Стохастическое охлаждение

Стохастическое охлаждение — это форма охлаждения пучком частиц . ^[1] Он используется в некоторых ускорителях частиц и накопителях для управления эмиттансом в пучков частиц машине. В этом процессе используются электрические сигналы , которые отдельные заряженные частицы генерируют в контуре обратной связи , чтобы уменьшить тенденцию отдельных частиц удаляться от других частиц в луче.

Техника была изобретена и применена на Пересекающихся накопительных кольцах . ^[2] а затем Суперпротонный синхротрон (SPS) в ЦЕРНе в Женеве, Швейцария , созданный Саймоном ван дер Меером , ^[3] физик из Нидерландов . Его использовали для сбора и охлаждения антипротонов — эти частицы вводились в протон-антипротонный коллайдер , модификацию SPS, с протонами , вращающимися в противоположных направлениях , и сталкивались в эксперименте по физике элементарных частиц . За эту работу ван дер Меер был удостоен Нобелевской премии по физике в 1984 году. Эту премию он разделил с Карло Руббиа из Италии , предложившим протон-антипротонный коллайдер . В ходе этого эксперимента были обнаружены W- и Z-бозоны , фундаментальные частицы, обладающие слабым ядерным взаимодействием .

До остановки Тэватрона 30 сентября 2011 г. ^[4] Национальная ускорительная лаборатория Ферми использовала стохастическое охлаждение в своем источнике антипротонов. ^[5] Накопленные антипротоны были отправлены на Тэватрон для столкновения с протонами в двух точках столкновения: CDF и эксперимента D0 .

Была предпринята попытка стохастического охлаждения в Тэватроне в Фермилабе, но она не увенчалась полным успехом. Впоследствии оборудование было передано в Брукхейвенскую национальную лабораторию , где оно успешно использовалось в системе продольного охлаждения в RHIC . ^[6] используется в эксплуатации с 2006 года. С 2012 года RHIC имеет оперативное стохастическое охлаждение 3D, ^[7] т.е. охлаждение горизонтальной, вертикальной и продольной плоскостей.

Технические детали

Стохастическое охлаждение использует электрические сигналы, производимые отдельными частицами в группе частиц (называемой «группой» частиц), для приведения в действие электромагнитного устройства, обычно электрического кикера, который будет пинать группу частиц, чтобы уменьшить своенравный импульс эта одна частица. Эти отдельные удары применяются непрерывно и в течение длительного времени, средняя тенденция частиц иметь своенравный импульс снижается. Время охлаждения варьируется от секунды до нескольких минут, в зависимости от необходимой глубины охлаждения.

Стохастическое охлаждение используется для уменьшения разброса поперечного импульса внутри сгустка заряженных частиц в накопителе путем обнаружения флуктуаций импульса сгустков и применения коррекции («рулевой импульс» или «пинок»). Это применение отрицательной обратной связи . Это известно как «охлаждение», поскольку можно считать, что сгусток имеет внутреннюю температуру. Если бы средний импульс сгустка вычесть из импульса каждой частицы, то возникло бы впечатление, что заряженные частицы движутся беспорядочно, подобно молекулам в газе. Чем энергичнее движение, тем «горячее» сгусток — опять же, как молекулы в газе.

Заряженные частицы движутся сгустками в потенциальных ямах, и колебания центра масс каждого сгустка легко гасятся с помощью стандартных радиочастотных методов. не влияет на распространение внутреннего импульса каждого сгустка Однако это затухание . Ключом к стохастическому охлаждению является воздействие на отдельные частицы внутри каждого сгустка с помощью электромагнитного излучения.

Сгустки проходят широкополосный оптический сканер, который определяет положение отдельных частиц.В синхротроне поперечное движение частиц легко демпфируется синхротронным излучением , которое имеет короткую длину импульса и широкую полосу пропускания, но продольное движение можно увеличить только с помощью простых устройств (см., например, Лазер на свободных электронах ).Для достижения охлаждения информация о положении передается обратно в сгустки частиц (с использованием, например, быстрого киккерного магнита), создавая петлю отрицательной обратной связи.

