Способ коллективного (когерентного) ускорения ионов

)-) -щ.=1)ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социвлистических РеспубликК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ До О.) 1 1 ГС;11 НОС К ЯВт-)1 овапо 3 синем заявки,а осударствеииый комитетСовета Министров СССРпо делам изобретений.и открытий УЛК 321,384.6088.8) 4.71). Воллстсь т сания 18.01 7(ОРСПО Б 1 ЖЛ 1 ИЕ ОТПОСИТС 5 ия и поэтомуболее эффект может быть ус.густко, должнооторо ЬПО),1 Изобрете к Оп т с.(11 К (.,Известны способы коллективного ускорения ионов до сверхвысоких энергий путем помещения ик гшутрь кольцевого э сктронного 5 сгустка, ускоряемого как целое Внешними эгектромаГпитными пол 5 ми.Харакгерной чертой известного способа ЯБ- ляется необходимость поддержания постоянства нродольнык размеров электронного сгуст ка 1 в течение всего времени ускорения) за СЕТ ВОЗДСЙСТВИ 51 На ЭЛЕКТРОПНУ 0 КОПОПСПТУ сгустка каких-либо впешник сил.В наиоолес простом варианте коллсктивпо- ГО ускорени 51 поддержание постояпстВ) пролог)Ны); размеров достигается путем исполь - зования градиента электрического поля бегу.щей продольной волны, ускоряощсй сгусток как цслос. Возможны, конено и дру 1 пе ИО- сооы решения этой задачи. Гри большом чис- Ге э;стронов Б сг),стке это метод;с(орсния по-видимому является весьма гСрсскгивПЫМ Л.1 Я ПОЗУЧСНП 51 ИОНОВ СВЕР.ВЫС 01 Н ЭНЕРий.Однако он оолаляст двумя каракгсрЫмп недостатками.Величины внсшник электромагнитных полей, которые необходимо использовать, чтобы поддсркать;остояпство продольного размера сгустка, оудут оирслсг 5 Ться числом электро- зо Оыть снсстВсппо мспьпс, сз " ), Где . чисг 10 электронов, у - и.; Относите;1 ьпяя энс)- Гия. )то ОГаннчпвзст масизя;ьпый т 01( ускоренны. ио.ОВ. В 11 ло бы краине Вьгодны сГ,щсствить та (Ис уел Оьня, и) и кото) ы. ус. ОР 51 СМ 11 Е ЭГ 1 СКТРОППЫ) СГУСТ(ОМ ИОН 1 С 1 МИ (ОмпенсирОВялн оы кулоповское ряся;11(ИБЯ- нис эг 1 с 1(гронОВ и ОосспсчнГ)али бь Ноллсрж- ППС ПРОЛОГ 1 ЬНЫК РЯЗМСРОЬ ЭГ 1 СКТРОПНОГО СГУС- (3 В ТСЧСННС БССГО БРС:Снн УСЛРСП 5.,.1,ГЯ этОГО, 0 свндпо, псоо:(ОЛИМО, чтоб 1 иело ускор 5)е)1 ы:; попОВ 011 ло 1 се 0.1 ько боги)шус. Однако, ло си( пор нс было ясно,як ОсупОстВнть таис усгОвпя, прп которых рассмятзпвасзь 1 лБт(0.)1 попснтньЙ сгус)дк, СОЛСЗЖЯЩП 1 ЗСГЯТНВНСТСКИ ЛВНГЯ 01 ЦПССЯ эгектзоны п зав;чспныс Бнтрь;г),ст(3 попы, В течение Всего про 1 ссса ускорни 1 з;Ог бь ост ватьс 5 стаб Н,ым.ИЗВсстно, что В лвукко.Нопсптнь.( пл;)- мспньсистема.; Всегда могут возникагь такце возмущения, которые приведут к развитию неустойчивостей и царушецию стаоильности сгустка.К числу таких возмущений следует отнести гидродицамические возмущения, при которых происходит раскачка электронной компоненты сгустка по отношению к ионной, а также так называемые пучковые неустойчивости,Цель изобретения - повышение устойчивости электронно-ионного сгустка.Для этого число ионов в сгустке выбирают настолько большим, чтобы поле об ьемцого заряда ионов могло скомпенсировать взаимное кулоцовское расталкиванис электронов с учстом релятивизма и, вместе с тем, настолько малым, чтооы эффективное отношение заряда всего сгустка к его массе было близким к зца. чецию этой величины для отдельного электрона.Чтобы избежать необходимости использования внешних сил, обеспечивающих поддержапие постоянства продольных размеров электронной компоненты сгустка в процессе ускорения, необходимо, чтобы число ионов, зяхвачепнях в сгусток, удовлетворяло условиюеЛ 1= - , КК 1, ( )Кроме того, число ионов должно быть выбрано таким образом, чтобы отношение эффективного зарядя сгустка к его массе было бы близким к величине отношения заряда к массе для отдельного электрона.Рассмотрим схематическим двухкомнопец г. пос кольцо, состоящее из ионов, захваченных в потеццияльцую яму, обусловленную реляти. вистскими электронами, вращающимися в постояппом магнитном поле вдоль направления которого происходи ускорсппе сгустка как целого.Для устойчивости подобной системы необходимо, чтобы в течение всего времени ускорения результирующая сила, действующая пд каждый электрон и каждый иоц, паходящиеся нд переднем (по отношению к направлению ускорсция) фронте сгустка были мсцьшс силы, ускоряющей частицы, находящиеся ця заднем фронте сгустка.