Кольцо для хранения

На этом изображении интерьера австралийского синхротрона доминирует накопительное кольцо длиной 216 метров . В середине накопителя находится разгонное кольцо и линейный ускоритель .

— 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 .

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.

Важные соображения по хранению пучков частиц

Магниты

разных типов используются магниты В накопителе австралийского синхротрона . Желтый, большего размера, представляет собой дипольный магнит, используемый для отклонения электронного луча и создания синхротронного излучения . Зеленый — шестипольный магнит , а красный (за диполем) — квадрупольный магнит ; они используются для фокусировки и поддержания цветности соответственно.

Сила должна быть приложена к частицам таким образом, чтобы они могли двигаться примерно по круговой траектории. Этого можно добиться, используя либо дипольные электростатические, либо дипольные магнитные поля, но поскольку большинство накопителей хранят релятивистские заряженные частицы, оказывается, что наиболее практично использовать магнитные поля, создаваемые дипольными магнитами . Однако для хранения частиц очень низкой энергии были построены электростатические ускорители, а для хранения (незаряженных) нейтронов можно использовать квадрупольные поля ; однако это сравнительно редко.

Сами по себе дипольные магниты обеспечивают только то, что называется слабой фокусировкой , а накопительное кольцо, состоящее только из таких магнитных элементов, приводит к тому, что частицы имеют относительно большой размер пучка. Чередование дипольных магнитов с соответствующим расположением квадрупольных и секступольных магнитов может дать подходящую систему сильной фокусировки , которая может дать гораздо меньший размер луча. Решетчатые структуры FODO являются простыми и Чесмана-Грина примерами систем сильной фокусировки, но существует и множество других.

Дипольные и квадрупольные магниты отклоняют разные энергии частиц на разную величину - свойство, называемое цветностью по аналогии с физической оптикой . Таким образом, распространение энергий, которое присуще любому практическому пучку накопленных частиц, приведет к распространению поперечной и продольной фокусировки, а также будет способствовать различным нестабильностям пучка частиц. Шестипольные магниты (и магниты более высокого порядка) используются для компенсации этого явления, но это, в свою очередь, приводит к нелинейному движению, которое является одной из основных проблем, с которыми сталкиваются разработчики накопительных колец.

Вакуум

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.

Впрыск частиц и время

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 накапливать множество входящих цепочек частиц, например, когда требуется большой запасаемый ток. Для частиц, таких как протоны, где нет значительного затухания луча, каждый инжектируемый импульс помещается в определенную точку в поперечном или продольном фазовом пространстве сохраненного луча , стараясь не выбрасывать ранее инжектированные серии, используя тщательную организацию отклонения луча и когерентные колебания в запасенном пучке. Если имеется значительное затухание луча, например, за счет радиационного затухания 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 введением 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.

Динамика луча

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. 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. Можно посмотреть для получения более подробной информации по некоторым из этих тем.

См. также

• Джерард К. О'Нил (изобретатель)
• Список объектов синхротронного излучения

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с кольцами хранения, на Викискладе?