Накопительное кольцо — это тип круглого ускорителя частиц , в котором непрерывный или импульсный пучок частиц может поддерживаться в циркуляции обычно в течение многих часов. Хранение конкретной частицы зависит от массы , импульса и обычно заряда сохраняемой частицы. Накопительные кольца чаще всего хранят электроны , позитроны или протоны . [1]
Накопительные кольца чаще всего используются для хранения электронов, излучающих синхротронное излучение . Существует более 50 установок на основе накопителей электронов, которые используются для различных исследований в области химии и биологии. Накопительные кольца также можно использовать для создания поляризованных электронных пучков высоких энергий посредством эффекта Соколова-Тернова . Самым известным применением накопительных колец является их использование в ускорителях частиц и коллайдерах частиц , где два вращающихся в противоположных направлениях пучка накопленных частиц сталкиваются в отдельных местах. Возникающие в результате субатомные взаимодействия затем изучаются в детекторе окружающих частиц . Примерами таких объектов являются LHC , LEP , PEP-II , KEKB , RHIC , Tevatron и HERA .
накопитель — это разновидность синхротрона . В то время как обычный синхротрон служит для ускорения частиц из состояния с низкой энергией в состояние с высокой энергией с помощью радиочастотных ускорительных резонаторов, накопительное кольцо удерживает частицы с постоянной энергией, а радиочастотные резонаторы используются только для возмещения энергии, потерянной в синхротроне. радиация и другие процессы.
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 поток дальнего света от инжекционного ускорителя, который обеспечивает гораздо меньшую мощность. поток. [2]
A force must be applied to particles in such a way that they are constrained to move approximately in a circular path. This may be accomplished using either dipole electrostatic or dipole magnetic fields, but because most storage rings store relativistic charged particles it turns out that it is most practical to utilise magnetic fields produced by dipole magnets. However, electrostatic accelerators have been built to store very low energy particles, and quadrupole fields may be used to store (uncharged) neutrons; these are comparatively rare, however.
Dipole magnets alone only provide what is called weak focusing, and a storage ring composed of only these sorts of magnetic elements results in the particles having a relatively large beam size. Interleaving dipole magnets with an appropriate arrangement of quadrupole and sextupole magnets can give a suitable strong focusing system that can give a much smaller beam size. The FODO and Chasman-Green lattice structures are simple examples of strong focusing systems, but there are many others.
Dipole and quadrupole magnets deflect different particle energies by differing amounts, a property called chromaticity by analogy with physical optics. The spread of energies that is inherently present in any practical stored particle beam will therefore give rise to a spread of transverse and longitudinal focusing, as well as contributing to various particle beam instabilities. Sextupole magnets (and higher order magnets) are used to correct for this phenomenon, but this in turn gives rise to nonlinear motion that is one of the main problems facing designers of storage rings.
Поскольку сгустки будут преодолевать многие миллионы километров (учитывая, что они будут двигаться со скоростью, близкой к скорости света в течение многих часов), любой остаточный газ в лучевой трубе приведет к множеству, множеству столкновений. Это приведет к увеличению размера сгустка и увеличению разброса энергии. Следовательно, лучший вакуум дает лучшую динамику луча. Кроме того, одиночные события рассеяния на большие углы либо от остаточного газа, либо от других частиц в сгустке ( эффект Тушека ) могут выбрасывать частицы достаточно далеко, чтобы они терялись на стенках вакуумной камеры ускорителя. Эта постепенная потеря частиц называется временем жизни пучка и означает, что в накопительные кольца необходимо периодически вводить новый набор частиц.
Инъекция частиц в накопительное кольцо может осуществляться несколькими способами, в зависимости от применения накопительного кольца. В самом простом методе используется один или несколько импульсных отклоняющих дипольных магнитов ( кикер-магниты с инжекцией ), чтобы направить входящий поток частиц на сохраненный путь луча; кикер-магниты выключаются до того, как сохраненный поезд возвращается в точку ввода, что приводит к образованию сохраненного луча. Этот метод иногда называют однооборотным впрыском.
Многооборотная инжекция позволяет аккумулировать множество входящих цепочек частиц, например, если требуется большой запасаемый ток. Для таких частиц, как протоны, где нет значительного затухания луча, каждый инжектируемый импульс помещается в определенную точку в поперечном или продольном фазовом пространстве сохраненного луча , стараясь не выбросить ранее инжектированные серии, используя тщательную организацию отклонения луча и когерентные колебания в запасенном пучке. Если имеется значительное затухание луча, например радиационное затухание электронов из-за синхротронного излучения , то инжектированный импульс можно поместить на край фазового пространства, а затем оставить для затухания в поперечном фазовом пространстве в сохраненный луч перед инжекцией следующего импульса. Типичное время затухания синхротронного излучения составляет десятки миллисекунд, что позволяет накапливать много импульсов в секунду.
Если требуется экстракция частиц (например, в цепочке ускорителей), то однооборотную экстракцию можно провести аналогично инжекции. Также может быть использовано резонансное извлечение.
Частицы должны храниться в течение очень большого числа оборотов, потенциально превышающего 10 миллиардов. Эта долговременная стабильность является сложной задачей, и необходимо сочетать конструкцию магнита с кодами отслеживания. [3] и аналитические инструменты для понимания и оптимизации долгосрочной стабильности.
В случае накопителей электронов радиационное затухание облегчает проблему устойчивости, обеспечивая негамильтоновское движение, возвращающее электроны на расчетную орбиту за порядок тысяч оборотов. Вместе с диффузией за счет флуктуаций энергии излучаемых фотонов достигается равновесное распределение пучка. Более подробную информацию по некоторым из этих тем можно найти в [4] .
СМИ, связанные с кольцами хранения, на Викискладе?