Физика ускорителя

Физика ускорителя- это раздел прикладной физики, связанный с проектированием, сборкой и эксплуатацией ускорители частиц. Таким образом, это можно описать как исследование движения, манипулирования и наблюдения релятивистских пучков заряженных частиц и их взаимодействия со структурами ускорителя с помощью электромагнитных полей.

. также относится к другим областям:

• микроволновая техника (для структур ускорения / отклонения в радиочастотном диапазоне).
• оптика с акцентом на геометрическую оптику (фокусировка и изгиб луча) и лазерная физика (взаимодействие лазерных частиц).
• Компьютерные технологии с акцентом на цифровую обработку сигналов ; например, для автоматического управления пучком частиц.

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

Содержание

• 1 Ускорение и взаимодействие частиц с радиочастотными структурами
• 2 Динамика пучка
• 3 Коды моделирования
• 4 Диагностика пучка
• 5 Допуски станка
• 6 См. Также
• 7 Список литературы
• 8 Внешние ссылки

Ускорение и взаимодействие частиц с ВЧ структурами

Сверхпроводящий ниобий резонатор для ускорения ультрарелятивистских частиц из проекта TESLA

Пока он Возможно ускорение заряженных частиц с помощью электростатических полей, как в умножителе напряжения Кокрофта-Уолтона, этот метод имеет ограничения, заданные электрическим пробоем при высоких напряжениях. Кроме того, из-за того, что электростатические поля являются консервативными, максимальное напряжение ограничивает кинетическую энергию, которая применима к частицам.

Чтобы обойти эту проблему, линейные ускорители частиц работают с использованием полей, изменяющихся во времени. Для управления этими полями с помощью полых макроскопических структур, через которые проходят частицы (ограничения по длине волны), частота таких полей ускорения находится в радиочастотной области электромагнитного спектра.

Пространство вокруг пучка частиц вакуумируется, чтобы предотвратить рассеяние атомами газа, что требует помещения его в вакуумную камеру (или трубку пучка). Из-за сильных электромагнитных полей, которые следуют за лучом, он может взаимодействовать с любым электрическим импедансом в стенках лучевой трубы. Это может быть в форме резистивного импеданса (то есть конечного удельного сопротивления материала балочной трубы) или индуктивного / емкостного импеданса (из-за геометрических изменений поперечного сечения балочной трубы).

Эти импедансы будут вызывать кильватерные следы (сильное искривление электромагнитного поля луча), которые могут взаимодействовать с более поздними частицами. Поскольку это взаимодействие может иметь отрицательные последствия, оно изучается, чтобы определить его величину и любые действия, которые могут быть предприняты для его смягчения.

Динамика луча

Из-за высокой скорости частиц и результирующей силы Лоренца для магнитных полей регулировка направления луча в основном контролируется магнитостатические поля, отклоняющие 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 разработке этих типов ускорителей было понимание сильной фокусировки. Дипольные магниты используются для направления луча через структуру, в то время как 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 компоненты дипольного поля, в то время как частицы с поперечным отклонением положения $x\; (s)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; x\; (s)\}$перефокусированы на расчетную орбиту. Для предварительных расчетов, пренебрегая всеми компонентами поля выше квадрупольного, можно использовать неоднородное дифференциальное уравнение Хилла

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

можно использовать в качестве приближения с

непостоянной фокусирующей силой $k\; (s)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; k\; (s)\}$, включая сильную фокусировку и слабую фокусировку эффекты

относительное отклонение от проектного импульса луча $\Delta \; p\; /\; p\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; \backslash \; Delta\; p\; /\; p\}$

траектория радиус кривизны $\rho \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; \backslash \; rho\}$и

длина расчетного пути $s\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; scriptstyle\; s\}$,

, таким образом идентифицируя систему как параметрический генератор. Затем параметры пучка для ускорителя могут быть рассчитаны с использованием анализа матрицы передачи лучей ; Например, квадрупольное поле аналогично линзе в геометрической оптике, имеющей аналогичные свойства в отношении фокусировки луча (но подчиняющейся теореме Ирншоу ).

