Плазменные ускорители – устройство для получения потоков плазмы со скоростями 10—1000 км/с и более, что соответствует кинетической энергии ионов от 10 эВ до 10⁵—10⁶ эВ. На нижнем пределе энергии плазменные ускорители соседствуют с генераторами низкотемпературной плазмы – плазматронами на верхнем – с коллективными ускорителями заряженных частиц. Как правило, плазменные ускорители являются ускорителями полностью ионизованной плазмы, поэтому процессы возбуждения и ионизации, а также тепловые процессы играют в них, в отличие от плазматронов, вспомогательную роль.
Плазменные потоки с большими скоростями можно получить разными способами, например воздействием лазерного луча на твёрдое тело. Однако к собственно плазменным ускорителям относят лишь устройства, в которых ускорение и обычно одновременное приготовление плазмы осуществляются за счёт электрической энергии с помощью одного или нескольких специальных электрических разрядов.
В отличие от ускорителей заряженных частиц, в канале плазменных ускорителей находятся одновременно частицы с зарядами обоих знаков – положительные ионы и электроны, т. е. не происходит нарушения квази-нейтральности. Это снимает ограничения, связанные с объёмным (пространственным) зарядом, и позволяет получать плазменные потоки с эффективным током ионов до 10⁶.

Из плазменных ускорителей ионы и электроны выходят практически с равными направленными скоростями, так что основная энергия потока приходится на ионы (вследствие их большой массы). Поэтому плазменные ускорители – это электрические системы, ускоряющие ионы в присутствии электронов, компенсирующих объёмный заряд ионов.

Рассмотрим механизм ускорения плазмы в пламенном ускорителе. При анализе рабочего процесса в плазменных ускорителях, плазму можно рассматривать и как сплошную среду, и как совокупность частиц (ионов и электронов). В рамках первого подхода ускорение плазмы обусловлено перепадом полного (ионного и электронного) давления p = p_i + p_e и действием силы Ампера F_A, возникающей при взаимодействии токов, текущих в плазме, с магнитным полем, j^.B, где j — плотность тока в плазме, В — индукция магнитного поля.
В рамках второго подхода ускорение ионов может происходить в результате: действия электрического поля Е, существующего в плазменном объёме; столкновений направленного потока электронов с ионами ("электронного ветра") столкновений ионов с ионами, благодаря которым энергия хаотического движения ионов переходит в направленную (тепловое или газодинамическое ускорение ионов). Наибольшее значение для плазменных ускорителей имеет электрическое ускорение ионов, а меньшее – два последних механизма.

Рассмотрим классификацию плазменных ускорителей. Плазменные ускорители делятся на тепловые и электромагнитные в зависимости от того, преобладает ли в процессе ускорения перепад полного давления р или сила Ампера.
Среди тепловых плазменных ускорителей основной интерес представляют неизотермические ускорители, в которых p_e >> p_i. Это объясняется тем, что обычно трудно создать плазму с высокой температурой ионов T_i, и сравнительно просто – с "горячими" электронами (T_e >> T_i). Такая плазма является неизотермической. Конструктивно неизотермический ускоритель представляет собой "магнитное сопло", в котором либо путём инжекции быстрых электронов, либо путём электронного циклотронного резонанса создают плазму с "горячими" электронами, T_e = 10⁷—10⁹ К, или в энергетических единицах: kT_e = 10³—10⁵ эВ. Электроны, стремясь покинуть камеру, создают электрическое поле объёмных зарядов, которое "вытягивает" (ускоряет) ионы, сообщая им энергию порядка kT_e.
Электромагнитные плазменные ускорители подразделяются по характеру подвода энергии к плазме. Различают три класса:
а) радиационные ускорители, в которых ускорение плазменного потока происходит за счёт давления электромагнитной волны, падающей на плазменный сгусток;
б) индукционные ускорители – импульсные системы, в которых внешнее нарастающее магнитное поле В индуцирует ток j в плазменном кольце, созданном тем пли иным способом. Взаимодействие этого тока с радиальной составляющей внешнего магнитного поля создаёт силу Ампера, которая и ускоряет плазменное кольцо;
в) электродные плазменные ускорители, в которых существует непосредственный контакт ускоряемой плазмы с электродами, подключенными к источнику напряжения. При амперовом взаимодействии этого тока с внешним (т. е. созданным автономными магнитными системами) или собственным (созданным током, протекающим через плазму) магнитным полем происходит ускорение плазмы.

