В лабораториях по всему миру работают устройства, которые умеют делать нечто удивительное: брать атомы золота, свинца или урана и превращать их в голые ядра, лишенные большей части электронов. Такие сильно заряженные ионы нигде больше не встретишь — их получают только в ионных источниках с электронным пучком, (сокращенно ИИЭП). Без этих приборов не работали бы коллайдеры в ЦЕРНе, в Брукхейвене или в Дубне: там высокозарядные ионы разгоняют почти до скорости света и сталкивают, чтобы воспроизвести условия ранней Вселенной.
ИИЭП — штука тонкая. Внутри него электронный пучок высокой плотности пролетает сквозь облако ионов, выбивая из них всё новые электроны. Казалось бы, чем дольше ионы остаются в ловушке, тем выше становится их заряд — и тем лучше. Но на деле внутри источника возникают физические эффекты, которые мешают стабильной работе и снижают качество пучка. Физики из РУДН, МТУСИ и НИЯУ МИФИ сосредоточились на двух таких эффектах.
Первый называется двухпотоковой неустойчивостью. Электроны и ионы находятся в одном пространстве, движутся навстречу или в одном направлении, и при определённых условиях их упорядоченное движение сменяется хаотическими колебаниями. Эти колебания быстро нарастают, пучок теряет форму, ионы разлетаются. Это похоже на то, как если бы две группы бегунов на стадионе вдруг смешались и сбили общий ритм: пробка, хаос, результат испорчен. Учёные выяснили, как сильно этот хаос зависит от настроек источника. Оказалось, что чем выше энергия электронов, тем спокойнее ведёт себя система. А вот если ионы и электроны слишком сильно пересекаются в пространстве, неустойчивость наступает быстрее. Ещё один любопытный вывод: ионы с очень высоким зарядом, например криптона, ведут себя сдержаннее, чем их менее заряженные собратья. Они тяжелее, и раскачать их труднее.
Второй эффект — радиационная рекомбинация. Это момент, когда электрон, пролетавший мимо, притягивается к иону и захватывается им. Ион тут же теряет единицу заряда и испускает фотон. Для физика это досадная потеря: только получили ядро с нужной степенью ионизации, а оно уже упростилось. Авторы просчитали, как часто такое случается с ионами золота и кадмия — двух элементов, важных для ускорительных экспериментов. Чем выше заряд иона, тем сильнее он притягивает электроны и тем вероятнее рекомбинация. Но если увеличить энергию электронного пучка, ионы становятся разборчивее: пролетающие электроны проносятся слишком быстро, чтобы успеть захватиться. При высоких энергиях разница между ионами разной зарядности почти исчезает.
Инженерам, проектирующим такие источники, приходится искать компромисс. Энергию электронов стоит брать побольше — это подавляет и неустойчивость, и рекомбинацию. Но слишком высокая энергия снижает эффективность ионизации. Перекрытие пучков хочется сделать максимальным, чтобы ионы дольше оставались в зоне ионизации, но тогда растет риск неустойчивости. Даже выбор рабочего газа влияет на устойчивость пучка. Баланс получается непростой, и без точных расчётов не обойтись. Авторы провели такие расчёты в среде MATLAB и получили численные ориентиры, на которые теперь можно опираться при разработке новых источников.
Физика ионных источников нужна не только для коллайдеров. Высокозарядные ионы применяют в исследованиях новых материалов, для прецизионного анализа поверхности, в медицинских пучках. И каждый раз, когда такой пучок удаётся сделать стабильным и интенсивным, за этим стоит аккуратная работа с параметрами плазмы, внимательный взгляд на графики и, конечно, научное терпение. Даже если ионы золота иногда теряют свой заряд раньше времени.
Исследование опубликовано в журнале «Ядерная физика и инжиниринг»
