Настольные ускорители

Вс, 09/08/2013 - 18:42

Когда электронная пушка впрыскивает электроны в то место плазмы, где они уже есть в избытке, новые частицы под действием электрического поля устремляются к положительным зарядам внутри пузыря. Волна движется вперед со скоростью света, поэтому инжектируемые электроны должны иметь околосветовую скорость, чтобы поймать волну и получить от нее дополнительную энергию. Согласно законам физики дальнейшее увеличение энергии электронов происходит главным образом за счет увеличения их массы, а не скорости. Поэтому они не опережают плазменную волну, а как бы скользят на ее гребне, приобретая все большую энергию. Некоторые электроны самой плазмы точно так же захватываются и ускоряются, словно пена, подхваченная гребнем океанской волны.

В новых ускорителях элементарные частицы будут накапливать колоссальную энергию, скользя на гребнях плазменных волн.

В 2002 г. Виктор Малка из Лаборатории прикладной оптики Французского политехнического института показал, что с помощью управляемого лазером кильватерного поля можно создавать хорошо сфокусированный пучок, содержащий 108 электронов. К сожалению, диапазон энергии ускоренных электронов оказался очень широк (от 1 МэВ до 200 МэВ). В большинстве случаев требуются пучки электронов с одинаковой энергией. Большой разброс энергии обусловлен тем, что электроны захватываются волной поля в разных точках и в разное время. В обычном ускорителе частицы вводятся в одном месте недалеко от пика электрического поля. Ученые считали, что такой точный впрыск в ускорителе с лазерным кильватерным полем невозможен, т.к. ускоряющая структура имеет микроскопические размеры и существует в течение очень короткого времени. Однако в 2004 г. три конкурирующие группы исследователей из США, Франции и Великобритании одновременно обнаружили новый физический режим, в котором электроны двигаются как единое целое и достигают одной и той же энергии. Экспериментаторы использовали лазеры более высокой мощности, чем прежде (10 ТВт и выше). Мощный лазерный импульс, проходя через плазму, становится короче и создает большой электронный пузырь, захватывающий электроны из плазмы. Самозахваченных электронов оказывается так много, что они отбирают у кильватерной волны достаточно энергии, чтобы захват новых частиц прекратился. Самые энергичные электроны в авангарде сгустка опережают волну и начинают терять энергию, тогда как отставшие электроны с меньшей энергией продолжают ее набирать. В результате получается пучок электронов с узким распределением энергии. Например, в экспериментах Малки ее разброс был снижен со 100% до 10% при интенсивности пучка порядка 109 электронов. Заметно уменьшилось и его угловое рассеяние: оно оказалось сопоставимым с угловым рассеянием пучков, создаваемых лучшими линейными СВЧ-ускорителями.

В принципе, ускоритель с лазерным кильватерным полем может разгонять электроны до энергии порядка 1 ГэВ, но для этого нужно получить плазменную волну, которая сохранится на протяжении целого сантиметра, а не пары миллиметров. Чтобы возбуждающий ее лазерный луч как можно дольше сохранял свою интенсивность, необходимо создать для него плазменный световод. Наиболее перспективным считается метод предварительного формирования плазменного световода, который разрабатывают исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. В этом методе плотность электронов около оси плазмы ниже, чем на периферии. Поэтому коэффициент преломления в центре плазменного канала оказывается выше, чем на периферии, и канал ведет себя как оптоволокно, направляющее лазерный луч. Эксперименты в Беркли уже показали, что такие каналы позволяют получить моноэнергетические пучки электронов. Дальнейшее усовершенствование технологии, вероятно, приведет к появлению настольных плазменных ускорителей ГэВ-класса.

