Коллективный метод ускорения частиц

Президиум АН СССР заслушал доклад доктора физико-математических наук В. П. Саранцева о новом методе ускорения заряженных частиц.
Решение проблем физики элементарных частиц и атомного ядра требует создания пучков заряженных частиц все более высокой энергии и интенсивности В связи с этим особенно актуальным становится увеличение эффективно сти ускорения заряженных частиц, повыше ние компактности ускорителей.
Физические характеристики материалов и существующие способы создания высокочастотных полей в ускоряющих системах ставят определенный предел приросту энергии частиц на единицу длины ускоряющей структуры традиционного типа. Возможность обойти этот предел и повысить эффективность ускорения появилась в результате исследований по созданию нового, так называемого коллективного метода ускорения, проводившихся с 1962 г. в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.
Идея коллективного метода ускорения ионов, выдвинутая покойным академиком В. И. Векслером, заключалась в том, чтобы воспользоваться силами электрического пространственного заряда сгустков легких частиц (электронов) для ускорения частиц большей массы. Используя законы релятивистского движения, можно, оказывается, создать образование в виде кольца из быстро вращающихся электронов и погруженных в него положительно заряженных ионов, которое, будучи заряженным, тем не менее будет сохранять электродинамическую устойчивость. Причем если скорость вращения электронов будет достаточно высокой, то для его стабилизации достаточно небольшое, порядка 1% количество ионов. Тогда такое стабильное заряженное кольцо, мало отличающееся по своему поведению во внешних нолях от чисто электронного сгустка, можно ускорять в направлении, перпендикулярном к его плоскости, любым известным способом. При этом ионы, удерживаемые внутри этого кольца силами пространственного заряда электронов, очевидно, будут приобретать энергию, во столько раз большую, чем энергия электронов, во сколько их масса больше массы электронов.
Повышение эффективности процесса ускорения и увеличение прироста энергии частиц на единицу длины установок связано, таким образом, с перенесением пространства, в котором происходит взаимодействие частиц с ускоряющим полем, внутрь самих сгустков заряженных частиц, т. е. использованием для ускорения ионов поля пространственного заряда сгустков электронов. Такие поля оказываются в 10—100 раз более высокими, а объемы, в которых они существуют, в 100—1000 раз меньшими, чем в обычных ускорителях Это обстоятельство и позволяет считать коллективный метод ускорения весьма перспективным с точки зрения сокращения размеров и повышения эффективности ускорителей тяжелых заряженных частиц
Завершение в Дубне в 1967 г. работ по обоснованию коллективного метода, в котором для ускорения ионов используются электронные сгустки кольцевой формы, положило начало развитию аналогичных исследований во многих странах,
В настоящее время освоена методика получения электронных колец с числом электронов 10¹³, Проведены опыты по ускорению ионов в таких кольцах до энергий порядка нескольких десятков миллионов электрон-вольт.
Сейчас решаются вопросы получения колец с максимальной плотностью электронов. Для этого в крупнейших лабораториях мира строится ряд новых устройств и установок. Электронные ускорители, сооружаемые сейчас в Дубне и Беркли (США), обеспечат, по-видимому, создание сгустков, которые будут ускорять до сверхвысоких энергий с эффективностью, примерно в 10 раз более высокой, чем у синхрофазотронов. За последние годы высказано несколько идей о получении кольцевых сгустков способами, которые отличаются от метода, предложенного в Дубне. Однако пока еще не проведено серьезных экспериментальных и теоретических исследований этих способов, и потому трудно говорить о преимуществах и недостатках тех или иных из них,
В ближайшие годы предполагается создание основанной на коллективном методе установки, способной ускорять любые тяжелые ионы. Существует мнение, что использование этого метода — сейчас практически единственный путь для получения ускоренных тяжелых ионов в количествах, которые обеспечат изучение далеких трансурановых элементов, расположенных вблизи «островов стабильности». Коллективный ускоритель тяжелых ионов существенно расширит возможности ядерной физики. Специфические особенности такого ускорителя, в частности, чрезвычайно малая длительность импульса частиц, позволит, например, при отыскании «островов стабильности» в ядерной физике средних энергий применять методику, используемую физикой высоких энергий, и регистрировать единичные акты образования новых элементов
В настоящее время в мире проектируется и строится довольно большое число ускорите лей на не очень высокую энергию (порядка единиц Гэв), но с высокой интенсивностью пучка, объединяемых общим названием «мезонные фабрики». В них нуждаются как ядер ная физика, так и техника. Разработка такого ускорителя составит еще одно направление, по которому пойдет развитие коллективного метода в ближайшие годы.
Усилия исследователей направлены также на создание коллективного ускорителя частиц сверхвысоких энергий. Основные работы здесь связаны с выбором оптимальной ускоряющей системы В качестве промежуточного этапа создания такого ускорителя на энергии в тысячи Гэв предполагается сооружение ускорителя на 20—30 Гэв, который был бы использован в дальнейшем как головная часть большого ускорителя Предварительное рассмотрение возможностей такой промежуточной установки показало, что она может обеспечить ускорение примерно 10¹⁴ протонов в секунду с хорошими геометрическими характеристиками пучка.
Важное значение для определения более далеких перспектив развития ускорителей на сверхвысокие энергии имеют исследования по получению электронных колец с существенно лучшими параметрами. Как показывают расчеты, можно получать электронно-ионные кольца с поперечным сечением 10^-3 - 10^-4 см. Применение таких колец открыло бы пути создания ускорителя вплоть до энергий порядка 1 000 000 Гэв, причем стоимость его сооружения несильно отличалась бы от затрат на сооружение ускорителя на 1000 Гэв.