Общие уравнения движения происходят из релятивистской гамильтоновой механики, почти во всех случаях с использованием параксиального приближения. Даже в случаях сильно нелинейных магнитных полей и без параксиального приближения преобразование Ли может использоваться для построения интегратора с высокой степенью точности.

Коды моделирования

Существует множество различных пакетов программного обеспечения для моделирования различных аспектов физики ускорителей. Необходимо смоделировать элементы, создающие электрическое и магнитное поля, а затем смоделировать эволюцию заряженных частиц в этих полях. Популярным кодом для динамики пучка, разработанным CERN, является MAD, или Methodical Accelerator Design.

Beam Diagnostics

Жизненно важным компонентом любого ускорителя являются диагностические устройства, которые позволяют использовать различные свойства сгустков частиц, которые необходимо измерить.

Типичная машина может использовать много 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 с оптическим переходным излучением (OTR)) для отображения профиля пучка, проволочные сканеры для измерения его поперечное сечение, а также тороиды или ICT для измерения заряда сгустка (т. е. количества частиц в сгустке).

Хотя многие из этих устройств основаны на хорошо изученной технологии, проектирование устройства, способного измерять луч для конкретной машины, является сложной задачей, требующей большого опыта. Не только необходимо полное понимание физики работы устройства, но также необходимо убедиться, что устройство способно измерять ожидаемые параметры рассматриваемой машины.

Успех всего спектра лучевой диагностики часто является залогом успеха всей машины в целом.

Допуски станка

Ошибки в выравнивании компонентов, напряженности поля и т. Д. Неизбежны в машинах такого масштаба, поэтому важно учитывать допуски, с которыми машина может работать.

Инженеры предоставят физикам ожидаемые допуски на центровку и изготовление каждого компонента, чтобы обеспечить полное физическое моделирование ожидаемого поведения машины в этих условиях. Во многих случаях будет обнаружено, что производительность снижается до неприемлемого уровня, что требует либо переконструирования компонентов, либо изобретения алгоритмов, которые позволяют «настраивать» производительность машины обратно на проектный уровень.

Для этого может потребоваться много симуляций различных состояний ошибки, чтобы определить относительный успех каждого алгоритма настройки и дать возможность применять рекомендации по набору алгоритмов на реальной машине.

См. Также

• Физический портал

• Ускоритель элементарных частиц
• Важные публикации по физике ускорителей

Ссылки

• Schopper, Herwig F. (1993). Успехи ускорительной физики и технологий. World Scientific. ISBN 978-981-02-0957-5. Проверено 9 марта 2012 г.
• Видеманн, Гельмут (1995). Физика ускорителей элементарных частиц 2. Нелинейная динамика пучков и высших порядков. Springer. ISBN 978-0-387-57564-3. OCLC 174173289.
• Ли, Ших-Юань (2004). Ускорительная физика (2-е изд.). Мировой научный. ISBN 978-981-256-200-5.
• Chao, Alex W.; Тигнер, Мори, ред. (2013). Справочник по физике и технике ускорителей (2-е изд.). Мировой научный. DOI : 10.1142 / 8543. ISBN 978-981-4417-17-4.
• Chao, Alex W.; Чоу, Вэйрен (2014). Обзоры Accelerator Science and Technology Volume 6. World Scientific. DOI : 10.1142 / 9079. ISBN 978-981-4583-24-4.
• Chao, Alex W.; Чоу, Вэйрен (2013). Обзоры Accelerator Science and Technology Volume 5. World Scientific. DOI : 10.1142 / 8721. ISBN 978-981-4449-94-6.
• Chao, Alex W.; Чоу, Вэйрен (2012). Обзоры Accelerator Science and Technology Volume 4. World Scientific. DOI : 10.1142 / 8380. ISBN 978-981-438-398-1.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с физикой ускорителей .

• Сайт UCB / LBL Beam Physics
• Страница BNL в концепции чередующегося градиента