Вскоре для получения низкоэнергетических электронных пучков можно будет использовать настольные плазменные ускорители.
Ускоритель с плазменным кильватерным полем вызвал большой интерес у физиков, занимающихся совершенствованием ускорительной техники. Столь привлекательным его сделали достижения ученых из UCLA, Университета Южной Калифорнии и Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC). Прежде всего им удалось создать плазменный ускоритель метровой длины как для электронов, так и для позитронов. Большое искусство потребовалось для того, чтобы научиться поддерживать устойчивость ведущих пучков на таком расстоянии. Кроме того, физики продемонстрировали увеличение энергии электронов более чем на 4 ГэВ на дистанции всего 10 см. Самое главное, что нет никаких принципиальных препятствий для еще большего увеличения энергии: достаточно просто удлинить участок с плазмой.

Наращивание мощностей

Возможно ли при последовательном соединении сотни компактных лазерно-плазменных ускорительных модулей, дающих приращение энергии по нескольку ГэВ, разогнать элементарные частицы до 1 ТэВ? Аналогичная каскадная схема используется для получения высоких энергий с помощью традиционных СВЧ-ускорителей. Однако использование каскадных схем для плазменных ускорителей по аналогии с СВЧ-ускорителями чревато огромными трудностями. Сегодня физики-ядерщики предпочитают метод дожигания плазмы, при котором ускоритель с плазменным кильватерным полем удваивает энергию частиц, разогнанных обычным ускорителем. Последний выдает два импульса электронов или позитронов с энергией порядка нескольких сотен ГэВ. В первом импульсе (его называют ведущим) содержится в три раза больше частиц, чем во втором (ведомом). И длительность каждого импульса, и временной интервал между ними обычно составляет 100 фс. Как и в лазерном ускорителе, плотный ведущий импульс попадает в менее плотную плазму и создает пузырь с кильватерным полем. Процесс протекает так же, как в ускорителе с лазерным кильватерным полем, но электроны разбрасываются не световым давлением луча, а электрическим полем ведущего импульса. Затем ведомый импульс попадает в электронный пузырь и быстро ускоряется продольной составляющей полученного электрического поля.
Кроме того, ученые обнаружили, что плазма улучшает фокусировку электронного или позитронного луча как минимум в два раза. Это весьма существенно для коллайдеров, в которых ускоренные частицы должны быть сфокусированы на очень маленьком пятнышке. Чем сильнее сосредоточены пучки, тем больше происходит столкновений, количество которых является столь же важным параметром коллайдера, как и их энергия.

На участке длиной 10 см плазменный ускоритель увеличивает энергию электронов на 4 ГэВ.

Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени). Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ.

Создателям обычного ускорителя потребовалось 75 лет, чтобы довести энергию столкновения электронов с позитронами до 200 ГэВ. Технология плазменных ускорителей развивается гораздо быстрее, и ученые надеются выйти за пределы возможностей СВЧ-систем для физики высоких энергий всего за пару десятилетий.

Другие материалы рубрики


  • ...В некоторых же отношениях электроны ведут себя подобно волнам. Человеческое воображение бессильно представить нечто такое, что может быть одновременно и волной, и частицей, но само по себе существование дуализма волна-частица, которая называется корпускулярно-волновым дуализмом, не вызывает сомнения. Так, объект, который обычно считают волной, обретает в микромире свойство частицы, например, световая волна, ведет себя подобно потоку частиц, выбивая электроны с поверхности металла (фотоэлектронный эффект). Частицы света называются фотонам, и физики относят их наряду с электронами и кварками к фундаментальным частицам. Наглядно представить волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться, потому что в повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • ...Состояние в сверхпроводнике 1-го рода, когда сверхпроводящие домены соседствуют в материале с нормальными областями, называется промежуточным. Такое состояние может возникать при значениях индукции приложенного поля, лежащих в интервале (1–D)Bc < B < Bc, где размагничивающий фактор D определяется формой образца. Интервал изменения размагничивающего фактора — от нуля (для длинного цилиндра или тонкой пластины в параллельном поле) до единицы (для плоскопараллельной пластины в случае, когда поле приложено перпендикулярно ее поверхности)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Научно-технический прогресс — один из главных рычагов создания материально-технической базы будущего нашей страны, который возможен только на основе своевременного внедрения достижений современной науки путем использования всего арсенала средств, способствующих его ускорению.
    Революционные изменения в технике, на основе обновленных знаний, происходят в последние десятилетия столь стремительно, что часто приходится только удивляться новинкам. Творчество вечно, но, к сожалению, технические идеи часто остаются невостребованными.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Теории, которые пытаются объединить все четыре типа взаимодействия, называют «Универсальными теориями», «Теориями всего сущего» или «Теорией великого объединения». Если бы у нас была такая теория, то это бы означало, что человечеству удалось построить замкнутую физическую картину мира, она бы включала в себя все базовые принципы и законы мироздания, и во всей Вселенной уже не было бы того, что мы не можем понять и описать. Эта заветная цель современной физики пока еще далека от того, чтобы быть достигнутой, но уже сейчас делаются попытки построения таких теорий...

