Новости науки
26.05.01. Преломление электронного пучка
Слово "преломление" вызывает в уме, прежде всего, картинку
светового луча, пересекающего границу раздела двух сред.
Однако явления, похожие на преломление, могут сопровождать
движение не только света, но и частиц. В частности, в недавней
работе [P.Muggli et al., Nature 411, 43 (2001)] показано, что
пучок электронов может "преломиться" на выходе из облака плазмы.
Необыкновенным в этом явлении является то, что на траекторию мощного
ультрарелятивистского пучка, способного пробуравить несколько миллиметров
железа, оказывается возможным воздействовать с помощью разреженного газа.
Преломление электронного пучка на выходе из плазмы. Маленькими
стрелками показаны силы, изгибающие траекторию пучка.
На самом деле, соль идеи в том, что это не просто газ, а именно плазма,
то есть, газ, обладающий подвижными носителями заряда,
а потому способный создавать сильные электрические поля.
Рассмотрим компактный пучок электронов, движущийся сквозь
такую среду. Из-за значительного отрицательного заряда, пучок
расталкивает электроны плазмы и приводит к возникновению
некоего "канала", состоящего из ионов и потому положительно заряженного.
Этот канал обладает фокусирующим воздействием и как бы помогает
пучку двигаться дальше.
Однако когда пучок подходит под некоторым углом к границе плазмы,
канал становится несимметричным. Возникающая при этом сила
не просто фокусирует электронный пучок, но и разворачивает его
(см. Рисунок). Причем понятно, что чем положе подходит
пучок к границе раздела, тем сильнее будет искажение
положительного заряженного канала, и тем заметнее будет его
отклоняющий эффект. В частности, если пучок подойдет к границе
положе некоторого критического угла, то он вообще не сможет
выйти наружу: возникнет эффект, аналогичный полному внутреннему отражению.
На самом деле, если смотреть на явление в динамике, то
картина оказывается несколько сложнее. Действительно,
головная часть пучка еще не успела "разогнать" электроны плазмы.
Она движется по практически нейтральной плазме, и потому
почти не преломляется. Однако при достаточно длинном электронном
сгустке преломление его основной части успеет развиться и может быть хорошо заметным.
Авторы работы [P.Muggli et al., Nature 411, 43 (2001)]
проанализировали этот эффект аналитически и с помощью численного
моделирования. Затем, в подтверждение своего понимания явления, они
провели эксперимент с 28.5-ГэВным электронным пучком
Стэнфордского Ускорительного Центра. Было обнаружено, что
при достаточно пологом падении (угол падения пучка, измеренный
по отношению к плоскости должен быть менее 8 мрад = полградуса)
на границу плазмы пучок в самом деле испытывает заметное преломление.
Полное внутреннее отражение наступало при угле, меньшем 1.3 мрад,
что хорошо согласовалось с теоретическим значением.
Наконец, в эксперименте была видна и непреломившаяся головная часть
пучка.
Интересное само по себе, это явление может вскоре найти и непосредственное
применение в накопительных кольцах заряженных частиц. Действительно,
как указывают авторы, для искривления орбиты пучка ничто не мешает
вместо массивных магнитов использовать плазменный канал, работающий
в режиме полного внутреннего отражения. Конкретная реализация этой
схемы задача, скорее, технического, а не фундаментального
характера.
|