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.

Ускорения заряженных частиц коллективные методы. Ускорение заряженных частиц в современных ускорителях происходит благодаря взаимодействию заряда частицы с внешним электромагнитным полем (см. Ускорители заряженных частиц). Эффективность ускорения, т. е. средняя энергия, сообщаемая частице электрическим полем на единице длины ускоряющего устройства, определяется напряжённостью электрического и магнитного полей и ограничена техническими возможностями устройств, создающих эти поля. Для разных типов ускорителей эффективность ускорения колеблется от 1 до 50 Мэв на 1 м длины системы. В 1960-х гг. возникло новое направление в физике ускорителей – т. н. когерентные методы ускорения, которые в принципе позволяли обойти трудности «классических» ускорителей. Основателем этого направления был В. И. Векслер. Главная задача когерентных методов ускорения – получение больших эффективностей ускорения. Их характерная особенность состоит в том, что электромагнитное поле, ускоряющее частицы, не является внешним, а возникает в результате взаимодействия группы ускоряемых частиц с др. группой зарядов, плазмой или электромагнитным излучением при условии его когерентного (синхронного) воздействия на всю ускоряемую группу частиц. Такой синхронизм обычно возникает автоматически. Величина ускоряющего поля зависит от числа участвующих в таком взаимодействии частиц и может достигать больших значений – 100 Мв/м и более. Однако реализации этих методов мешают возникающие плазменные и гидродинамические неустойчивости и поэтому в настоящее время когерентное ускорение не имеет практического значения для ускорения частиц. Если ускоряемые частицы не участвуют в создании ускоряющих полей, но последние создаются не с помощью электродов, как в «классических» ускорителях, а с помощью потоков, сгустков или колец заряженных частиц, то говорят о коллективных методах ускорения. К 1976 существует около 20 различных схем коллективного ускорения частиц. Во всех таких ускорителях, в отличие от плазменных ускорителей, в создании ускоряющего поля участвуют релятивистские электроны.

Движение кольцевого сгустка из электронов и положительно заряженных ионов во внешнем поле Е_внешн в коллективном ускорителе. Ионы под действием поля Е_внешн сдвигаются к краю кольца, противоположному направлению Е_внешн, но внутреннее поле электронов удерживает их в кольце, и они ускоряются вместе с электронами.

  Ниже рассмотрены некоторые, наиболее характерные из коллективных методов ускорения.

1. Ускорение ионов электронными пучками
2. Плазменный метод ускорения
3. Ускорение ионов электронными кольцами