Физика ускорителей

Ускорительная физика — раздел прикладной физики , занимающийся проектированием, созданием и эксплуатацией ускорителей частиц . По существу, его можно охарактеризовать как исследование движения, манипулирования и наблюдения пучков релятивистских заряженных частиц и их взаимодействия со структурами ускорителей посредством электромагнитных полей .

Это также связано с другими областями:

• СВЧ-техника (для ускоряющих/отклоняющих конструкций радиочастотного диапазона ).
• Оптика с упором на геометрическую оптику (фокусировка и изгиб луча) и лазерную физику (взаимодействие лазерных частиц).
• Компьютерные технологии с упором на цифровую обработку сигналов ; например, для автоматического манипулирования пучком частиц.
• Физика плазмы , для описания интенсивных лучей.

Эксперименты, проводимые с ускорителями частиц, не рассматриваются как часть ускорительной физики, а относятся (в соответствии с целями экспериментов), например, к физике элементарных частиц , ядерной физике , физике конденсированного состояния или физике материалов . Типы экспериментов, проводимых на конкретной ускорительной установке, определяются характеристиками генерируемого пучка частиц, такими как средняя энергия, тип частиц, интенсивность и размеры.

Ускорение и взаимодействие частиц с ВЧ-структурами

См. также: Микроволновой резонатор , Шунтовый импеданс , Сверхпроводящая радиочастота и Взаимность (электромагнетизм).

Сверхпроводящий ниобиевый резонатор для ускорения ультрарелятивистских частиц из проекта TESLA

Хотя можно ускорять заряженные частицы с помощью электростатических полей, например, в умножителе напряжения Кокрофта-Уолтона , этот метод имеет ограничения, связанные с электрическим пробоем при высоких напряжениях. Кроме того, поскольку электростатические поля консервативны, максимальное напряжение ограничивает кинетическую энергию, применимую к частицам.

Чтобы обойти эту проблему, линейные ускорители частиц используют изменяющиеся во времени поля. Для управления этими полями используются полые макроскопические структуры, через которые проходят частицы (ограничения по длине волны), частота таких полей ускорения располагается в радиочастотной области электромагнитного спектра.

Пространство вокруг пучка частиц вакуумируется, чтобы предотвратить рассеяние на атомах газа, поэтому его необходимо поместить в вакуумную камеру (или пучковую трубу ). Из-за сильных электромагнитных полей , следующих за лучом, он может взаимодействовать с любым электрическим сопротивлением в стенках лучевой трубы. Он может иметь форму резистивного импеданса (т.е. конечного удельного сопротивления материала лучевой трубы) или индуктивного/емкостного импеданса (из-за геометрических изменений в поперечном сечении лучевой трубы).

Эти импедансы будут создавать кильватерные поля (сильное искажение электромагнитного поля луча), которые могут взаимодействовать с более поздними частицами. Поскольку это взаимодействие может иметь негативные последствия, оно изучается для определения его масштабов и любых действий, которые можно предпринять для его смягчения.

Динамика луча

См. также: Пучок частиц , Сильная фокусировка , Эмиттанс луча , Затухание излучения и Коллективные эффекты (физика ускорителей).

Из-за высокой скорости частиц и возникающей в результате силы Лоренца для магнитных полей регулировка направления луча в основном контролируется магнитостатическими полями, которые отклоняют частицы. В большинстве концепций ускорителей (за исключением компактных структур, таких как циклотрон или бетатрон ), они применяются с помощью специальных электромагнитов с различными свойствами и функциями. Важным шагом в развитии этих типов ускорителей стало понимание сильной фокусировки . Дипольные магниты используются для направления луча через структуру, квадрупольные магниты используются для фокусировки луча, а секступольные магниты используются для коррекции эффектов дисперсии .

Частица на точной расчетной траектории (или расчетной орбите ) ускорителя испытывает только дипольные компоненты поля, а частицы с поперечным отклонением положения $x(s)$ переориентируются на расчетную орбиту. Для предварительных расчетов в пренебрежении всеми компонентами поля выше квадрупольного используется неоднородное дифференциальное уравнение Хилла

${\frac {d^{2}}{ds^{2}}}\,x(s)+k(s)\,x(s)={\frac {1}{\rho }}\,{\frac {\Delta p}{p}}$

можно использовать как приближение, с

непостоянная фокусирующая сила $k(s)$ сильной фокусировки и слабой фокусировки , включая эффекты

относительное отклонение пучка от расчетного импульса $\Delta p/p$

траектории радиус кривизны $\rho$, и

длина расчетного пути $s$,

таким образом идентифицируя систему как параметрический осциллятор . Параметры пучка для ускорителя затем можно рассчитать с помощью анализа матрицы лучевого переноса ; например, квадруполярное поле аналогично линзе в геометрической оптике, имеющей аналогичные свойства в отношении фокусировки луча (но подчиняющейся теореме Ирншоу ).

