БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (УС)
Ниже рассмотрены некоторые, наиболее характерные из коллективных методов ускорения.
1. Ускорение ионов электронными пучками
При прохождении электронного пучка высокой плотности через газ образуются ионы газа и ускоряются до энергий, существенно превышающих энергию электронов пучка. Окончательно механизм ускорения ионов не выяснен. Упрощённая схема этого процесса может быть построена следующим образом. Электронный пучок высокой плотности, попадая в металлическую трубку с газом, создаёт настолько сильное поле, что тормозится в этом поле и теряет свою скорость уже на очень малых расстояниях. В этой области за счёт уменьшения скорости плотность электронов максимальна. Затем начинается распад пучка под действием сил пространственного заряда. Энергия электронного пучка тратится не только на создание такого поля, но и на ионизацию газа, имеющегося в трубке. Через характерное время ионизации, которое зависит от плотностей пучка и газа, по всему пути пучка до места его практической остановки образуется достаточное количество положительно заряженных ионов, чтобы нейтрализовать пространственный заряд электронного пучка и локализовать поле внутри самого пучка. Тормозящее действие поля на приходящие после характерного времени ионизации электроны ослабляется, потери энергии прекращаются, и пучок электронов проходит дальше вдоль трубки. После этого весь процесс повторяется, и так продолжается до тех пор, пока пучок не пройдёт всю трубку. Т. о., место наибольшей плотности электронов движется вдоль трубки со скоростью, пропорциональной времени ионизации. Положительно заряженные ионы, попавшие в начальный момент в уплотнённую часть электронного пучка, удерживаются отрицательно заряженными электронами и движутся вместе с таким скачком плотности вдоль трубки с той же скоростью, а следовательно (из-за их большой массы), обладают много большей энергией, чем электроны. Эффективность ускорения в этом методе достигает 100 Мэв/м. Пока реализованы длины ускорения только в несколько см, и предстоит ещё большая работа по проверке правильности изложенной выше схемы ускорения.
2. Плазменный метод ускорения
Плазма является средой, в которой между отдеьными группами зарядов существуют поля до 1 000–10 000 Мв/м. Создание в плазме регулярных волн, т. е. волн, обладающих определённой фазой, и использование их для ускорения заряженных частиц – суть плазменного метода ускорения, предложенного сов. физиком Я. Б. Файнбергом. Для решения этой задачи применяют мощные электронные пучки. При их прохождении сквозь плазму создаются условия, при которых 20–30% энергии пучка расходуется на создание плазменной волны. Чтобы обеспечить регулярность этой волны, используется предварительная небольшая модуляция электронного пучка внешним электромагнитным полем. Изменяя частоту и фазу модуляции, а также плотность плазмы, можно управлять возникающей волной и сделать её пригодной для ускорения частиц.
3. Ускорение ионов электронными кольцами
При этом способе ускорения создаётся устойчивый электронный сгусток, в который вводятся положительно заряженные ионы. Электрическое поле электронного сгустка прочно удерживает ионы. При ускорении сгустка внешним полем ионы также ускоряются вместе со сгустком. Конечная энергия ионов во столько раз больше энергии электронов того же сгустка, во сколько раз масса иона больше массы электрона; если ускоряются протоны, то это отношение равно 1836. Данный метод имеет наибольшее практическое значение. Рассмотрим конкретную схему создания устойчивого сгустка электронов.
