Накопительное кольцо — это тип кольцевого ускорителя частиц , в котором непрерывный или импульсный пучок частиц может циркулировать, как правило, в течение многих часов. Хранение конкретной частицы зависит от массы , импульса и, как правило, заряда частицы, которая должна быть сохранена. Накопительные кольца чаще всего хранят электроны , позитроны или протоны . [1]
Накопительные кольца чаще всего используются для хранения электронов, которые излучают синхротронное излучение . Существует более 50 установок на основе электронных накопителей, которые используются для различных исследований в области химии и биологии. Накопительные кольца также могут использоваться для получения поляризованных высокоэнергетических электронных пучков с помощью эффекта Соколова-Тернова . Наиболее известным применением накопительных колец является их использование в ускорителях частиц и коллайдерах частиц , где два противоположно вращающихся пучка хранимых частиц сталкиваются в дискретных местах. Затем полученные субатомные взаимодействия изучаются в окружающем детекторе частиц . Примерами таких установок являются LHC , LEP , PEP-II , KEKB , RHIC , Tevatron и HERA .
Накопительное кольцо — это тип синхротрона . В то время как обычный синхротрон служит для ускорения частиц из состояния с низкой в состояние с высокой энергией с помощью радиочастотных ускоряющих полостей, накопительное кольцо сохраняет частицы, хранящиеся при постоянной энергии, а радиочастотные полости используются только для восполнения энергии, потерянной из-за синхротронного излучения и других процессов.
Джерард К. О'Нил предложил использовать накопительные кольца в качестве строительных блоков для коллайдера в 1956 году. Ключевым преимуществом накопительных колец в этом контексте является то, что накопительное кольцо может аккумулировать большой поток пучка из инжекционного ускорителя, который достигает гораздо более низкого потока. [2]
Сила должна быть приложена к частицам таким образом, чтобы они были вынуждены двигаться по приблизительно круговой траектории. Это может быть достигнуто с помощью дипольных электростатических или дипольных магнитных полей, но поскольку большинство накопительных колец хранят релятивистские заряженные частицы, оказывается, что наиболее практично использовать магнитные поля, создаваемые дипольными магнитами . Однако электростатические ускорители были построены для хранения частиц с очень низкой энергией, а квадрупольные поля могут использоваться для хранения (незаряженных) нейтронов ; однако они сравнительно редки.
Дипольные магниты сами по себе обеспечивают только то, что называется слабой фокусировкой , а накопительное кольцо, состоящее только из этих видов магнитных элементов, приводит к частицам, имеющим относительно большой размер пучка. Чередование дипольных магнитов с соответствующим расположением квадрупольных и секступольных магнитов может дать подходящую сильную фокусирующую систему, которая может дать гораздо меньший размер пучка. Решетчатые структуры FODO и Часмана-Грина являются простыми примерами систем сильной фокусировки, но есть и много других.
Дипольные и квадрупольные магниты отклоняют различные энергии частиц на разную величину, свойство, называемое хроматичностью по аналогии с физической оптикой . Распространение энергий, которое изначально присутствует в любом практическом пучке накопленных частиц, приведет к распространению поперечной и продольной фокусировки, а также будет способствовать различным нестабильностям пучка частиц. Секступольные магниты (и магниты более высокого порядка) используются для исправления этого явления, но это, в свою очередь, приводит к нелинейному движению, которое является одной из основных проблем, с которыми сталкиваются проектировщики накопительных колец.
Поскольку сгустки будут перемещаться на многие миллионы километров (учитывая, что они будут двигаться со скоростью, близкой к скорости света, в течение многих часов), любой остаточный газ в трубе пучка приведет к множеству столкновений. Это приведет к увеличению размера сгустка и увеличению разброса энергии. Следовательно, лучший вакуум обеспечивает лучшую динамику пучка. Кроме того, единичные события рассеяния на большие углы либо от остаточного газа, либо от других частиц в пучке ( эффект Тушека ), могут выбрасывать частицы достаточно далеко, чтобы они терялись на стенках вакуумного сосуда ускорителя. Эта постепенная потеря частиц называется временем жизни пучка и означает, что накопительные кольца должны периодически инжектироваться новым дополнением частиц.
Инжекция частиц в накопительное кольцо может быть выполнена несколькими способами, в зависимости от применения накопителя. Самый простой метод использует один или несколько импульсных отклоняющих дипольных магнитов ( магниты-кикеры инжекции ) для направления входящего поезда частиц на путь сохраненного пучка; магниты-кикеры выключаются до того, как сохраненный поезд возвращается в точку инжекции, что приводит к сохраненному пучку. Этот метод иногда называют однооборотной инжекцией.
Многооборотная инжекция позволяет аккумулировать множество входящих поездов частиц, например, когда требуется большой накопленный ток. Для таких частиц, как протоны, где нет значительного затухания пучка, каждый инжектированный импульс помещается в определенную точку в поперечном или продольном фазовом пространстве сохраненного пучка , заботясь о том, чтобы не выбросить ранее инжектированные поезда, используя тщательное расположение отклонения пучка и когерентных колебаний в сохраненном пучке. Если есть значительное затухание пучка, например, за счет радиационного затухания электронов из-за синхротронного излучения , то инжектированный импульс может быть помещен на край фазового пространства, а затем оставлен для затухания в поперечном фазовом пространстве в сохраненный пучок перед инжекцией следующего импульса. Типичное время затухания от синхротронного излучения составляет десятки миллисекунд, что позволяет накапливать много импульсов в секунду.
Если требуется извлечение частиц (например, в цепочке ускорителей), то по аналогии с инжекцией можно осуществить однооборотное извлечение. Также можно использовать резонансное извлечение.
Частицы должны храниться в течение очень большого количества оборотов, потенциально более 10 миллиардов. Такая долгосрочная стабильность является сложной задачей, и необходимо объединить конструкцию магнита с кодами отслеживания [3] и аналитическими инструментами, чтобы понять и оптимизировать долгосрочную стабильность.
В случае электронных накопителей радиационное демпфирование облегчает проблему стабильности, обеспечивая негамильтоново движение, возвращающее электроны на проектную орбиту за несколько тысяч оборотов. Вместе с диффузией из-за флуктуаций энергий излучаемых фотонов достигается равновесное распределение пучка. Более подробную информацию по некоторым из этих тем можно найти в [4] .
Медиа, связанные с Кольца хранения на Wikimedia Commons