Коллективные методы ускорения

КОЛЛЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ УСКОРЕНИЯ заряженных частиц, основаны на непосредственном воздействии многих частиц сравнительно низкой энергии на небольшое количество ускоряемых частиц. Например, для ускорения протонов и тяжёлых ионов могут быть использованы электроны. Перспективность метода обусловлена возможностью создания в вакууме или плазме очень сильных электрических полей (с напряжённостью до 10¹⁰ В/м), рост которых в других методах ограничивается потребляемой мощностью источника поля и опасностью электрического пробоя. В коллективных методах ускорения пробой исключён, т.к. зона сильных полей может быть удалена от всех металлических или диэлектрических поверхностей и локализована в малом объёме вблизи ускоряемого и ускоряющего сгустков частиц. Использование сильных электрических полей позволяет уменьшить размеры ускорителя на 2-3 порядка.

Первоначальная идея коллективных методов ускорения была высказана Х. Альвеном в 1940-х годах. Развитие коллективных методов ускорения началось в 1956 году, когда В. И. Векслер, Я. Б. Файнберг и Г. И. Будкер предложили использовать собственные поля частиц для циклического ускорения. Коллективные  методы ускорения казались очень перспективными, однако эксперименты группы физиков из Дубны (Векслер, В. П. Саранцев и др., опубликованы в 1967) показали трудности реализации коллективных методов ускорения. В этих экспериментах ускоряющий сгусток частиц представлял собой кольцевой электронный ток, перемещающийся вдоль магнитного поля вместе с захваченными ускоряемыми тяжёлыми ионами. Дальнейшее развитие этой идеи остановилось из-за трудно преодолимых проблем долговременной устойчивости такой двухкомпонентной системы.

К началу 21 века предложено более десятка различных коллективных методов ускорения, использующих новые технические достижения (пучки электронов относительно небольшой энергии с силой тока до 10⁷ А, компактные лазеры мощностью до 10¹² Вт и др.). Разрабатываются коллективные методы ускорения, близкие к идеям Я. Б. Файнберга о возбуждении интенсивных продольных волн сжатия и разрежения в плазме или в электронном пучке. Наиболее перспективными из этих коллективных методов ускорения представляются те, в которых используются так называемые кильватерные волны, возникающие в плазме вслед за мощным коротким импульсом электронного тока или коротким импульсом лазера. С использованием коллективных методов ускорения экспериментально получено ускоряющее поле напряжённостью более 10⁹ В/м (на два порядка больше значений, получаемых другими методами). Энергия электронов, полученная с использованием коллективных методов ускорения, достигает нескольких миллиардов электрон-вольт.

На начало 21 века коллективные методы ускорения не позволяют создать условия, требующиеся для проведения современных исследований в области физики элементарных частиц. Однако развитие этого направления продолжается. Кроме того, в ходе разработки коллективных методов ускорения были получены результаты, позволившие усовершенствовать обычные методы ускорения, в первую очередь с точки зрения повышения интенсивности пучка.

Лит.: Саранцев В. П., Перельштейн Э. А. Коллективное ускорение ионов электронными кольцами. М., 1979; Лебедев А. Н., Шальнов А. В. Основы физики и техники ускорителей. 2-е изд. М., 1991.