Физика ускорителей

Физика, связанная с изучением, проектированием, строительством и эксплуатацией ускорителей частиц

Физика ускорителей — это раздел прикладной физики , занимающийся проектированием, созданием и эксплуатацией ускорителей частиц . Таким образом, ее можно описать как изучение движения, манипулирования и наблюдения за релятивистскими пучками заряженных частиц и их взаимодействия со структурами ускорителей посредством электромагнитных полей .

Это также связано с другими областями:

• Микроволновая техника (для ускоряющих/отклоняющих конструкций в радиочастотном диапазоне).
• Оптика с упором на геометрическую оптику (фокусировка и искривление луча) и лазерную физику (взаимодействие лазера с частицами).
• Компьютерные технологии с упором на цифровую обработку сигналов , например, для автоматизированного управления пучком частиц.
• Физика плазмы , для описания интенсивных пучков.

Эксперименты, проводимые с ускорителями частиц, не считаются частью физики ускорителей, но относятся (в соответствии с целями экспериментов) к, например, физике элементарных частиц , ядерной физике , физике конденсированного состояния или физике материалов . Типы экспериментов, проводимых на конкретной ускорительной установке, определяются характеристиками генерируемого пучка частиц , такими как средняя энергия, тип частиц, интенсивность и размеры.

Ускорение и взаимодействие частиц с радиочастотными структурами

Сверхпроводящий ниобиевый резонатор для ускорения ультрарелятивистских частиц из проекта TESLA

Хотя возможно ускорить заряженные частицы с помощью электростатических полей, как в умножителе напряжения Кокрофта-Уолтона , этот метод имеет ограничения, обусловленные электрическим пробоем при высоких напряжениях. Кроме того, из-за консервативности электростатических полей максимальное напряжение ограничивает кинетическую энергию, применимую к частицам.

Чтобы обойти эту проблему, линейные ускорители частиц работают с использованием изменяющихся во времени полей. Для управления этими полями с помощью полых макроскопических структур, через которые проходят частицы (ограничения по длине волны), частота таких ускоряющих полей находится в радиочастотной области электромагнитного спектра.

Пространство вокруг пучка частиц вакуумируется, чтобы предотвратить рассеяние с атомами газа, требуя, чтобы он был заключен в вакуумную камеру (или трубу пучка ). Из-за сильных электромагнитных полей , которые следуют за пучком, возможно его взаимодействие с любым электрическим импедансом в стенках трубы пучка. Это может быть в форме резистивного импеданса (т. е. конечного сопротивления материала трубы пучка) или индуктивного/емкостного импеданса (из-за геометрических изменений в поперечном сечении трубы пучка).

Эти импедансы будут вызывать кильватерные поля (сильное искривление электромагнитного поля пучка), которые могут взаимодействовать с более поздними частицами. Поскольку это взаимодействие может иметь негативные эффекты, оно изучается для определения его величины и определения любых действий, которые могут быть предприняты для его смягчения.

Динамика луча

Из-за высокой скорости частиц и результирующей силы Лоренца для магнитных полей корректировки направления пучка в основном контролируются магнитостатическими полями, которые отклоняют частицы. В большинстве концепций ускорителей (за исключением компактных структур, таких как циклотрон или бетатрон ) они применяются с помощью специальных электромагнитов с различными свойствами и функциями. Важным шагом в разработке этих типов ускорителей стало понимание сильной фокусировки . ^[1] Дипольные магниты используются для направления пучка через структуру, в то время как квадрупольные магниты используются для фокусировки пучка, а секступольные магниты используются для коррекции эффектов дисперсии .

Частица на точной проектной траектории (или проектной орбите ) ускорителя испытывает только дипольные компоненты поля, в то время как частицы с поперечным отклонением положения перефокусируются на проектную орбиту. Для предварительных расчетов, пренебрегая всеми компонентами поля выше квадрупольного, неоднородное дифференциальное уравнение Хилла ${\displaystyle x(s)}$

${\displaystyle {\frac {d^{2}}{ds^{2}}}\,x(s)+k(s)\,x(s)={\frac {1}{\rho }}\,{\frac {\Delta p}{p}}}$

может быть использовано в качестве приближения, ^[2] с

непостоянная фокусирующая сила , включая эффекты сильной и слабой фокусировки ${\displaystyle k(s)}$

относительное отклонение от проектного импульса пучка ${\displaystyle \Delta p/p}$

радиус кривизны траектории , и ${\displaystyle \rho }$

расчетная длина пути , ${\displaystyle s}$

таким образом, идентифицируя систему как параметрический осциллятор . Параметры пучка для ускорителя затем можно рассчитать с помощью анализа матрицы переноса лучей ; например, квадрупольное поле аналогично линзе в геометрической оптике, имея схожие свойства относительно фокусировки пучка (но подчиняясь теореме Ирншоу ).

