Охлаждение пучков

Охлаждение пучков заряженных частиц — это сокращение фазового объёма, занимаемого частицами пучка, то есть эмиттанса пучка. Иными словами, можно говорить о сокращении разброса относительных скоростей частиц внутри пучка при охлаждении, что эквивалентно понятию температуры. Поскольку Теорема Лиувилля обеспечивает сохранение фазового объёма в гамильтоновой системе, охлаждение пучка возможно только с использованием диссипативных сил. Исключением является адиабатическое затухание пучка при его ускорении, которое не является истинным охлаждением, однако в процессе которого сокращается эмиттанс, поскольку теорема Лиувилля требует сохранения не абсолютного, а нормализованного эмиттанса.

С 2007 года проводится регулярные, раз в два года, совещания COOL по вопросам охлаждения пучков^[1].

В физике ускорителей разработаны и используются следующие методы охлаждения пучков^[2]:

• Радиационное затухание — охлаждение ультрарелятивистских пучков лёгких частиц (электронов и позитронов) в накопительных кольцах за счёт синхротронного излучения с компенсацией потерь ускоряющим полем.
• Электронное охлаждение — метод охлаждения тяжёлых заряженных частиц в накопительных кольцах за счёт обмена температур с возобновляемым холодным пучком электронов.
• Стохастическое охлаждение — охлаждение частиц, циркулирующих в накопительных кольцах, методом подавления флуктуаций.
• Лазерное охлаждение — метод, использующий взаимодействие лазерного излучения с частицами, зависящее от их скорости, как правило, из-за эффекта Доплера.
• Ионизационное охлаждение — предложено для быстрого охлаждения мюонов, где диссипативной силой являются ионизационные потери при прохождении пучка высокой энергии через вещество.

Охлаждение пучков разных методов используется в научно-исследовательских установках для разнообразных нужд (в электрон-позитронных и адронных коллайдерах; для получения кристаллических пучков; для накопления и изучения редких радиоактивных ионов)^[3], хотя обсуждается и применение, например, электронного охлаждения в синхротронах углеродной терапии^[4].

• Накопительное кольцо
• Синхротронное излучение
• Мюонный коллайдер