Ускорители элементарных частиц

2











	РЕФЕРАТ

	По дисциплине

	«Концепции современного естествознания»

	на тему «Ускорители элементарных частиц»









		

.




















Содержание



	Введение………………………………………………………………………….3

	Современные ускорители заряженных частиц………………………………...4

	Научные центры по исследованию элементарных частиц……………………7

	Циклический ускоритель………………………………………………………15

	Лазерный ускоритель на биениях……………………………………………..16

	Заключение……………………………………………………………………..20

	Список используемой литературы……………………………………………21


Введение



В настоящее время широкое применение в науке и технике  нашли  ускорители заряженных  частиц – установки  для получения  пучков  заряженных  частиц  (протонов,  электронов, античастиц,  ядер  других  атомов)  высоких  энергий – от десятков  кэВ (10 3  эВ) до  нескольких  ТэВ (1012   эВ).  В технике  такие  ускорители  используются  для получения  изотопов, упрочнения  поверхностей  материалов и производства новых  материалов,  для создания  источников электромагнитного  излучения  (от  микроволнового до рентгеновского  излучения), широко применяются  в медицине и т.д. Однако,  по-прежнему, к числу  основных областей применения  ускорителей  относятся  ядерная физика и физика  высоких   энергий.  Современные  ускорители  заряженных частиц – главные  источники информации для  физиков, изучающих  вещество,  энергию,  пространство и время. Подавляющее  большинство  элементарных  частиц, известных  сегодня,  не встречаются  в естественных  условиях  на  Земле и получены  на ускорителях.  Именно  потребности физики  элементарных  частиц являются  главным   стимулом для развития  ускорительной  техники, и в первую  очередь  для повышения  энергии, до которой могут быть  ускорены заряженные  частицы.





		



















Современные ускорители  заряженных  частиц.



     	В современной  физике  высоких энергий используются  ускорительные установки двух  типов.  Традиционная  схема эксперимента  на укорителе такова: пучок заряженных  частиц  ускоряется до максимально возможной энергии и затем  направляется на  неподвижную  мишень, при столкновении с частицами которой  рождается  множество  элементарных  частиц. Измерения  параметров рождающихся  частиц дают  богатейшую экспериментальную   информацию, необходимую для проверки (или создания)  современной теории элементарных  частиц. Эффективность  реакции определяется  энергией сталкивающейся с мишенью частицы в системе  центра масс. Согласно  теории относительности при  неподвижной  мишени  и одинаковых массах  покоя  сталкивающихся  частиц  энергия  реакций



			Er = E	(1)



Где E – энергия налетающей на мишень частицы, m0 – ее масса, c – скорость света. Так, при соударении с неподвижной  мишенью протона, ускоренного до  энергии  1000  ГэВ, только  энергия  42  ГэВ идет на рождение новых  частиц, а большая  часть энергии расходуется на  кинетическую энергию  частиц, родившихся  в результате реакции.

     	Предложенные  в конце 60-х годов  XX  века ускорители на  встречных  пучках  (коллайдеры), в которых  реакция осуществляется при столкновении встречных  ускоренных  пучков заряженных частиц (электронов и позитронов, протонов и антипротонов и др.) дают существенный выигрыш  в энергии  реакции. В коллайдерах   энергия    реакций   равна  сумме  энергий  сталкивающихся  частиц

E1 + E2 , то есть при равных  энергиях частиц выигрыш  составляет   2E/m0c2. Разумеется, эффективность коллайдера  оказывается  более низкой, чем  ускорителя с неподвижной  мишенью, так как частицы двух  разреженных  пучков сталкиваются  между  собой гораздо  реже,  чем частицы пучка и плотной  мишени. Тем не менее, основная  тенденция  физики высоких  энергий – это  продвижение во все более высокие  энергии, и большинство крупнейших  ускорителей сегодня – это коллайдеры, в которых  ради  достижения  рекордных энергий жертвуют  числом  столкновений.

     	Современные  ускорители заряженных  частиц являются  самыми крупными экспериментальными установками  в мире, причем  энергия  частиц в  ускорителе  линейно  связана с  его размером. Так, линейный ускоритель электронов SLC на энергию  50 ГэВ в Стэнфордском  университете (США) имеет  длину  3  км, периметр протонного синхротрона Тэватрон на энергию  900  ГэВ  в лаборатории им. Э.Ферми (Батавия, США)  составляет 6,3 км, а  длина сооружаемого в Серпухове кольца, ускорительно-накопительного комплекса УНК, рассчитанного на энергию3 ТэВ, сооружаемый в 27-километровомускорительном тоннеле европейской  организации ядерных исследований (ЦЕРН)  в Женеве. 

