В ускорительной физике под пучком понимают траекторию пучка частиц, включающую общую конструкцию участка пути (направляющие трубы, диагностические устройства) по конкретному пути ускорительной установки . Эта часть либо
Лучевые линии обычно заканчиваются на экспериментальных станциях, которые используют пучки частиц или синхротронный свет , получаемый от синхротрона , или нейтроны от источника расщепления или исследовательского реактора . Лучевые линии используются в экспериментах в области физики элементарных частиц , материаловедения , науки о жизни , химии и молекулярной биологии , но также могут использоваться для испытаний на облучение или для производства изотопов.
В ускорителях частиц линия луча обычно размещается в туннеле и/или под землей, заключенная в бетонный корпус в целях защиты. Линия луча обычно представляет собой цилиндрическую металлическую трубу, обычно называемую лучевой трубой , и/или дрейфовую трубку , откачанную до высокого вакуума , поэтому на пути попадания луча ускоренных частиц остается мало молекул газа, которые в противном случае могут их рассеять. прежде чем они достигнут места назначения.
На линии луча имеются специализированные устройства и оборудование, которые используются для создания, поддержания, мониторинга и ускорения пучка частиц. Эти устройства могут находиться рядом с лучом или быть прикреплены непосредственно к нему. Эти устройства включают в себя сложные датчики , средства диагностики (мониторы положения и проволочные сканеры), линзы , коллиматоры , термопары , ионные насосы , ионные датчики , ионные камеры (для диагностических целей; обычно называемые «лучевыми мониторами»), вакуумные клапаны («запорные клапаны»). и задвижки , и это лишь некоторые из них.
Крайне важно, чтобы все секции луча, магниты и т. д. были выровнены (часто с помощью геодезической бригады и группы центровки с использованием лазерного трекера ), линии луча должны находиться в пределах допусков в микрометрах . Хорошая центровка помогает предотвратить потерю луча и столкновение луча со стенками трубы, что приводит к вторичному излучению и/или излучению .
Что касается синхротронов , лучевая линия может также относиться к приборам, которые передают пучки синхротронного излучения на экспериментальную конечную станцию, которая использует излучение, создаваемое изгибающими магнитами и вставными устройствами в накопительном кольце установки синхротронного излучения . Типичным применением такого типа пучка является кристаллография , хотя существует множество других методов , использующих синхротронный свет .
На большой синхротронной установке будет множество каналов, каждый из которых оптимизирован для определенной области исследований. Различия будут зависеть от типа вводящего устройства (который, в свою очередь, определяет интенсивность и спектральное распределение излучения); оборудование для формирования луча; и экспериментальная конечная станция. Типичная линия луча на современной синхротронной установке будет иметь длину от 25 до 100 м от накопителя до конечной станции и может стоить до миллионов долларов США. По этой причине синхротронную установку часто строят поэтапно: первые несколько каналов открываются в первый день работы, а другие каналы добавляются позже, если позволяет финансирование.
Элементы пучка расположены в радиационно-защитных кожухах, называемых кабинками , размером с небольшую комнату (кабину). Типичный канал состоит из двух камер: оптической камеры для элементов формирования луча и экспериментальной камеры, в которой проводится эксперимент. Между клетками луч перемещается в транспортной трубе. Вход в клетки запрещен, когда жалюзи открыты и радиация может проникнуть в клетку. Это достигается за счет использования сложных систем безопасности с резервными функциями блокировки , которые гарантируют, что никто не находится внутри клетки, когда включено излучение. Система безопасности также отключит луч излучения, если дверь в клетку случайно откроется, когда луч включен. В этом случае луч сбрасывается , то есть накопленный луч направляется в мишень, предназначенную для поглощения и сдерживания его энергии.
Элементы, которые экспериментаторы используют в лучах для формирования пучка излучения между накопительным кольцом и конечной станцией, включают следующее:
1- Бериллиевые окна: Бериллиевые окна могут поставляться охлажденными или неохлаждаемыми, с различными размерами (и количеством) оконных проемов. Размеры окон подбираются в соответствии с конкретными требованиями, однако максимальный размер окна определяется толщиной пленки и выдерживаемым перепадом давления. Окна могут поставляться с различными размерами входных/выходных фланцев балок в соответствии с конкретными требованиями. 2. Алмазные окна CVD: химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Алмазы обладают чрезвычайной твердостью, высокой теплопроводностью, химической инертностью и высокой прозрачностью в очень широком спектральном диапазоне. Более прочный и жесткий, чем бериллий, с меньшим тепловым расширением и меньшей токсичностью, он идеально подходит для изоляционных окон сверхвысокого напряжения в линиях рентгеновского излучения. Окна могут поставляться со встроенными фланцами сверхвысокого напряжения и с эффективным водяным охлаждением. 3. Выходные окна. Вакуумные выходные окна изготавливаются из различных материалов, включая бериллий и CVD-алмазы, подробно описанные выше.
Комбинация устройств кондиционирования луча контролирует тепловую нагрузку (нагрев, вызываемый лучом) на конечной станции; спектр излучения, падающего на конечной станции; и фокус или коллимация луча. Устройства вдоль линии луча, которые поглощают значительную мощность луча, возможно, придется активно охлаждать водой или жидким азотом . Вся длина луча обычно поддерживается в условиях сверхвысокого вакуума .
Хотя проектирование канала синхротронного излучения можно рассматривать как применение рентгеновской оптики, существуют специальные инструменты для моделирования распространения рентгеновских лучей по каналу и их взаимодействия с различными компонентами. Существуют программы трассировки лучей, такие как Shadow и McXTrace, которые обрабатывают рентгеновский луч в пределах геометрической оптики, а также существует программное обеспечение для распространения волн, которое учитывает дифракцию и внутренние волновые свойства излучения. Для понимания полной или частичной когерентности синхротронного излучения необходимо учитывать волновые свойства. Коды SRW, Spectra и xrt включают такую возможность, последний код поддерживает «гибридный» режим, позволяющий переключаться с геометрического подхода на волновой на заданном оптическом участке.
На первый взгляд, каналы нейтронных пучков отличаются от каналов синхротронного излучения главным образом тем, что вместо фотонов в них используются нейтроны исследовательского реактора или источника расщепления . Поскольку нейтроны не несут заряда и их трудно перенаправить, компоненты совершенно разные (см., например, прерыватели или нейтронные суперзеркала). В экспериментах обычно измеряют рассеяние нейтронов или передачу энергии исследуемому образцу.