Микроструктура муфты.
- Клистронная полость
- Для поперечного охлаждения используются те же устройства, что и в осциллографе или в стрик-камере.
- Направленные соединители , которые объединяют измерение и регулировку рулевого управления (в этом контексте часто называемую пинком) в одном устройстве. Связанная энергия увеличивается пропорционально квадрату длины структуры из-за повторного приложения поля к частице. Частицы движутся близко, но не со скоростью света, поэтому устройствам необходимо замедлять свет.
  - трубка бегущей волны
  - ондулятор
  - Для поперечного охлаждения можно использовать несколько направляющих пластин и катушек, соединенных в линию задержки.
Макроструктура для пикапа. Связанная энергия возрастает линейно с увеличением длины конструкции.
- Черенковское излучение . Сигналы от нескольких элементов микроструктуры складываются перед подачей на усилитель, что снижает шум.
- Используется несколько устройств, настроенных (узкая полоса = более низкий шум) на разные частоты, так что можно охватить около 20 ГГц.

Пучки фокусируются через небольшое отверстие между электродной структурой, благодаря чему устройства имеют доступ к ближней зоне излучения.Кроме того, измеряется ток, падающий на электрод, и на основе этой информации электроды центрируются на луче и перемещаются вместе, в то время как лучи остывают и уменьшаются в размерах.

Слово «стохастический» в названии связано с тем, что обычно только некоторые частицы могут быть однозначно рассмотрены одновременно. Вместо этого внутри каждой группы рассматриваются небольшие группы частиц, а корректировка или удар применяется к среднему импульсу каждой группы.Таким образом, их нельзя охладить все сразу, а вместо этого требуется несколько шагов. Чем меньшая группа частиц может быть обнаружена и отрегулирована одновременно (требуется более высокая пропускная способность), тем быстрее происходит охлаждение.

Поскольку частицы в накопителе движутся почти со скоростью света, петле обратной связи, как правило, приходится ждать, пока сгусток вернется, чтобы внести корректировку. Детектор и кикер могут быть размещены в разных положениях на кольце с соответствующим образом выбранными задержками, чтобы соответствовать собственным частотам кольца.

Охлаждение более эффективно для длинных сгустков, поскольку разброс позиций между частицами больше. Оптимально сгустки должны быть как можно более короткими в ускорителях кольца и как можно более длинными в охладителях.Устройства, которые делают это, интуитивно называются стретчером , компрессором или группировщиком, дебанчером . (Ссылки указывают на эквивалентные устройства для световых импульсов, поэтому обратите внимание, что призмы в ссылке функционально заменены дипольными магнитами в ускорителе частиц.)

В кольцах низкой энергии сгустки могут перекрываться со свежесозданными и, таким образом, холодными (1000 К) электронными сгустками из линейного ускорителя . Это прямое соединение с ванной с более низкой температурой, которая также охлаждает балку. После этого можно также проанализировать электроны и применить стохастическое охлаждение.

Оптическое стохастическое охлаждение

Хотя стохастическое охлаждение оказалось очень успешным, его применение ограничено пучками с небольшим количеством частиц в сгустке. Оптическое стохастическое охлаждение (OSC) было предложено в 1993 году для увеличения пропускной способности охлаждения. ^[8] Используя видимые длины волн вместо микроволновых, OSC обещает увеличение пропускной способности охлаждения на 4 порядка по сравнению со стохастическим охлаждением. В методе OSC, разработанном в 1994 году, частица сначала создает волновой пакет в «ондуляторе пикапа» («PU»). ^[9] Волновой пакет и частица по отдельности транспортируются к расположенному ниже по потоку «кикер-ондулятору» («КУ»). Здесь волновой пакет используется для придания корректирующего энергетического отдачи частице. Знак и величина энергетического удара зависят от относительных времен прибытия частицы и волнового пакета. Траектории света и частиц должны быть настроены так, чтобы эталонная частица не подвергалась ударам.

впервые было продемонстрировано оптическое стохастическое охлаждение. В августе 2022 года в Фермилабе ^[10]^[11]

