Fizyka akceleratora - Accelerator physics

Fizyka akceleratorów to dział fizyki stosowanej , zajmujący się projektowaniem, budową i obsługą akceleratorów cząstek . Jako taki można go opisać jako badanie ruchu, manipulacji i obserwacji relatywistycznych wiązek cząstek naładowanych oraz ich interakcji ze strukturami akceleratora za pomocą pól elektromagnetycznych .

Wiąże się to również z innymi dziedzinami:

• Inżynieria mikrofalowa (dla struktur przyspieszających/odginających w zakresie częstotliwości radiowych ).
• Optyka ze szczególnym uwzględnieniem optyki geometrycznej (ogniskowanie i zginanie wiązki) oraz fizyki lasera (interakcja laser-cząstka).
• Technika komputerowa z naciskiem na cyfrowe przetwarzanie sygnałów ; np. do automatycznej manipulacji wiązką cząstek.

Eksperymenty przeprowadzone z akceleratorów cząstek nie jest uważana za część fizyki akceleratora, ale należą (zgodnie z celami doświadczeń) dla, na przykład, fizyki cząstek , fizyki jądrowej , fizyki materii skondensowanej lub fizycznych materiałów . Rodzaje eksperymentów przeprowadzanych w konkretnym obiekcie akceleratora są określane przez charakterystykę generowanej wiązki cząstek, takie jak średnia energia, typ cząstki, intensywność i wymiary.

Przyspieszenie i oddziaływanie cząstek ze strukturami RF

Nadprzewodząca wnęka niobu do przyspieszania ultrarelatywistycznych cząstek z projektu TESLA

Chociaż możliwe jest przyspieszanie naładowanych cząstek za pomocą pól elektrostatycznych, jak w mnożniku napięcia Cockcrofta-Waltona , metoda ta ma ograniczenia wynikające z przebicia elektrycznego przy wysokich napięciach. Ponadto, ze względu na konserwatywne pola elektrostatyczne, maksymalne napięcie ogranicza energię kinetyczną, która ma zastosowanie do cząstek.

Aby obejść ten problem, liniowe akceleratory cząstek działają z wykorzystaniem pól zmiennych w czasie. Aby kontrolować te pola za pomocą pustych struktur makroskopowych, przez które przechodzą cząstki (ograniczenia długości fali), częstotliwość takich pól przyspieszenia znajduje się w obszarze częstotliwości radiowych widma elektromagnetycznego.

Przestrzeń wokół wiązki cząstek jest opróżniana, aby zapobiec rozpraszaniu przez atomy gazu, co wymaga zamknięcia w komorze próżniowej (lub rurze wiązki ). Ze względu na silne pola elektromagnetyczne, które podążają za wiązką, możliwe jest jej oddziaływanie z dowolną impedancją elektryczną w ściankach rury wiązki. Może to mieć postać impedancji rezystancyjnej (tj. skończonej rezystywności materiału rury belki) lub impedancji indukcyjnej/pojemnościowej (z powodu zmian geometrycznych przekroju poprzecznego belki).

Impedancje te będą indukować pola czuwania (silne wypaczenie pola elektromagnetycznego wiązki), które mogą oddziaływać z późniejszymi cząstkami. Ponieważ ta interakcja może mieć negatywne skutki, bada się ją w celu określenia jej wielkości i wszelkich działań, które można podjąć w celu jej złagodzenia.

Dynamika wiązki

Ze względu na dużą prędkość cząstek i wynikającą z niej siłę Lorentza dla pól magnetycznych, korekty kierunku wiązki są głównie kontrolowane przez pola magnetostatyczne, które odchylają cząstki. W większości koncepcji akceleratorów (z wyjątkiem struktur kompaktowych, takich jak cyklotron czy betatron ), są one stosowane przez dedykowane elektromagnesy o różnych właściwościach i funkcjach. Ważnym krokiem w rozwoju tego typu akceleratorów było zrozumienie silnej koncentracji . Magnesy dipolowe służą do prowadzenia wiązki przez konstrukcję, magnesy kwadrupolowe do ogniskowania wiązki, a magnesy sześciopolowe do korekcji efektów dyspersji .