     	Постоянно возрастающие размеры  ускорителей  уже  достигли границы  разумного соотношения  физических  характеристик  и  финансовых затрат,  превращая строительство  ускорителей  в проблему  национального  масштаба. Можно  говорить, что чисто  инженерные  решения  тоже  близки  к  своему  пределу. Очевидно, что дальнейший  прогресс в  ускорительной  технике должен  быть связан  с  поисками  новых  подходов  и  физических решений, делающих  ускорители компактнее и дешевле в сооружении  и эксплуатации. Последнее также  немаловажно,  так  как энергопотребление современных  ускорителей близко  к  энергопотреблению небольшого  города. Прикладная   ускорительная  наука формулирует  перед  современной  физикой  интересную  и чрезвычайно  важную  проблему. Нужно  обратиться  к новым  достижениям в радиофизике, физики  плазмы,  квантовой  электронике и  физике твердого  тела,  чтобы  найти  достойные  решения.

     	Наиболее многообещающими  является  поиск  способов  увеличения  темпа  ускорения  частиц.  В  современных  ускорителях  темп  ускорения  частиц ограничен   максимальной  напряженностью  ускоряющего  электрического  поля, которое   можно  создать в вакуумных системах. Эта  величина не превышает  сегодня   50МВ/м. В более  сильных  полях  возникают явления  электрического  пробоя  на  стенках резонатора  и  образование  плазмы, поглощающей энергию  поля    и препятствующей ускорению частиц. В действительности   величина  максимально  допустимого  высокочастотного  поля  зависит  от  его  длины  волны. Современные  ускорители  используют электрические  поля  с длиной  волны  больше  10  см. Например, переход  к длине волны 1 см позволит  увеличить максимально допустимые электрические  поля в  несколько  раз и тем  самым  уменьшить размеры  ускорителя. Разумеется, для  реализации  этого преимущества  необходима разработка в этом диапазоне сверхмощных источников  излучения, способных  генерировать импульсы электромагнитных волн  с мощностью в  сотни  МВт и длительностью импульса короче   100 нс. Это представляет  собой  крупную научно-техническую проблему, решением  который заняты многие  исследовательские центры мира.

     	Другой  возможный  путь – это  отказ  от  традиционных вакуумных микроволновых резонансных  систем  и использование  лазерного  излучения для  ускорения  заряженных  частиц.  С помощью  современных  лазеров  возможно  создание электрических  полей  с напряженностью, намного превышающей предельные  поля в  микроволновом  диапазоне. Однако  непосредственное  использование  лазерного излучения в вакууме  не позволяет  достичь эффекта  заметного  ускорения  заряженных частиц из-за невозможности резонансного  черенковского взаимодействия  волны с частицей,  так как скорость  света  в вакууме всегда  больше скорости  частицы. В последние  годы активно изучаются  методы  ускорения  заряженных частиц  лазерным  излучением  в  газах  и плазме, причем, поскольку  в сильных  электрических  полях происходит  ионизация  вещества и образование  плазмы, в конечном  счете, речь  идет об ускорении заряженных  частиц интенсивным  лазерным  излучением  в  плазме.


Научные  центры по исследованию элементарных  частиц



Институт физики высоких  энергий (ИФВЭ)



     	Основой для создания института явилось строительство в Протвино, расположенном вблизи подмосковного города Серпухова, самого крупного в  мире (вплоть до  1972  г.) кольцевого протонного синхротрона. Собранная в этом научном центре  уникальная экспериментальная техника дает возможность ученым проникнуть в глубины строения материи, понять и раскрыть неизвестные человеку законы бесконечно разнообразного и таинственного мира элементарных  частиц.

     	Ускоритель пущен в октябре 1967 г. В этом  ускорителе первоначально  протоны  образуются в результате газового разряда, затем ускоряются электрическим полем  высоковольтного импульса трансформатора до энергии 760 КэВ и попадают в линейный ускоритель – инжектор, где предварительно ускоряются до энергии 100МэВ, и затем поступают в кольцо основного ускорителя. В нем уже протоны ускоряются до энергии 76 ГэВ. Число  протонов в одном импульсе ускорителя – 3·1012 . Повторение импульсов происходит через каждые 7 сек. Ускоритель имеет в диаметре 472 м.  Вес электромагнитов 20 тыс. т.   Потребляемая ускорителем мощность 100 МВт. Ежегодно для физических исследований ускоритель работает 3000 -   4000 час.