См. также

Электронное охлаждение

Ссылки

^ С. Ван дер Меер. СТОХАСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И УСТРОЙСТВА, ЦЕРН, 1978 г.
^ Джон Марринер (11 августа 2003 г.), «Обзор стохастического охлаждения», Nuclear Instruments and Methods A , 532 (1–2): 11–18, arXiv : Physics.acc-ph/0308044 , Bibcode : 2004NIMPA.532.. .11M , doi : 10.1016/j.nima.2004.06.025 , S2CID 119465550
↑ Саймон ван дер Меер, лауреат Нобелевской премии, умер в возрасте 85 лет, New York Times, 12 марта 2011 г.
^ «Теватрон отключается, но анализ продолжается» . Новости . 30 сентября 2011 г. Проверено 10 декабря 2021 г.
^ Паскинелли, Ральф (2 августа 2011 г.). «Внедрение стохастического охлаждающего оборудования на коллайдере Тэватрон Фермилаб» . Журнал приборостроения . дои : 10.1088/1748-0221/6/08/T08002 .
^ СТОХАСТИЧЕСКОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ДЛЯ RHIC (Отчет). БРУКХЕЙВЕНСКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ (США). 12 мая 2003 г.
^ Бласкевич, М.; Бреннан, Дж. М.; Мерник, К. (25 августа 2010 г.). «Трехмерное стохастическое охлаждение в релятивистском коллайдере тяжелых ионов» . Письма о физических отзывах . 105 (9): 094801. doi : 10.1103/PhysRevLett.105.094801 .
^ А.А. Михайличенко и М.С. Золоторев. «Оптическое стохастическое охлаждение». Физ. Преподобный Летт. 71, 4146, 1993.
^ М. С. Золоторев, А. А. Жоленц, “Транзитный метод оптического стохастического охлаждения”, Физ. Преподобный Е, том. 50, нет. 4, стр. 3087-3091, 1994.
^ Джарвис, Дж.; Лебедев В.; Романов А.; Броммельсик, Д.; Карлсон, К.; Чаттопадхьяй, С.; Дик, А.; Эдстром, Д.; Лобач, И.; Нагайцев С.; Пикарц, Х.; Пиот, П.; Руан, Дж.; Сантуччи, Дж.; Станкари, Г. (август 2022 г.). «Экспериментальная демонстрация оптического стохастического охлаждения» . Природа . 608 (7922): 287–292. arXiv : 2203.08899 . Бибкод : 2022Natur.608..287J . дои : 10.1038/s41586-022-04969-7 . ISSN 1476-4687 . ПМЦ 9365692 . ПМИД 35948709 .
^ Марк, Трейси (10 августа 2022 г.). «Первая демонстрация новой технологии пучков частиц в Фермилабе» . Фермилаб .

[1] С. Ван дер Меер. СТОХАСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И УСТРОЙСТВА, ЦЕРН, 1978 г.

[overview-2] Джон Марринер (11 августа 2003 г.), «Обзор стохастического охлаждения», Nuclear Instruments and Methods A , 532 (1–2): 11–18, arXiv : Physics.acc-ph/0308044 , Bibcode : 2004NIMPA.532.. .11M , doi : 10.1016/j.nima.2004.06.025 , S2CID 119465550

[3] Саймон ван дер Меер, лауреат Нобелевской премии, умер в возрасте 85 лет, New York Times, 12 марта 2011 г.

[4] «Теватрон отключается, но анализ продолжается» . Новости . 30 сентября 2011 г. Проверено 10 декабря 2021 г.

[5] Паскинелли, Ральф (2 августа 2011 г.). «Внедрение стохастического охлаждающего оборудования на коллайдере Тэватрон Фермилаб» . Журнал приборостроения . дои : 10.1088/1748-0221/6/08/T08002 .

[6] СТОХАСТИЧЕСКОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ДЛЯ RHIC (Отчет). БРУКХЕЙВЕНСКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ (США). 12 мая 2003 г.

[7] Бласкевич, М.; Бреннан, Дж. М.; Мерник, К. (25 августа 2010 г.). «Трехмерное стохастическое охлаждение в релятивистском коллайдере тяжелых ионов» . Письма о физических отзывах . 105 (9): 094801. doi : 10.1103/PhysRevLett.105.094801 .

[8] А.А. Михайличенко и М.С. Золоторев. «Оптическое стохастическое охлаждение». Физ. Преподобный Летт. 71, 4146, 1993.

[9] М. С. Золоторев, А. А. Жоленц, “Транзитный метод оптического стохастического охлаждения”, Физ. Преподобный Е, том. 50, нет. 4, стр. 3087-3091, 1994.

[10] Джарвис, Дж.; Лебедев В.; Романов А.; Броммельсик, Д.; Карлсон, К.; Чаттопадхьяй, С.; Дик, А.; Эдстром, Д.; Лобач, И.; Нагайцев С.; Пикарц, Х.; Пиот, П.; Руан, Дж.; Сантуччи, Дж.; Станкари, Г. (август 2022 г.). «Экспериментальная демонстрация оптического стохастического охлаждения» . Природа . 608 (7922): 287–292. arXiv : 2203.08899 . Бибкод : 2022Natur.608..287J . дои : 10.1038/s41586-022-04969-7 . ISSN 1476-4687 . ПМЦ 9365692 . ПМИД 35948709 .

[11] Марк, Трейси (10 августа 2022 г.). «Первая демонстрация новой технологии пучков частиц в Фермилабе» . Фермилаб .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]