Применения плазменных ускорителей. Первые плазменные ускорители появились в середине 1950-х гг. и уже нашли применение как электрореактивные двигатели, в технологии для чистки поверхностей (методом катодного распыления), нанесения металлических плёнок на различные поверхности, в исследованиях по ионосферной аэродинамике и экспериментальной астрофизике (моделирование космических явлений), в термоядерных исследованиях (в качестве инжекторов плазмы), плазмохимии и т.д. По мере совершенствования конструкции и достижения новых параметров область применения плазменных ускорителей будет непрерывно расширяться.

Последние три четверти века мощность ускорителей каждые 10 лет возрастала примерно на порядок, что позволило ученым сделать множество фундаментальных открытий в ядерной физике и физике элементарных частиц. Но продолжится ли такой прогресс? Ускорители на СВЧ-излучении, похоже, достигли предела своих возможностей. В 1993 г. конгресс США прекратил финансирование сверхпроводникового суперколлайдера диаметром 28 км и стоимостью $8 млрд., который был бы вдвое мощнее, чем LHC. Теперь физики надеются, что следующим после LHC будет построен линейный коллайдер длиной 30 км, но нет никакой уверенности, что многомиллиардный проект не разделит судьбу суперколлайдера. Как нельзя более кстати появились новые методы ускорения частиц с помощью плазмы, применение которой позволит значительно уменьшить размеры и стоимость ускорителей для физики самых высоких энергий (100 ГэВ и больше).

Помимо гигантских ускорителей, работающих на предельно высоких энергиях, существуют машины и поскромнее. Они используются в материаловедении, структурной биологии, ядерной медицине, а также для изучения термоядерного синтеза, стерилизации пищевых продуктов, переработки ядерных отходов и лечения некоторых видов рака. В таких установках энергия электронов или протонов относительно невелика (от 100 МэВ до 1 ГэВ), но, тем не менее, они занимают много места. В ближайшем будущем им на смену скорее всего придут настольные плазменные ускорители.

Ускоритель с плазменным кильватерным полем вызвал большой интерес у физиков, занимающихся совершенствованием ускорительной техники. Столь привлекательным его сделали достижения ученых из UCLA, Университета Южной Калифорнии и Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC). Прежде всего им удалось создать плазменный ускоритель метровой длины как для электронов, так и для позитронов. Большое искусство потребовалось для того, чтобы научиться поддерживать устойчивость ведущих пучков на таком расстоянии. Кроме того, физики продемонстрировали увеличение энергии электронов более чем на 4 ГэВ на дистанции всего 10 см. Самое главное, что нет никаких принципиальных препятствий для еще большего увеличения энергии: достаточно просто удлинить участок с плазмой.

Наконец, ученые показали, что плазма улучшает фокусировку электронного или позитронного луча как минимум в два раза. Это весьма существенно для коллайдеров, в которых ускоренные частицы должны быть сфокусированы на очень маленьком пятнышке. Чем сильнее сосредоточены пучки, тем больше происходит столкновений, количество которых является столь же важным параметром коллайдера, как и их энергия.

