Ускорители элементарных частиц

Это явление  аналогично резонансному возбуждению  колебаний вынуждающей силой  в обычном колебательном контуре.

      Позже Т. Таджима и Дж. Даусон предложили  использовать возбуждаемое таким образом электрическое  поле в плазме для ускорения заряженных частиц. Чтобы ответить на вопрос о реальной возможности ускорения, необходимо определить максимальную величину электрического поля в плазменной волне, возбуждаемой на частоте биений двух лазерных волн. Если в  формулу   

      E = 4π σ = 4π℮Ν∆x, (7) 

Вместо  ∆x  подставить ∆x =λ_p/(2π) = с/ω _пл, где l_p – длина плазменной волны, то получим  

(8) 

Здесь  α – максимальная глубина модуляции плотности в волне  α = N_M/N. Численно это дает значение E_{M =} α N   В/см, где N  выражается в см^-3. Величина α обычно определяется нелинейными процессами, нарушающими резонансные условия и приводящими к насыщению роста возмущения плотности. Наиболее существенным из них является сдвиг собственной частоты плазменных колебаний от значения ω_пл,связанный с релятивистским утяжелением массы электронов, осциллирующих в поле сильной плазменной волны. Как показывает компьютерное моделирование и экспериментальные исследования, при использовании релятивистски сильных лазерных пучков с плотностью потока энергии до 10¹⁸ – 10²⁰ Вт/см², модуляция плотности может достигать 30 %, то есть при концентрации N = 10¹⁷ см^-3 электрическое поле может иметь аномально высокую напряженность 10¹¹ В/м.

      Фазовая скорость возбуждаемой волны несколько меньше скорости света. Для электронов, синхронных с волной, то есть имеющих начальную скорость, равную фазовой скорости волны, действующее на них электрическое поле оказывается независящим от времени и периодическим в пространстве. Максимальное увеличение энергии электрона в ускоряющем поле можно определить, если вычислить энергию, приобретенную им при скатывании с потенциального барьера в системе координат, движущейся вместе с волной, и пересчитать эту энергию в лабораторную систему координат. В результате максимальное приращение энергии  ∆Е = 2αγ²mc², где γ = ω/_пл. Приобретая эту энергию, электрон начинает двигаться быстрее волны и выходит из ускоряющей фазы. Длина на которой это происходит, L_уск = γ²c/ω_пл. Именно таким размером и следует ограничить ускоряющую область. Например, при использовании излучения газового CO₂  лазера с длинами волн около 10 мкм в плазме с плотностью электронов N = 10¹⁷ см^-3 длина ускорения составляет 3 см, а максимальная приобретаемая электроном энергия при этом может достигать величины 1 ГэВ.

     Заключение 

     Изложенные  выше ключевые физические идеи о способах возбуждения в плазме релятивистски  сильных плазменных волн и их использовании  для ускорения заряженных частиц позволили реализовать в первых экспериментах рекордно сильные электрические поля (вплоть до 1011 В/м), более чем на три порядка превышающие уровень, достижимый в вакуумных системах в радиодиапазоне. Эти результаты существенно усиливают интерес к исследованию ускорителей, использующих коллективные электрические поля в плазме и уже позволяют рассматривать конкретные проекты ускорителей.

     Только  дальнейшие исследования могут ответить на возникающие вопросы. В то же время  полученные результаты уже сегодня  позволяют построить компактные ускорители с умеренной энергией частиц (порядка 1 ГэВ), не требующие сложных  и громоздких высоковольтных устройств. Подобные ускорители могут найти широкое применение в науке, медицине и промышленности, открывая подчас совершенно новые возможности, неосуществимые при использовании традиционных систем. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  используемой литературы

1. Современное естествознание: Энциклопедия: в 10 т. – М: Издательский дом  

    Магистр-Пресс,2000. –т.4 – Физика элементарных  частиц. Астрофизика –     280 с: иллюстр. 

2. Карпенков  С.Х. Концепции современного  естествознания: Учебник для ВУЗов – М.: Академический  Проект, 2000. Изд. 2-е, испр. и доп. – 639 с.

3. Дубовой Э.И. таинственный мир элементарных частиц. – М.: Атомиздат, 1979, - 144 с.

4. Мякишев Г.Я.   Элементарные частицы, изд. 3-е, испр. и доп. – М.: Наука,1979. – 176 с.

5. Белокуров  В.В.  Ширков  Д.В. Теория взаимодействий частиц. – М.: Наука, гл. ред. Физико-математическая литература, 1986. – 160 с.

6. Ахиезер А.И.  Рекало  М.П. Элементарные частицы. – М.: Наука. 1986.