     	Научный центр имеет насыпь, под которой находится ускорительное кольцо, и экспериментальный зал. Эксперименты в ИФВЭ осуществляются  как на внутренней мишени ускорителя, так и на выведенных пучках частиц.

     	На внутренней мишени к 1970 г. выполнен эксперимент по изучению упругого рассеяния протона на протоне и протона на дейтоне,  с использованием разработанной в ОИЯЛ газоструйной водородной мишени. Мишень представляла собой сверхзвуковую струю водорода, направленную в камеру и пересекающую протонный  пучок. В опыте измерялось угловое  распределение протонов, отклонившихся от направления движения в пучке из-за соударения с протонами газа-мишени. Из вида этого распределения можно было сделать вывод о радиусе протона.

     	Основная часть экспериментов проводится на выведенном пучке. Всего получают около двух десятков пучков частиц. Схема разводки пучков:

		

                                                            Кольцо основного  ускорителя



		 		10

		     		9

					8	

		7

		4

				2

		                


	Часть пучков используется для  технических  целей – проверки работы оборудования, а часть – для физических исследований.

	     	Один из пучков (2)	 - это пучок отрицательных π – и  κ - мезонов с энергией от 30 до 65 ГэВ и интенсивностью от 104 до 106  частиц/имп  ускорителя. Его получают следующим  образом.

	     	Пучок  ускоренных протонов направляется на твердую, обычно бериллиевую мишень, расположенную внутри вакуумной камеры. Родившиеся при соударении отрицательно заряженные частицы π – и  κ - мезоны  или  антипротоны отклоняются магнитным полем и выводятся из ускорителя.  Только небольшую  часть из них  удается с  помощью электрических и магнитных полей сформировать в пучок. Поэтому для получения пучков  вторичных частиц желательно иметь максимальную интенсивность ускоряемого основного пучка. Дальнейший этап – разделение мезонов и антипротонов по массе с помощью большого масс-спектрометра. В масс-спектрометре частицы разной массы  движутся под действием  магнитного поля по  разным дорожкам  и затем выводятся в  отдельные пучки.  Такое разделение  быстрых частиц, имеющих  скорости,  близкие к скорости света, - сложная  техническая задача, она требует создания  сильных  магнитов и спектрометров большого размера. Основную  долю в пучке составляют пионы. 

	     	Важнейшая группа экспериментов, выполненных в 1971 г. на пучке 2, состояла в измерении  полных  сечений рассеяния отрицательно заряженных частиц на протоне. Часть опытов проведена  совместно учеными  ИФВЭ и ЦЕРНа. Измерения осуществляли с помощью  счетчиков  частиц. Аналогичные измерения затем были выполнены и для положительно заряженных  пионов, каонов и протонов.

	     	Результаты оказались совершенно неожиданными по сравнению с тем,  что наблюдалось при меньших энергиях. Так, было известно,  что полные сечения рассеяния в измеренном ранее интервале энергий от 1  до  30  ГэВ монотонно убывают, причем разница сечений рассеяния мезонов противоположных  знаков  убывает с ростом энергий частиц (сечение рассеяния отрицательно заряженных частиц больше сечения положительно заряженных частиц того же вида). Очевидная экстраполяция в область больших энергий требовала дальнейшего убывания сечений.  Однако эксперименты в ИФВЭ показали, что при рассеянии пионов и антипротонов вместо дальнейшего быстрого падения сечений с ростом энергий обнаружилось замедление падения и установление некоторого постоянного значения;  для κ+ -  рассеяния на протоне сечение, которое было постоянным, обнаружило заметный рост. Эффект изменения характера поведения сечений рассеяния частиц на протоне с ростом энергии получил название «серпуховского эффекта». Авторы открытия:      Ю.Д. Прокошкин, С.П. Денисов, Ю.П. Горин, С.В. Денисов, В.И. Петрухин, Д.А. Стоянова, Р.С.  Шувалов,  Ю.Б. Бушнин, Ю.П. Дмитриевский, В.С. Селезнев.