Общие уравнения движения происходят из релятивистской гамильтоновой механики , почти во всех случаях с использованием параксиального приближения . Даже в случаях сильно нелинейных магнитных полей и без параксиального приближения преобразование Ли может быть использовано для построения интегратора с высокой степенью точности. ^{[ необходима цитата ]}

Коды моделирования

Существует множество различных программных пакетов для моделирования различных аспектов физики ускорителей. Необходимо смоделировать элементы, которые создают электрические и магнитные поля, а затем смоделировать эволюцию заряженных частиц в этих полях.

Диагностика луча

Важнейшим компонентом любого ускорителя являются диагностические устройства, позволяющие измерять различные свойства пучков частиц.

Типичная машина может использовать множество различных типов измерительных устройств для измерения различных свойств. Они включают (но не ограничиваются) мониторы положения пучка (BPM) для измерения положения пучка, экраны (флуоресцентные экраны, устройства оптического переходного излучения (OTR)) для отображения профиля пучка, проволочные сканеры для измерения его поперечного сечения и тороиды или ICT для измерения заряда пучка (т. е. количества частиц в пучке).

Хотя многие из этих устройств полагаются на хорошо понятную технологию, проектирование устройства, способного измерять луч для конкретной машины, является сложной задачей, требующей большого опыта. Необходимо не только полное понимание физики работы устройства, но также необходимо гарантировать, что устройство способно измерять ожидаемые параметры рассматриваемой машины.

Успех всего спектра лучевой диагностики часто определяет успех машины в целом.

Допуски машины

Ошибки в выравнивании компонентов, напряженности поля и т. д. неизбежны в машинах такого масштаба, поэтому важно учитывать допуски, в которых может работать машина.

Инженеры предоставят физикам ожидаемые допуски для выравнивания и изготовления каждого компонента, чтобы обеспечить полное физическое моделирование ожидаемого поведения машины в этих условиях. Во многих случаях будет обнаружено, что производительность ухудшается до неприемлемого уровня, требуя либо перепроектирования компонентов, либо изобретения алгоритмов, которые позволяют «настроить» производительность машины обратно на проектный уровень.

Это может потребовать множества симуляций различных состояний ошибок, чтобы определить относительную успешность каждого алгоритма настройки и дать рекомендации по набору алгоритмов для развертывания на реальной машине.

Смотрите также

• Физический портал

• Ускоритель частиц
• Значимые публикации по физике ускорителей
• Категория:Физика ускорителей
• Категория:Физики-ускорители
• Категория:Ускорители частиц

Ссылки

1. Курант, Э. Д.; Снайдер , Х. С. (январь 1958 г.). «Теория синхротрона с переменным градиентом» (PDF) . Annals of Physics . 3 (1): 360–408. Bibcode : 2000AnPhy.281..360C. doi : 10.1006/aphy.2000.6012.
2. Вилле, Клаус (2001). Физика ускорителей частиц: Введение . Oxford University Press . ISBN 978-0-19-850549-5.(немного другая запись)

• Шоппер, Хервиг Ф. (1993). Достижения физики и технологий ускорителей. World Scientific. ISBN 978-981-02-0957-5. Получено 9 марта 2012 г. .
• Видеманн, Хельмут (2015). Физика ускорителей частиц. Выпускные тексты по физике. Cham: Springer International Publishing. Bibcode : 2015pap..book.....W. doi : 10.1007/978-3-319-18317-6. ISBN 978-3-319-18316-9.
• Ли, Ши-Юань (2004). Физика ускорителей (2-е изд.). World Scientific . ISBN 978-981-256-200-5.
• Чао, Алекс В.; Тигнер, Мори, ред. (2013). Справочник по физике и технике ускорителей (2-е изд.). World Scientific . doi :10.1142/8543. ISBN 978-981-4417-17-4. S2CID  108427390.
• Чао, Алекс В.; Чоу, Вайрен (2014). Обзоры науки и технологий ускорителей, том 6. World Scientific. doi : 10.1142/9079. ISBN 978-981-4583-24-4.
• Чао, Алекс В.; Чоу, Вайрен (2013). Обзоры науки и технологий ускорителей , том 5. World Scientific. doi : 10.1142/8721. ISBN 978-981-4449-94-6.
• Чао, Алекс В.; Чоу, Вайрен (2012). Обзоры науки и технологий ускорителей , том 4. World Scientific. doi : 10.1142/8380. ISBN 978-981-438-398-1.

Внешние ссылки

• Школа ускорителей частиц в США
• Сайт физики пучка UCB/LBL
• Страница BNL о концепции переменного градиента