Высокоградиентные ускоряющие структуры разрабатываются для достижения максимально возможного ускоряющего электрического поля на ограниченной длине ускорителя. Ключевая цель состоит в том, чтобы существенно увеличить энергию заряженных частиц на единицу длины установки, что позволяет уменьшить габариты и стоимость ускорителя при сохранении или повышении его энергетических характеристик.
Ускоряющий градиент определяется как отношение приращения энергии частицы к длине пути, на котором это приращение достигается. Для традиционных радиочастотных (РЧ) ускоряющих структур этот параметр ограничен физикой пробоя в вакууме, тепловыми эффектами и устойчивостью материалов к экстремальным электромагнитным полям.
Электрический пробой Основной физический предел для градиента в РЧ-резонаторах задаётся электрическим пробоем. Когда напряженность поля превышает определённое значение, происходит ионизация остаточного газа, инициируется каскад электронов и возникает плазма, разрушающая устойчивость структуры. Для медных РЧ-резонаторов на частотах порядка гигагерц пробой возникает при напряжённостях порядка 100–150 МВ/м.
Тепловая нагрузка Металлические стенки резонатора поглощают часть мощности РЧ-поля, что вызывает нагрев. Увеличение градиента сопровождается ростом потерь и температурных деформаций. Это требует применения систем охлаждения и использования материалов с высокой теплопроводностью.
Ограничения по добротности Добротность резонатора влияет на эффективность накопления электромагнитной энергии. При слишком высоком градиенте рост поверхностных токов увеличивает потери и снижает добротность, что делает структуру менее эффективной.
Использование высокочастотных структур При переходе к более высоким частотам (десятки гигагерц) уменьшаются размеры резонаторов и возрастает допустимый уровень электрического поля до пробоя. Наиболее известным примером является проект CLIC (Compact Linear Collider), где предполагается использование ускоряющих структур на частоте 12 ГГц с градиентом около 100 МВ/м.
Сверхпроводящие резонаторы В сверхпроводящих структурах потери на нагрев минимальны, что позволяет поддерживать высокие поля без разрушения материала. Однако предел градиента всё же накладывается на критическое магнитное поле сверхпроводника. Современные Nb-резонаторы достигают градиента порядка 40–50 МВ/м при высоких добротностях (Q ~ 10¹⁰).
Наноструктурированные поверхности Технологии обработки поверхности, такие как азотная допировка ниобия, химическое полирование и плазменная обработка, позволяют снизить вероятность инициирования пробоя и повысить допустимые градиенты.
Плазменно-волновые ускорители Одним из перспективных направлений является использование плазмы в качестве среды для генерации высоких градиентов. В плазменно-волновых ускорителях достигаются поля порядка 10–100 ГВ/м, что на два порядка выше, чем у традиционных РЧ-структур. Источником возбуждения плазменной волны могут быть как мощные лазеры, так и электронные пучки.
Диэлектрические резонаторы Структуры на основе диэлектриков способны работать при более высоких частотах и выдерживать большие напряжённости полей, чем металлические аналоги. Их применение ограничивается проблемами нагрева и разрушения диэлектрических материалов.
Метаматериалы Современные исследования показывают, что использование метаматериалов с искусственно созданными электромагнитными свойствами может позволить эффективное управление распределением полей и повышение градиента.
Двухпучковые системы В ряде проектов (например, в CLIC) для питания высокоградиентных структур используется специальный приводящий пучок. Его энергия преобразуется в высокочастотное поле, питающее ускоряющий канал, что позволяет отказаться от сверхмощных внешних источников РЧ-излучения.