	     	Серпуховский эффект привлек большое  внимание   теоретиков и экспериментаторов и сделал измерение полных сечений одним из интересных и важнейших экспериментов на  новых  ускорителях с большими энергиями в  Батавии (США) и  на пересекающихся кольцах в ЦЕРНе (Женеве). А настоящее  время имеются данные по протон - протонным сечениям в области энергий 300 – 2000 ГэВ, полученные в 1973 г. на накопительных кольцах  ЦЕРНа, и по рассеянию нуклонов на протоне  с энергией до 500 ГэВ, полученные в 1974  г. в Батавии (США). Эти  данные не только подтвердили существование  серпуховского эффекта, но и показали, что он может  быть началом нового явления в физике высоких энергий – быстрого роста полных сечений  процессов.  Исходя из физического смысла сечения, можно сказать,  что «поперечный размер» нуклона  возрастает с ростом энергии. Этот результат заставляет  теоретиков пересмотреть некоторые важные положения, лежащие в основе изучения динамики взаимодействия частиц высоких энергий.

	     	На пучке 2  была сделана попытка обнаружить гипотетические фундаментальные частицы – кварки с электрическим зарядом  равным  2/3  от заряда электрона. Для этого была  собрана уникальная установка, способная выделять частицы указанного заряда и определять их массу. В опыте удалось полностью подавить фон, вызываемый другими частицами - мезонами. Среди миллиардов прошедших через установку частиц не оказалось ни одного  с дробным зарядом.

	     	Пучок  4 – пучок отрицательно заряженных частиц с энергией от 20 до 45 ГэВ и интенсивностью порядка 106   частиц/имп. На этом пучке в конце 1969 г. были открыты ядра 3He.  Опыт состоял в том, что отрицательно заряженные частицы,  рождающиеся при столкновении ускоренных протонов с внутренней мишенью, отклонялись магнитным полем, формировались в пучок  с определенным импульсом, а затем система черенковских  и сцинтилляционных  счетчиков анализировала заряд и скорость каждой частицы в пучке. Из 200 миллиардов пролетевших через счетчики вторичных частиц  пять оказались ядрами антигелия.

	     	В 1974 г. ученые  ОИЯИ и ИФВЭ открыли также ядра антитрития   3H, состоящего из одного  антипротона и двух антинейтронов. Пропустив через детектирующую установку 400 миллиардов вторичных частиц, физики обнаружили, что четыре из них можно идентифицировать как ядра антитрития.

	     	Открытие ядра антигелия и антитрития подтверждает теоретическую  концепцию  о существовании антивещества, что важно для понимания процессов, происходящих во Вселенной, и ее эволюции.

	     	Помимо пучков отрицательных частиц, из ускорителя сделан вывод протонного пучка, с помощью которого получают чистые, или сепарированные, пучки мезонов и антипротонов   с энергиями до  40 ГэВ. Создание таких пучков необходимо для исследования в пузырьковых камерах процессов, вызываемых этими частицами.

	     	Пучок 7 протонов или мезонов направлен в жидководородную пузырьковую камеру «Мирабель».

	     	Пучок 8 – нейтринный. Для получения нейтринного пучка требуется сперва получить мезонный пучок. Для этого протоны из ускорителя выводятся импульсным магнитом. Эти протоны в количестве до 1012  в импульсе подводят к мишени по 170-метровой вакуумной трубе. Диаметр пучка на всем протяжении равен 2 мм.  Потери частиц не превышают сотых долей процента.  Протоны попадают в мишень. Система параболических  магнитных линз, созданная в ИФВЭ, фокусирует родившиеся мезоны в тонкий пучок  диаметром меньше 2 мм.

	Сформированный мезонный пучок направляется в вакуумную трубку длиной 104 м. Здесь поддерживается глубокий вакуум. Труба выбрана достаточно  длинной, чтобы значительная часть мезонов успела распасться,  образуя мюоны и нейтрино. Мюоны доходят до закрытого слоем железа конца трубы толщиной 66 м. и поглощаются целиком. Нейтрино, летящие вдоль трубы, проходят эту толщу и на выходе   образуют чистый нейтринный пучок. Он попадает в мишень, где  вызывает ядерные реакции. Поскольку в распадный канал поступают  пионы разных  энергий, то и образующиеся нейтрино обладают широким спектром энергии в  диапазоне несколько десятков гигаэлектронвольт.

	     	Многоэтапность получения нейтринного пучка, возможность фокусировки лишь части пионного пучка и направления в мишень еще меньше доли нейтрино  приводит к небольшой интенсивности нейтринного пучка в расчете на один импульс ускорителя.