Общие уравнения движения возникают из релятивистской гамильтоновой механики , почти во всех случаях использующей параксиальное приближение . Даже в случаях сильно нелинейных магнитных полей и без параксиального приближения преобразование Ли можно использовать для построения интегратора с высокой степенью точности.

Коды моделирования

См. также: Физические коды ускорителей и Geant4.

Существует множество различных пакетов программного обеспечения для моделирования различных аспектов физики ускорителей.Необходимо смоделировать элементы, создающие электрические и магнитные поля, а затем смоделировать эволюцию заряженных частиц внутри этих полей.

Лучевая диагностика

Важнейшим компонентом любого ускорителя являются диагностические устройства, позволяющие измерять различные свойства сгустков частиц.

Типичная машина может использовать множество различных типов измерительных устройств для измерения различных свойств. К ним относятся (но не ограничиваются ими) мониторы положения луча (BPM) для измерения положения пучка, экраны (флуоресцентные экраны, устройства оптического переходного излучения (OTR)) для отображения профиля пучка, проволочные сканеры для измерения его поперечное сечение, а также тороиды или ИКТ для измерения заряда сгустка (т. е. количества частиц в сгустке).

Хотя многие из этих устройств основаны на хорошо изученных технологиях, разработка устройства, способного измерять луч для конкретной машины, является сложной задачей, требующей большого опыта. Необходимо не только полное понимание физики работы устройства, но и необходимо убедиться в том, что устройство способно измерять ожидаемые параметры рассматриваемой машины.

Успех полного спектра лучевой диагностики часто лежит в основе успеха машины в целом.

Машинные допуски

В машинах такого масштаба неизбежны ошибки в центровке компонентов, напряженности поля и т. д., поэтому важно учитывать допуски, при которых машина может работать.

Инженеры предоставят физикам ожидаемые допуски для центровки и изготовления каждого компонента, чтобы обеспечить полное физическое моделирование ожидаемого поведения машины в этих условиях. Во многих случаях обнаруживается, что производительность снижается до неприемлемого уровня, что требует либо реинжиниринга компонентов, либо изобретения алгоритмов, которые позволяют «настроить» производительность машины обратно на проектный уровень.

Это может потребовать множества симуляций различных ошибок, чтобы определить относительный успех каждого алгоритма настройки и дать рекомендации по набору алгоритмов, которые будут развернуты на реальной машине.

См. также

• Ускоритель частиц
• Важные публикации по физике ускорителей.
• Категория:Физика ускорителей
• Категория:Физики-ускорители
• Категория:Ускорители частиц

Ссылки

• Шоппер, Хервиг Ф. (1993). Достижения ускорительной физики и технологий . Всемирная научная. ISBN  978-981-02-0957-5 . Проверено 9 марта 2012 г.
• Видеманн, Хельмут (2015). Физика ускорителей частиц . Тексты для аспирантов по физике. Чам: Международное издательство Springer. Бибкод : 2015pap..book.....W . дои : 10.1007/978-3-319-18317-6 . ISBN  978-3-319-18316-9 .
• Ли, Шых-Юань (2004). Физика ускорителей (2-е изд.). Всемирная научная . ISBN  978-981-256-200-5 .
• Чао, Алекс В.; Тигнер, Мори, ред. (2013). Справочник по физике и технике ускорителей (2-е изд.). Всемирная научная . дои : 10.1142/8543 . ISBN  978-981-4417-17-4 . S2CID   108427390 .
• Чао, Алекс В.; Чжоу, Вейрен (2014). Обзоры ускорительной науки и технологий Том 6 . Всемирная научная. дои : 10.1142/9079 . ISBN  978-981-4583-24-4 .
• Чао, Алекс В.; Чжоу, Вейрен (2013). Обзоры ускорительной науки и технологий Том 5 . Всемирная научная. дои : 10.1142/8721 . ISBN  978-981-4449-94-6 .
• Чао, Алекс В.; Чоу, Вейрен (2012). Обзоры ускорительной науки и технологий Том 4 . Всемирная научная. дои : 10.1142/8380 . ISBN  978-981-438-398-1 .

Внешние ссылки

• Школа ускорителей частиц США
• Сайт UCB/LBL по лучевой физике
• Страница BNL, посвященная концепции переменного градиента