На чертеже схематически изображено попсрсчное сечение кольцевого сгустка. По оси абсцисс отложены продольный размер электроццой и ионной компонент сгустка, я по оси ордццдт плотность этих частиц.Для качественной оценки пренебрежем тсмперятурпьми эффектами и цдпишем Оаляпс сил действующих ца частицы переднего и заднего фронта. Будем считать, сечение сгустков кольцевым и совмсстцым, начало координат с осью симметрии иоццого сгусгка как показано на чертеже. В этом случае внешнее электрическое поле Е ускоряющее сгусток кяк целое Вдоль Оси, приведет к слсщспПО осей электронного и ионного колец ня вели- ЧИНУ Огде Ио - большой радиус двухкомпоцецтцого 5 образования;Ь, и Ь, -- самосогласоваццые радиусы сечения электронного и ионного колец соответственно.Сгусток будет сохранять свои размеры и фор му (мы отвлекаемся от вопросов устойчивости) в том случас, если разность сил действующих ца частицы, например, электроны, находящиеся в точках 1 и 2, будет удовлетворять неравенству Е, - Е,) О. Считая ЬЬ, и, 5 цяписав баланс, мы получим соответственноегЛ сгЛ е Уг (Ь е - б):тооЬ еггоЬили г/, Ь 2- Ег = (гЬ- ге = Ь 2.,2( е -Л оЬе 25 отсюда следует, что при выполнении условияК) Ьг/Ь 2возможно устойчивое сохранение продольногоразмера электронной компонепты сгустка в течецие всего времени ускорения благодаря наличию ионов. Легко показать, что для ионовустойчивость размеров такжс будет обеспечена до тех пор, пока Ку 2,Определим (качествеццо) частоты продольного движения отдельцых частиц внутри такого самосогласованного двухкомпонснтцогокольца. Написав уравнение продольного дви 40 жецпя электроца, имеющего координату 7)5 )Решение этого уравцеция, как легко видеть,Оудет иметь периодический характерЕ = Ь сов (1.о+ ср) 5 Оосеи выполнено уже цайдспцос ндмц условие:55 К) Ь,. /Ь,- (2) 1 ассмотрснис движения отдельных частиц В обеаст Л ) Ь, также дает устойчивые решения.ВО Очевид;1 о, что рассмотреццые выше случаи,возвращающие частицы к поверхности соответствующих сгустков, обусловлены кулоцовскцм взаимодействием (устойчивость электронов компопецты сгустка в радиальном направ лсцци обусловливается постоянным магнит 512605ным полем, вдоль направления которого сгусток ускоряется как целое), Следует подчеркнуть, что полное число ионов в сгустке, определяемое равенством (1), по-прежнему остается во много раз меньшим числа электронови поэтому подобный двухкомпонентный сгусток в целом будет обладать очень большимотрицательным зарядом,Следовательно отношение заряда Я сгудка как целого к его массе при достаточнобольших у может быть сделано очень близеким к отношению - для электрона. Благоодаря этому при ускорении сгустка как целоговдоль оси У каким-либо внешним э,чектромагпитным полем, эффективное поле Еоф, ускоряющее ионы, будет во много раз большевеличины внешнего поля Е,. Эта основнаяидея, являющаяся принципиальным преимуществом коллективного метода ускорения, остается действующей и в рассматриваемом случае, когда число ионов в сгустке увеличиваегся до значений, при которыхК К)1.При этом в принципе создается возможность значительного увеличения эффективногополя, ускоряющего ионы либо за счет самосогласованного сжатия сечения электронного иионного тороидов (т. е. уменьшения бе и 6, ),либо за счет простого увеличения числаэлектронов в сгустке, которое теперь уже неограничивается пределами, доступными дляосуществления значениями внешних электромагнитных полей, препятствующих кулоновскому расталкиванию электронов.Двухкомпонентный сгусток, для котороговыполнены сформулированные выше условия,является самосогласованной системой, в которой ускоряемые ионы противодействуют кулоновскому расталкиванию электронов, а релятивистские электроны создают потенциальнуюяму, в которой удерживаются положительныеионы.Чтобы такой двухком пои ентный сгустокможно ускорить как целое вдоль направленияпостоянного магнитного поля, необходимо,чтобы всевозможные коллективные возбуждения (гидродинамические пучковые и т. п.),которые могут возникать в подобных системах,либо вообще были подавлены, либо не успевали бы за время ускорения сколько-нибудь значительно изменить параметры сгустка.