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Как родилась и эволюционирует наша Вселенная? Почему кольца Сатурна такие тонкие, но протяженные? Почему активность Солнца изменяется периодически с периодом около 11 лет? Что вызвало гибель динозавров? Отчего нас так пугают ослепительные вспышки молний, оглушительные удары грома, неистовые землетрясения, разбушевавшиеся вулканы? Отчего во время шторма возникает «девятый вал»? Почему цунами — столь грозная стихия? Почему рельеф снежных заносов волнистый? Почему у ягуара тело пятнистое, а хвост полосатый? И что объединяет эти совершенно не связанные между собой явления? Оказывается, все они — результат нелинейности.



  • Очевидные успехи в развитии науки и техники в XIX и ХХ веках вызвало в мировом общественном сознании некую эйфорию, уверенность в том, что человек стал властелином Природы, что его знания об устройстве окружающего Мира почти абсолютны, что человек может все. И действительно, изобретение в конце 18 века паровой машины существенно изменило жизнь общества, в значительной мере освободив его от утомительного физического труда, заложило основы современной промышленности и транспорта. Постулирование Исааком Ньютоном на рубеже 17 и 18 веков его трех принципов движения материальных тел и закона всемирного тяготения, создание начал дифференциального исчисления вызвало к жизни целый ряд научных открытий. Трудами нескольких поколений ученых в 18-19 столетиях была построена научная дисциплина, очертившая основы машиностроительной и технологической культуры нашей цивилизации, называемая сегодня теоретической механикой. Далее последовали фундаментальные открытия в области астрономии, физики, химии, получившие выход в различные области технических приложений — металлургию, строительство, транспорт, химическое производство, энергетику, судостроение, электротехнику, проводную и беспроводную связь, военное дело. Быстро развивались биология и медицина.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • В 1905 г. Альберт Эйнштейн предложил частную теорию относительности и опроверг представление о свете как о колебаниях гипотетической среды — эфира. Великий физик утверждал, что, в отличие от звуковых, световые волны могут распространяться в вакууме и для их существования не требуется какой-либо материальной среды. Это справедливо и в общей теории относительности, и в квантовой механике. Вплоть до сегодняшнего дня все экспериментальные данные в масштабах от субъядерного до галактического успешно объясняются названными теориями.
    Тем не менее существует серьезная концептуальная проблема: с позиций современной науки общая теория относительности и квантовая механика несовместимы. Гравитация, которую общая теория относительности приписывает искривлению пространственно-временного континуума, никак не вписывается в рамки квантовой механики. Физики сделали лишь небольшой шаг к пониманию сильно искривленной структуры пространства-времени, которая, согласно квантовой механике, должна наблюдаться на чрезвычайно малых расстояниях.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Полное отсутствие проводов у электробытовых приборов и доступ к электроэнергии в любой точке земного шара без ограничений, в требуемом количестве — имея при себе лишь передатчик размером со спичечный коробок…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3