Особенности ускорения тяжелых ионов

Ускорение тяжёлых ионов представляет собой особую задачу физики ускорителей, отличающуюся от ускорения электронов и протонов. Особенности обусловлены большим отношением массы к заряду, множественностью возможных зарядовых состояний и высокой интенсивностью кулоновского взаимодействия между частицами. Эти факторы накладывают ограничения на выбор ускоряющих структур, систем инжекции и методы охлаждения пучков.

Зарядовое состояние и ионизация

Тяжёлые ионы не всегда ускоряются в полностью ионизированном состоянии. Для большинства элементов требуется предварительная ионизация до многозарядных состояний. Обычно используются:

• Источник ионов: электронно-циклотронные (ECR), дуговые и лазерные источники.
• Многоступенчатая ионизация: ион проходит несколько стадий, постепенно увеличивая зарядовое состояние.
• Выбор оптимального заряда: определяется компромиссом между лёгкостью ионизации и эффективностью ускорения (чем выше заряд, тем выше отношение q/m, но сложнее реализовать стабильное состояние).

Таким образом, подготовка ионов к ускорению является ключевым этапом, влияющим на всю схему ускорителя.

Линейные ускорители тяжёлых ионов

На начальных стадиях используются линейные ускорители (линары), где тяжёлые ионы приобретают энергию до нескольких десятков или сотен МэВ на нуклон.

Особенности:

• Применяются дрифтовые трубки (DTL) и сверхпроводящие резонаторы для достижения высокой градиентности.
• Для тяжёлых ионов используются резонаторы с переменной частотой, согласованные с изменяющимся отношением v/c (скорости к свету).
• Требуется тщательное управление фазовым фокусированием, поскольку разброс скоростей на низких энергиях особенно велик.

Линейные ускорители играют роль инжекторов в более крупные циклические ускорители (синхротроны и циклотроны).

Циклотроны и синхротроны

Для дальнейшего разгона тяжёлых ионов применяются:

• Циклотроны — удобны для средних энергий, обеспечивают компактность и стабильность пучка, однако ограничены релятивистским фактором.

• Синхротроны — основной инструмент для ускорения тяжёлых ионов до высоких энергий. Здесь учитываются:

  • необходимость вариации магнитного поля и радиочастоты для синхронизации с изменением скорости частиц;
  • влияние сильных кулоновских сил, вызывающих рост эмиттанса;
  • потребность в системах охлаждения (стохастическое и электронное охлаждение).

Плотность и интенсивность пучка

При ускорении тяжёлых ионов особое значение имеет плотность пучка.

• Большие кулоновские силы внутри пучка приводят к эффектам пространственного заряда, вызывающим расплывание пучка и рост энергетического разброса.

• Для уменьшения этих эффектов используется:

  • понижение интенсивности пучка;
  • применение систем охлаждения;
  • использование пучков в форме “тяжёлых ионов с низкой плотностью” при многократном накоплении.

Методы охлаждения тяжёлых ионов

Поддержание качества пучка требует специальных технологий:

• Сточастическое охлаждение — применяется на промежуточных стадиях, особенно в накопительных кольцах.
• Электронное охлаждение — тяжёлые ионы проходят через пучок электронов с близкой скоростью, что позволяет уменьшить поперечный и продольный разброс.
• В перспективных проектах рассматриваются лазерные методы охлаждения, особенно для ионов с простыми электронными оболочками.

Сечения взаимодействия и потери пучка

При ускорении тяжёлых ионов существенно возрастают потери на столкновения с остаточным газом:

• Возможны процессы перезарядки (захват электрона) и ионизации оболочки.
• Эти процессы приводят к изменению отношения q/m, и частица выходит из синхронизации с системой ускорителя.
• Для минимизации потерь необходима ультравысокий вакуум (давление порядка 10⁻¹¹ Торр и ниже).

Применение тяжёлых ионов

Ускоренные тяжёлые ионы находят широкое применение:

• Фундаментальные исследования: изучение фазовых переходов ядерной материи, поиск кварк-глюонной плазмы, исследование ядерных реакций.
• Прикладные задачи: радиационная модификация материалов, терапия онкологических заболеваний тяжёлыми ионами (например, углеродная терапия), ядерная астрофизика.
• Синтез новых элементов: именно тяжёлые ионные пучки используются для получения сверхтяжёлых ядер.

Перспективы развития

Современные проекты ускорителей тяжёлых ионов направлены на:

• повышение светимости за счёт более интенсивных пучков;
• разработку сверхпроводящих технологий, позволяющих создавать компактные и энергоэффективные установки;
• использование новых источников ионов с повышенной стабильностью и высоким зарядовым состоянием;
• интеграцию многоступенчатых ускорительных комплексов, включающих линейные инжекторы, накопительные кольца и синхротроны.