	     	Мишенями на нейтринном пучке служат искровая камера размером 25x25 м.2 и общим весом железных пластин - электродов 100 m и пузырьковая камера «Скат». Обе установки созданы в ИФВЭ.

	     	Интенсивность нейтринного пучка - 1010 нейтрино за импульс обеспечивает получение в  искровой камере одного события за 5-7 циклов работы ускорителя. Фотографирование взаимодействий нейтрино с ядрами железа искровой камеры производится двумя фотокамерами с широкоугольными объективами. Только за первые недели работы нейтринного пучка удалось получить 40 тысяч фотографий.

	     	Другая мишень, одновременно и детектор – пузырьковая камера  «Скат», самая крупная в СССР (4,5 x 1,6 x 1,5 м3), объемом 7,5 м3, сдана в эксплуатацию в 1974 г. Рабочим веществом камеры является бромистый фреон или его смесь с жидким пропаном. Жидкость находится под давлением 30 атм. Корпус камеры металлический, толщиной 20 см. Фотографирование камеры осуществляется через 2,6-метровый слой воды и плавающее оптическое стекло  толщиной 14 см четырьмя камерами с широкоугольными объективами. Камера находится в магнитном поле  мощного электромагнита с напряженностью поля 27 кгс при потребляемой мощности 10 МВт. Изготовление оптически однородного стекла гигантских размеров – свыше 4 м длиной, 1,3 м шириной и толщиной 14 см – потребовало необычайно высокой точности обработки его поверхности. Для отлива этого стекла была разработана специальная технология  непрерывной варки и разливки стекла. В мировой практике не было еще случая отливки столь крупного оптического однородного стеклянного блока. Проектирование и постройка камеры выполнены учеными и  инженерами  ИФВЭ и НИИЭФА, инженерами и рабочими Ленинградского машиностроительного объединения  «Электросила», Невского машиностроительного завода им. В.И. Ленина, Лыткаринского завода оптического стекла. Благодаря большим размерам камеры и выбору в качестве рабочего вещества тяжелой жидкости увеличивает количество вещества в мишени, а следовательно, и вероятность взаимодействия нейтрино. В среднем здесь получается одно событие на 30 импульсов ускорителя.

	     	Обработав снимки с пузырьковой камеры, получим информацию о вероятности взаимодействия нейтрино, энергетическом и угловом распределении родившихся в реакциях с нейтрино вторичных частиц. Эта информация позволяет лучше понять природу слабого взаимодействия частиц.

	     	Канал 9  подготовлен для ввода пучка в пузырьковую камеру «Людмила». Двухметровая жидководородная камера «Людмила» создана в ОИЯИ, а затем с большими предосторожностями перевезена в ИФВЭ. Она пущена в строй в 1971 г.  Это огромная установка, в которой только магнит весит 700 т.  В одном из первых экспериментов камера экспонировалась на пучке антипротонов с энергией 23 ГэВ. Получено более ста тысяч снимков, обработка которых дала первую информацию о  взаимодействии антипротонов с энергией 23 ГэВ с протонами.  Фотографии обрабатывали физические центры не только Дубны, но и Москвы, Тбилиси, Хельсинки. 

	     	В ИФВЭ создана  большая теоретическая школа, развивающая исследования частиц при высоких энергиях. Анализируются новые экспериментальные  результаты, получаемые на крупнейших ускорителях,  сравниваются  с теоретическими моделями. Так, серпуховский эффект показал ограниченность предположений модели полюсов Редже для высокоэнергетического рассеяния. В частности, выяснили, что возрастание сечений может быть получено из общих физических принципов. Повысился интерес к таким результатам теории, которые строго следуют из основных положений.  Так, Г.Г. Волков, А.А. Логунов, М.А. Мествиришвили доказали в 1970 г., что если полное сечение рассеяния частиц с ростом энергии возрастает, то отношение этого сечения к сечению рассеяния античастиц стремится  к единице с ростом энергии. Эта теорема доказывает отсутствие противоречий между основными принципами теории и современными экспериментальными данными по поведению сечений рассеяния частиц.

	     

	     

	             

	     


Циклический ускоритель

Рассмотрим устройство циклического ускорителя электронов.

