Введение к работе
Актуальность темы. Увеличение размеров и стоимости современных ускорителей стимулирует поиск новых идей, которые бы обеспечили дальнейшее продвижение в область сверхвысоких энергий с разумными финансовыми затратами. Одна из таких идей — ускорение частиц в плазме, или кильватерное ускорение (см., например, обзоры [1,2]). При условии успешной реализации кильватерное ускорение обещает качественный зкачок в физике ускорителей за счёт увеличения ускоряющего поля на не-:колько порядков.
Создать в плазме регулярное ускоряющее поле можно различными :пособами. В настоящее время наиболее интенсивно исследуются две юзможные кандидатуры на роль драйвера (т. е. создателя поля): сгустки іазерного излучения и сгустки ультрарелятивистских частиц:
Кильватерное ускорение с лазерными сгустками проще реализовать ксперименталыю, что обусловило стремительное развитие этой схемы скорения в последние годы [2]. Полученный темп ускорения (порядка 00 ГэВ/м), максимальная энергия ускоренных частіш (до 45 МэВ), а таксе достигнутый уровень развития теории указывают на принцшшаль-ую возможность создания компактного ускорителя с энергией порядка ГэВ и лазерной накачкой.
С точки же зрения физики высоких энергий (ТэВ и выше) более пред-очтительной представляется схема кильватерного ускорения с ультра-елятивистскнми сгустками, поскольку положение и траектории заря-:енных частиц легче контролировать. В частности, при данном иодхо-э возможно последовательное ускорение одной и той же группы частиц азными драйверами. Диссертационная работа посвящена исследованию иенно этой схемы ускорения.
Основные цели работы.
Исследование реакции плазмы на ультрарелятивистский пучок произвольной плотности при условии плавного нарастания тока пучка.
Оптимизация последовательности заряженных сгустков с целью создания наиболее эффективного драйвера из исходного ультрарелятивистского пучка с заданным пиковым током.
Исследование энергобаланса узкого и плотного ускоряемого сгустка в кильватерном поле.
Создание программы для полномасштабного численного моделирования динамики драйвера в плазме.
Научная новизна.
Впервые создана теоретическая модель для описания реакции плазмы на плавно включающийся ультрарелятивистскнй пучок произвольной плотности. Разработанная теория, в частности, позволила проследить процесс образования ионного канала в плазме и исследовать поведение плазменных электронов вне канала. Обнаружены и объяснены эффекты уширения ионного канала из-за встречного движения плазменных электронов, образования экранирующего слоя повышенной электронной плотности на границе канала, подавления ионного канала сильным магнитным полем, вытеснения магнитного поля из канала и ряд других.
Доказана возможность построить устойчивый драйвер, состоящий из последовательности сгустков конечного размера и плотности. Впервые проведена оптимизация последовательности сгустков с целью возбуждения максимального ускоряющего поля и дано объяснение, почему оптимальная последовательность сгустков должна выглядеть так, а не иначе.
Исследован вопрос о потерях узкого и плотного сгустка заряженных частиц в плазме, ранее вызывавший много опасений относительно неосуществимости кильватерного ускорения с приемлемо малым эмиттансом ускоряемых частиц.
Созданная программа LCODE по быстродействию превосходит зарубежные аналоги более чем в десять раз и, по-видимому, является наиболее мощным из имеющихся на сегодняшний день инструментов для численного исследования кильватерного ускорения с раскачкой волны сгустками частиц.
Практическая ценность работы.
Теория реакции плазмы на плотный пучок является фундаментальным исследованием, представляющим самостоятельный интерес независимо от реализуемости кильватерного ускорения как концепции. С практической точки зрения такая теория необходима для анализа динамики и устойчивости ведущего сгустка в кильватерном ускорителе.
Методика построения оптимизированной последовательности сгустков ориентирована на будущие эксперименты по кильватерному ускорению (в ИЯФ, Новосибирск, и в SLAC, Стэнфорд) и обещает быть важным элементом в интерпретации экспериментальных данных.
Проведенное исследование ионизационных потерь узкого сгустка устраняет опасения о неэффективности ускорения сверхплотных сгустков
Актуальность темы. Увеличение размеров и стоимости современных ускорителей стимулирует поиск новых идей, которые бы обеспечили дальнейшее продвижение в область сверхвысоких энергий с разумными финансовыми затратами. Одна из таких идей — ускорение частиц в плазме, или кильватерное ускорение (см., например, обзоры [1,2]). При условии успешной реализации кильватерное ускорение обещает качественный скачок в физике ускорителей за счёт увеличения ускоряющего поля на несколько порядков.
Создать в плазме регулярное ускоряющее поле можно различными способами. В настоящее время наиболее интенсивно исследуются две возможные кандидатуры на роль драйвера (т.е. создателя поля): сгустки чазерного излучения и сгустки ультрарелятивистских частиц.