Хорошо известно, что эти возбужденияопасны практически только в тех случаях, когда соответствующая Дебаевская длина многоменьше размеров системы, Легко показать,однако, что в рассматриваемом случае длинаДеоая для рслятивистской электронной компоненты практически совпадает с размером поперечного сечения электронного сгустка Ь аДсбаевская длина для ионной компоненты ву раз больше продольного размера б, ионного сгустка, 6 Действительно в собственной системе/ оте4 л е,олно (КТ) ооб = (КТ) оиру В лабораторной системе 2 2КТ)= lп,су . 0 где о, - частота продольных колебаний отдельных электронов, определяющаяся само- согласованными размерамн и числом частиц в двухкомпонентном сгустке 1 см. уравнение (1,Е 2 Ие ру 2Ж .злйощот 2 г 20о - ларморовская частота вращения в магнитном поле,Учитывая сказанное, найдем (трансформируя температуру в собственную систему) 25 0 = Ь Ч Г (Ие - )Се ес42рг ссчи только301 е2 2= 1 и жг Яг = С2и О Так как для ионов35е 2 У(КТ),. = то в этом случае Дебаевский радиус будет ог 2 В = с 4 4 йПрактическое равенство Дебаевского радиуса электронной компоненты сечению этого 45 пучка и большое значение Дебаевской длиныдля ионов по сравнению с радиусом поперечного сечения ионной компоненты будет иметь следствием не только подавление коллективных поперечных (по оси ускорения и радиаль ных) колебаний, но так же подавление, такназываемых пусковых неустойчивостей. Это обусловлено тем, что собственные электромагнитные поля пучка электронов даже при У, =О 4 остаются очень малыми по сравнению с внешним магнитным полем, обеспечивающим циклическое движение релятивистских электронов сгустка. В силу этого любые пучковые неустойчивости благодаря наличию силы Лоренца, обусловленной внешним 50 магнитным полемСоставите,и И. ПетровТегсрел 3, Тараненко Редактор Н, Коляда Корректор Л, Орлова Заказ .А 5200 Изл. ЛЪ 1363 Тираж 1029 Полине ое 11 НИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР ио ледам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., л. 4/5МОТ, Загорскиш филиал 7значения Дебаевских длин (сравнительно с поперечными размерами обоих компонент сгустка) будут приводить к эффективному демпфированию поперечных колебаний и тем самым благодаря связи поперечных и пучковых колебаний к демпфированию последних,Таким образом, простые качественные соображения показывают, что в рассматриваемых нами двухкомпонентных сгустках, обеспечивающих эффсктивное коллективное (когерентное) ускорение будут устранены те причины, которые обуславливают возникновение и развитие опасных колебаний, характеризующих обычные плазменные образования. Так как Ь, и Ь; не зависят от Л/, , то стабильность наших двухкомнонентных сгустков по отношению ко всем видам возмущений будет по-видимому обеспечиваться сама собой автоматически до тех пор, пока собственные электромагнитные поля сгустка будут много меньшими внешнего магнитного поля, поддержнва ощего циклический характер движения релятивистской компоненты сгустков. Если, однако, в силу каких-либо причин затухание колебаний, обусловленное тем, что Ь, О, и Ь, т.1; все же окажется недостаточны м, можно указать дополнительный способ подавления опасных колебаний, который так же может эффективно использоваться в рассматриваемой системе ускорения, Возможно наложить на двухкомпонентный сгусток такое внешнее поле, которое имело бы целью только подавление возникающих нестабильностей. В частном случае эта задача может выполняться тем же электромагнитным полем, которое используется для ускорения сгустка как целого.Это внешнее поле уже не должно обеспечи вать компенсации сил кулоновского расталкивания электронов, а только подавлять те нестабильности, которые почему-либо могут стать опасными. Напряженности полей такого стабилизирующего поля очевидно будут 1 О значительно меньше напряженности поля, преодолевающего кулоновское растал кивание электронов. 15 Формула изобретения Способ коллективного (когерентного) ускорения ионов, заключающийся в помещении ионов внутрь кольцевого сгустка релятивистских электронов, вращающихся в постоянном магнитном поле при ускорении сгустка вдоль направления этого поля внешними электромагнитными полями, отличаюшийся тем, что, с целью повышения устойчивости электронно- ионного сгустка, число ионов в сгустке выбирают настолько большим, чтобы поле обьемно.го заряда ионов могло скомпенсировать взаимное кулоновское расталкивание электронов с учетом релятивизма и, вместе с тем, настоль ко малым, чтобы эффективное отношение заряда всего сгустка к его массе было близким к значению этой величины для отдельного электрона.