   

Из инжектора 1(это, как правило, линейный  ускоритель или микротрон) предварительно ускоренные  электроны попадают на круговую орбиту ускорителя. Захват электронов в режиме синхротронного ускорения возможен при достижении релятивистских скоростей частиц, ибо синхротронная равновесная орбита, по которой электрон движется с постоянной средней угловой частотой и медленно меняющимся радиусом, требует уже в начальном периоде, чтобы энергия частицы была релятивистской (E>mc2). Поэтому синхротронному режиму ускорения предшествует предварительный этап ускорения либо в бетатроне, либо в специальном инжекторе типа линейного ускорителя или микротрона. На круговой орбите электроны  5 удерживаются магнитным полем поворотных магнитов 4. В индукционном  ускорителе (бетатроне) и несущее, и ускоряющее поля магнитные. Предел энергии, до которой ускоряются электроны в бетатроне, равен примерно 300 МэВ. В синхротроне магнитное поле в поворотных магнитах увеличивается по мере  увеличения энергии электронов, чтобы удержать электроны на равновесной синхротронной орбите (синхронно с ускорением – отсюда и название синхротрон). Обычно круговая камера 2 синхротрона разделяется на 4 части (квадранты 4), между которыми образуются прямолинейные промежутки 3. В один из них  устанавливается резонатор с меняющимся электрическим поле, в котором электроны «подталкиваются» (ускоряются). Преимущества синхротрона существенны, так как магниты в отличии от бетатрона, установлены только на криволинейных участках траектории, а потери энергии на СИ компенсируются. Предел достижимой энергии теперь линейными размерами ускорителя, магнитными полями и потерями на СИ. Итак, в синхротроне  ускоренный электрон движется со скоростью υ, близкой к скорости света c.





 Лазерный  ускоритель  на биениях



     	Рассмотрим поведение  плазмы в поле двух лазерных пучков с  близкими частотами  ω1 и ω2, распространяющихся  в одном и том же направлении (с линейно поляризованным электрическим  полем,  ориентированным  вдоль  оси  y).  Суммарное электрическое  поле 



			E = E1 cos (ω1t – k1x) + E2 cos (ω2 t – k2 x ) 	(2)



Может быть в этом случае представлено в виде высокочастотной синусоиды, промодулированной в пространстве и во времени на разностной частоте. Максимумы и минимумы модуляции (волны биений) двигаются в направлении x со скоростью  υгр =( ω1 – ω2)/( k1 – k2), которая при близких частотах ω1 и  ω2 называется групповой скоростью. В плазме групповая скорость несколько меньше скорости света и определяется выражением



(3)





где ωc = (ω1 + ω2) /2 – средняя частота электромагнитных волн.

     	На заряженную частицу в этом поле действует обычная сила  Лоренца. В нерелятивистском случае, который реализуется при плотностях потока энергии лазерного излучения, много меньшей 1019 Вт/см2, уравнение движения электрона имеет вид 



(4)



Где  B – магнитное поле лазерных волн, ν – вектор скорости. Под действием электрического поля электроны совершают колебательное движение в направлении электрического поля волны



			(5)

		

		и, кроме того, на них действует усредненная по высокой частоте сила, являющаяся результатом комбинированного действия обеих лазерных волн (слагаемое  ν х B). Эта сила, называемая обычно усредненной пондеромоторной силой или силой Миллера, направлена вдоль  x и изменяется в пространстве и времени с частотой биений (разностной частотой ω1 -  ω2 и разностным волновым числом k1 – k2 )

		

				(6)

			

			Эта сила приводит к выталкиванию электронов из областей с более сильным полем и создает неравномерность распределения электронов в пространстве, то есть возбуждает в плазме коллективное пространственно-периодическое электрическое поле на частоте биений.

			     	Таким образом, два лазерных пучка создают в плазме бегущую волну силвого поля, распространяющуюся в направлении x с групповой скоростью лазерной волны. Если эта сила окажется в резонансе  с плазменными колебаниями, то есть частота лазерных биений совпадет с плазменной частотой, а групповая скорость лазерной волны совпадает с фазовой скоростью плазменной волны, то даже при сравнительно малой величине силы Миллера возможно резонансное возбуждение плазменной волны с большой амплитудой.

			  

			













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 =λp/(2π) = с/ω пл, где lp – длина плазменной волны, то получим 



(8)



Здесь  α – максимальная глубина модуляции плотности в волне  α = NM/N. Численно это дает значение EM = 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 ωпл,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, Lуск = γ2c/ωпл. 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

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

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

	

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

	

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

	

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

	

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

	

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