Кильватерное ускорение с лазерными сгустками проще реализовать жспериментально, что обусловило стремительное развитие этой схемы ускорения в последние годы [2]. Полученный темп ускорения (порядка 100 ГэВ/м), максимальная энергия ускоренных частиц' (до 45 МэВ), а так-ке достигнутый уровень развития теории указывают на принципналь-іую возможность создания компактного ускорителя с энергией порядка . ГэВ и лазерной накачкой.
С точки же зрения физики высоких энергий (ТэВ и выше) более пред-ючтительной представляется схема кильватерного ускорения с ультра->елятивистскими сгустками, поскольку положение и траектории заря-сенных частиц легче контролировать. В частности, при данном подхо-е возможно последовательное ускорение одной и той же группы частиц азными драйверами. Диссертационная работа посвящена исследованию менно этой схемы ускорения.
Основные цели работы.
Исследование реакции плазмы на ультрарелятивнстский пучок произвольной плотности при условии плавного нарастания тока пучка.
Оптимизация последовательности заряженных сгустков с целью создания наиболее эффективного драйвера из исходного ультрареля-тнвистского пучка с заданным пиковым током.
Исследование энергобаланса узкого и плотного ускоряемого сгустка в кильватерном поле.
Создание программы для полномасштабного численного моделирования динамики драйвера в плазме.
Научная новизна.
Впервые создана теоретическая модель для описания реакции плазмы на плавно включающийся ультрарелятивистский пучок произвольной плотности. Разработанная теория, в частности, позволила проследить процесс образования ионного канала в плазме и исследовать поведение плазменных электронов вне канала. Обнаружены и объяснены эффекты уширения ионного канала из-за встречного движения плазменных электронов, образования экранирующего слоя повышенной электронной плотности на границе канала, подавления ионного канала сильным магнитным полем, вытеснения магнитного поля из канала и ряд других.
Доказана возможность построить устойчивый драйвер, состоящий из последовательности сгустков конечного размера и плотности. Впервые проведена оптимизация последовательности сгустков с целью возбуждения максимального ускоряющего поля и дано объяснение, почему оптимальная последовательность сгустков должна выглядеть так, а не иначе.
Исследован вопрос о потерях узкого и плотного сгустка заряженных частиц в плазме, ранее вызывавший много опасений относительно неосуществимости кильватерного ускорения с приемлемо малым эмиттансом ускоряемых частиц.
Созданная программа LCODE по быстродействию превосходит зарубежные аналоги более чем в десять раз и, по-видимому, является наиболее мощным из имеющихся на сегодняшний день инструментов для численного исследования кильватерного ускорения с раскачкой волны сгустками частиц.
Практическая ценность работы.
Теория реакции плазмы на плотный пучок является фундаментальным исследованием, представляющим самостоятельный интерес независимо от реализуемости кильватерного ускорения как концепции. С практической точки зрения такая теория необходима для анализа динамики и устойчивости ведущего сгустка в кильватерном ускорителе.
Методика построения оптимизированной последовательности сгустков ориентирована на будущие эксперименты по кильватерному ускорению (в ИЯФ, Новосибирск, и в SLAC, Стэнфорд) и обещает быть важным элементом в интерпретации экспериментальных данных.
Проведенное исследование ионизационных потерь узкого сгустка устраняет опасения о неэффективности ускорения сверхплотных сгустков
плазмой и тем самым оправдывает дальнейшие исследования электрон-позитронных коллайдеров на основе кильватерного ускорителя.
Программа LCODE дает возможность полномасштабного моделирования динамики ультрарелятивистского сгустка в плазме при наиболее интересных с точки зрения эксперимента параметрах системы. Ряд эффектов, важных для осуществимости концепции, но ранее не поддававшихся количественному исследованию (самоорганизация драйвера, вы-эрасывание затормозившихся частиц, приобретение ускоряемыми частицами углового разброса и другие), теперь могут быть изучены и поняты.
Апробация работы.
Работы, положенные в основу диссертации, докладывались на научных семинарах в ряде ведущих отечественных и зарубежных центров, та-шх как ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск), Ядерный научный центр (г. Рос-;ендорф, ФРГ), университет г. Остина (США), университет USC (Лос \нжелес, США), Стенфордскнй университет (США). Кроме того, результаты работы докладывались на XXII-XXIV Звенигородских конференціях по физике плазмы и УТС (1995-97 гг.), международном семинаре ю физике плазмы IWWPP-94 (1994 г., Австрия), 37 конференции амери-санского физического общества (отделение физики плазмы, 1995 г., Луиз-шлль, США), симпозиуме "New modes of particle acceleration techniques md sources" (1996 г., Санта Барбара, США).
