Пучок частиц представляет собой поток заряженных или нейтральных частиц . В ускорителях частиц эти частицы могут двигаться со скоростью, близкой к скорости света . Существует разница между созданием и контролем пучков заряженных частиц и пучков нейтральных частиц, поскольку только первым типом можно в достаточной степени манипулировать с помощью устройств, основанных на электромагнетизме . Манипулирование и диагностика пучков заряженных частиц при высоких кинетических энергиях с использованием ускорителей частиц являются основными темами физики ускорителей .
Заряженные частицы, такие как электроны , позитроны и протоны , могут быть отделены от их общего окружения. Это может быть достигнуто, например, с помощью термоэлектронной эмиссии или дугового разряда . В качестве источников пучков частиц обычно используются следующие устройства:
Заряженные пучки можно дополнительно ускорить за счет использования высокорезонансных, а иногда и сверхпроводящих микроволновых резонаторов . Эти устройства ускоряют частицы за счет взаимодействия с электромагнитным полем . Поскольку длина волны полых макроскопических проводящих устройств находится в радиочастотном (РЧ) диапазоне, конструкция таких резонаторов и других радиочастотных устройств также является частью физики ускорителей.
Совсем недавно ускорение плазмы появилось как возможность ускорять частицы в плазменной среде, используя электромагнитную энергию импульсных мощных лазерных систем или кинетическую энергию других заряженных частиц. Этот метод находится в стадии активной разработки, но в настоящее время не может обеспечить надежные лучи достаточного качества.
Во всех случаях луч управляется дипольными магнитами и фокусируется квадрупольными магнитами . Конечная цель – достижение желаемого положения и размера пятна луча в эксперименте.
Пучки частиц высоких энергий используются для экспериментов по физике элементарных частиц на крупных объектах; наиболее распространенными примерами являются Большой адронный коллайдер и Тэватрон .
Электронные пучки используются в источниках синхротронного света для получения рентгеновского излучения с непрерывным спектром в широком диапазоне частот, называемого синхротронным излучением . Это рентгеновское излучение используется в лучах источников синхротронного света для различных спектроскопий ( XAS , XANES , EXAFS , µ -XRF , µ -XRD ) с целью исследования и характеристики структуры и химического состава твердых веществ и биологические материалы.
Пучки энергичных частиц, состоящие из протонов , нейтронов или положительных ионов (также называемые микропучками частиц ), также могут использоваться для лечения рака в терапии частиц.
Многие явления в астрофизике объясняются пучками частиц различного рода. [3] Солнечные радиовсплески III типа, наиболее распространенные импульсные радиосигналы Солнца, используются учеными в качестве инструмента для лучшего понимания солнечных ускоренных электронных лучей. [4]
Агентство перспективных исследовательских проектов США начало работу над лучевым оружием в 1958 году. [5] Общая идея такого оружия состоит в том, чтобы поразить целевой объект потоком ускоренных частиц с высокой кинетической энергией , которая затем передается атомам, или молекулы мишени. Мощность, необходимая для проецирования мощного луча такого типа, превосходит производственные возможности любой стандартной боевой силовой установки, [5] поэтому производство такого оружия в обозримом будущем не ожидается.