Импульсные электродные ускорители (пушки). Первым плазменым ускорителем был «рельсотрон» (рис. 1, а), питаемый конденсаторной батареей. Плазменный сгусток создаётся при пропускании большого тока через тонкую проволоку, натянутую между рельсами, которая при этом испаряется и ионизуется, или за счёт ионизации газа, впрыскиваемого в межэлектродный промежуток через специальный клапан. При разряде на ток в плазменной перемычке (достигающий десятков и сотен ка) действует собственное магнитное поле электрического контура, в результате чего за время порядка 1 мксек и происходит ускорение сгустка. Позднее импульсным ускорителям был придан вид коаксиальной системы (рис.1, б). В этом случае ускорение сгустка плазмы происходит под действием силы Ампера F_aмп, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей тока j_r с азимутальным собственным магнитным полем H_f. Такие П. у. уже нашли широкое применение и позволяют получать сгустки со скоростями до 10⁸ см/сек и общим числом частиц до 10¹⁸.

Стационарные сильноточные торцевые ускорители. В принципе коаксиальный ускоритель можно сделать стационарным (работающим в непрерывном режиме), если непрерывно подавать в зазор между электродами рабочее вещество (ионизуемый газ). Однако вследствие Холла эффекта при стационарном разряде в ускорителе электрический ток имеет значительную продольную составляющую. Благодаря этому происходит «отжатие» плазмы к катоду, образование прианодных скачков потенциала и т.п., что ведёт к резкому уменьшению кпд. В связи с этим более эффективной оказывается «торцевая» схема (рис. 2, а) с коротким катодом, через который одновременно подаётся рабочее вещество. Ускорение плазмы в торцевом плазменном ускорителе происходит также в основном за счёт силы Ампера, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей jr, тока j с азимутальным магнитным полем Hf. Если при постоянной подаче рабочего вещества непрерывно увеличивать разрядный ток Ip, то сначала скорость истечения плазмы и кпд ускорителя будут расти. Однако при некотором значении Ip происходит вынос большой части разрядного тока за срез ускорителя, резко возрастает напряжение и падает кпд, в ускорителе возникают колебания. Наступает так называемый критический режим. Его физической причиной является, по-видимому, пинч-эффект, в результате которого плазменный шнур отрывается от анода.

На нормально работающих торцевых ускорителях с собственным магнитным полем при разрядных токах около 10⁴ а удаётся получать стационарные потоки плазмы со скоростями ~ 100 км/сек и характерными расходами рабочего вещества ~0,01—0,1 г/сек. При этом напряжение на разряде составляет около 50 в.

Описанный торцевой ускоритель становится неработоспособным не только при больших, но и при малых разрядных токах I_p, поскольку сила Ампера пропорциональна I_p². Поэтому при I_р < 1000 А роль силы Ампера в реальных условиях становится меньше, чем газокинетическое давление, и торцевой П. у. превращается в обычный плазматрон. Чтобы увеличить эффективность торцевого ускорителя при малых мощностях, в рабочем канале создают внешнее магнитное поле (рис. 2, б). Получающийся ускоритель называется торцевым холловским ускорителем, или магнито-плазменным ускорителем. Он позволяет получать потоки плазмы со скоростями в десятки км/сек при мощности ³ 10 квт. Замечательная особенность торцевых ускорителей — способность создавать потоки частиц с энергией, в несколько раз превосходящей приложенную разность потенциалов. На языке динамики частиц это объясняется увлечением ионов за счёт столкновений с электронным потоком, идущим из катода («электронным ветром»).

В настольном плазменном ускорителе высокоинтенсивный луч лазера фокусируется на сверхзвуковой струе газообразного гелия (слева). Световой импульс создает в струе газа плазму, и кильватерное поле ускоряет некоторые из ее электронов. Получившийся электронный импульс коллимируется и проходит через магнитное поле, отклоняющее частицы соответственно их энергиям. Такой ускоритель может разместиться на столе размером 1,2 м на 1,8 м.

Снимки электронных пучков (справа), сделанные в Лаборатории прикладной оптики Французского политехнического института, демонстрируют, как было преодолено главное препятствие. Хотя некоторые электроны ускорялись до 100 МэВ, нижняя граница диапазона энергий доходила до 0 МэВ (a). Кроме того, пучок расходился на целый градус. Напротив, в экспериментах с недавно открытым режимом пузыря удалось получить хорошо сфокусированный моноэнергический пучок с энергией около 180 МэВ (б)