Физические основы создания устойчивого сгустка. Чтобы добиться устойчивости сгустка электронов, необходимо скомпенсировать силы кулоновского отталкивания электронов в сгустке. Это можно сделать добавлением в сгусток необходимого числа положительно заряженных ионов. Однако число ионов должно быть небольшим, чтобы масса сгустка существенно не менялась (т.к. ускорение зависит от отношения заряда к массе). Такие противоречивые требования выполняются лишь для движущихся электронов. Действительно, на электроны сгустка действуют кулоновские силы расталкивания, что приводит к разлёту сгустка. Но если сгусток движется, то, кроме кулоновских сил, появляются магнитные силы, связанные с движением зарядов и направленные противоположно силам расталкивания. Чем выше скорость движения электронов, тем больше магнитные силы. Для электронов с энергией движения, например, в 10 Мэв результирующая сила расталкивания уменьшается в 400 раз по сравнению с силой для покоящихся электронов. В этом случае достаточно в электронный сгусток ввести малое число ионов (1 /400 от числа электронов), чтобы полностью скомпенсировать кулоновское отталкивание. Для последующего ускорения такого образования во внешнем поле сгусток формируется в виде кольца движущихся электронов. Внутри сечения такого кольца (тора) расположены практически покоящиеся ионы. Кольцо используется для ускорения ионов. Сила, действующая на каждый ион кольца при движении его во внешнем поле, прямо пропорциональна числу электронов в кольце и обратно пропорциональна сечению кольца. Эти параметры и определяют эффективность ускорения в данном методе.
Схема ускорителя с электронными кольцами. Сгусток электронов формируется следующим образом. Пучок электронов от линейного ускорителя вводится (инжектируется) в магнитное поле, такое же, как у ускорителя со слабой фокусировкой, и образует кольцо большого диаметра. Начальный размер кольца выбирается из условия удержания в поле нужного числа электронов. Затем магнитное поле нарастает и в соответствии с ростом поля все размеры кольца уменьшаются. Этот процесс продолжается вплоть до получения кольцевого сгустка требуемых параметров. В конечном состоянии сжатия при помощи газового клапана в область кольца впрыскивается необходимое количество газа. Электроны ионизуют газ, и образующиеся ионы захватываются электронным сгустком. Число захваченных ионов регулируется изменением давления впускаемой порции нейтрального газа. После этого меняется конфигурация магнитного поля, удерживающего электроны, и кольцо вместе с ионами начинает двигаться с ускорением вдоль своей оси в направлении спада магнитного поля (за счёт трансформации энергии вращения электронов в энергию поступательного движения кольца). Дальнейшее ускорение кольца производится внешним электрическим полем (см. рис. ); при этом необходима ускоряющая система со значительным энергетическим запасом, например система высокочастотных резонаторов.
Эксперименты, проведённые на макетах таких ускорителей в Объединённом институте ядерных исследований (СССР, г. Дубна), позволили получить эффективность ускорения в десятки Мэв/м. Во многих странах ведутся работы по изучению возможностей получения в коллективных методах ускорения эффективностей в сотни Мэв/м.
Лит.: Veksler V. I., Coherent principle of acceleration of charged particles, «Proceedings CERN symposium on high energy acceierators and pion physics», v. I, Gen., 1956, p. 80–83; Плютто А. А. и др., Ускорение ионов в электронном пучке, «Атомная энергия», 1969, т. 27, в. 5, с. 418; Файнберг Я. Б., Ускорение частиц в плазме, «Атомная энергия», 1959, т. 6, в. 4, с. 431–46; Veksler V. I. et al., Linear collective acceleration of ions, «Proceedings of the sixth International conference on high energy accelerators», Gamb., 1967, p. 289.
В. П. Саранцев.
Движение кольцевого сгустка из электронов и положительно заряженных ионов во внешнем поле Евнешн в коллективном ускорителе. Ионы под действием поля Евнешн сдвигаются к краю кольца, противоположному направлению Евнешн , но внутреннее поле электронов удерживает их в кольце, и они ускоряются вместе с электронами.
Ускоренная киносъёмка
Уско'ренная киносъёмка, киносъёмка с частотой, повышенной относительно обычной частоты кинопроекции (в профессиональном кинематографе 24 кадр/сек ); к категории ускоренной относят съёмку с частотой до 64 кадр/сек. При демонстрации фильма, снятого методом У. к., возникает эффект замедления движения, что даёт зрителю возможность лучше различать фазы наблюдаемых на экране явлений и процессов. К У. к. прибегают также при съёмке с рук, из движущегося автомобиля, с лодки или катера и т.п.; в этом случае изображение на экране становится более устойчивым (не «прыгает»). У. к. производят, как правило, с использованием обычной профессиональной или любительской киносъёмочной аппаратуры с расширенным диапазоном частот съёмки.
Лит.: Голдовский Е. М., Введение в кинотехнику, М., 1974.
