЧ-полем возбуждаются ускоряющие моды, которые могут обеспечивать ускорение частиц с существенно более высокими градиентами, чем в традиционных медных резонаторах.
Ключевым преимуществом диэлектрических структур является возможность их миниатюризации и интеграции в компактные устройства. Особое внимание уделяется схемам на основе фотонных кристаллов, которые позволяют управлять распространением электромагнитных волн и оптимизировать ускоряющие поля.
Ускорение частиц в кристаллических структурах основано на явлении каналирования заряженных частиц вдоль атомных плоскостей или осей кристалла. Если создать в таких каналах высокочастотное поле, согласованное с траекторией частицы, можно реализовать ускорение на наноуровне. Потенциальные ускоряющие градиенты здесь могут достигать сотен гигаэлектронвольт на метр.
Практическая реализация этого подхода связана с большими трудностями: необходимо удерживать пучок в канале кристалла и создавать электромагнитные поля с нужной фазой и частотой. Тем не менее, исследования в этом направлении показывают перспективы создания сверхкомпактных ускорителей для медицины и нанофизики.
Развитие мощных фемтосекундных лазеров открыло возможности для новых методов ускорения. Одним из подходов является ускорение на границе плазмы: при взаимодействии сверхмощного лазерного импульса с тонкой мишенью электроны вырываются из вещества и создают мощные электрические поля, которые затем ускоряют ионы.
Другой вариант – ускорение в оптических структурах (Dielectric Laser Acceleration, DLA), где электроны движутся вдоль специально разработанных микро- и наноструктур, облучаемых лазером. Электромагнитное поле в этих структурах синхронизировано с движением частиц, что обеспечивает эффективное ускорение. Такие системы рассматриваются как перспективная база для настольных ускорителей и источников рентгеновского излучения.
Современные исследования активно движутся в сторону гибридных технологий, совмещающих различные принципы ускорения. Например, плазменные ускорители могут использоваться для предварительного разгона пучков, которые затем вводятся в классические резонаторные ускорители для повышения качества и стабильности параметров.
Другой вариант гибридных схем предполагает совмещение диэлектрических структур с плазменными источниками, что открывает путь к созданию компактных ускорителей высокой энергии с контролируемой эмиттансой.
Развитие перечисленных методов ускорения открывает новые горизонты:
Эти направления исследований формируют фундамент для следующего поколения ускорительной техники, способной обеспечить новые уровни энергии и компактности установок.