Cząstka na dokładnej trajektorii projektowej (lub orbicie projektowej ) akceleratora doświadcza jedynie składowych pola dipolowego, podczas gdy cząstki z odchyleniem pozycji poprzecznej są ponownie skupiane na orbicie projektowej. Dla wstępnych obliczeń, pomijając wszystkie składowe pól wyższe niż kwadrupolowe, niejednorodne równanie różniczkowe Hilla${\displaystyle \scriptstyle x(s)}$

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

może być używany jako przybliżenie, z

niestała siła skupienia , w tym silne i słabe efekty skupienia;${\displaystyle \scriptstyle k(s)}$

względne odchylenie od projektowanego impulsu wiązki ${\ Displaystyle \ scriptstyle \ Delta p/p}$

promień trajektorii krzywizny , oraz${\displaystyle \scriptstyle \rho}$

długość ścieżki projektowej ,${\displaystyle \scriptstyle s}$

identyfikując w ten sposób system jako oscylator parametryczny . Parametry wiązki dla akceleratora można następnie obliczyć za pomocą analizy macierzy transferu promieni ; np. pole kwadrupolowe jest analogiczne do soczewki w optyce geometrycznej, ma podobne właściwości dotyczące ogniskowania wiązki (ale zgodne z twierdzeniem Earnshawa ).

Ogólne równania ruchu wywodzą się z relatywistycznej mechaniki hamiltonowskiej , prawie we wszystkich przypadkach przy użyciu przybliżenia paraosiowego . Nawet w przypadku silnie nieliniowych pól magnetycznych i bez aproksymacji przyosiowej, transformata Liego może być wykorzystana do skonstruowania integratora o wysokim stopniu dokładności.

Kody modelowania

Dostępnych jest wiele różnych pakietów oprogramowania do modelowania różnych aspektów fizyki akceleratorów. Należy modelować pierwiastki, które wytwarzają pola elektryczne i magnetyczne, a następnie modelować ewolucję cząstek naładowanych w tych polach. Popularnym kodem dynamiki belek zaprojektowanym przez CERN jest MAD, czyli Methodical Accelerator Design .

Diagnostyka wiązki

Istotnym elementem każdego akceleratora są urządzenia diagnostyczne umożliwiające pomiar różnych właściwości wiązek cząstek.

Typowa maszyna może wykorzystywać wiele różnych typów urządzeń pomiarowych w celu pomiaru różnych właściwości. Obejmują one (ale nie ograniczają się do) monitory położenia wiązki (BPM) do pomiaru położenia wiązki, ekrany (ekrany fluorescencyjne, urządzenia do optycznego promieniowania przejścia (OTR)) do obrazowania profilu wiązki, skanery przewodowe do pomiaru jej przekroju i toroidów lub ICT do pomiaru ładunku pęczka (tj. liczby cząstek na pęczek).

Podczas gdy wiele z tych urządzeń opiera się na dobrze poznanej technologii, zaprojektowanie urządzenia zdolnego do pomiaru wiązki dla konkretnej maszyny jest złożonym zadaniem wymagającym dużej wiedzy. Konieczne jest nie tylko pełne zrozumienie fizyki działania urządzenia, ale także upewnienie się, że urządzenie jest w stanie mierzyć oczekiwane parametry rozważanej maszyny.

Powodzenie pełnego zakresu diagnostyki wiązek często stanowi podstawę sukcesu całej maszyny.

Tolerancje maszynowe

Błędy w ustawieniu elementów, natężenia pola itp. są nieuniknione w maszynach tej skali, dlatego ważne jest, aby wziąć pod uwagę tolerancje, w których maszyna może pracować.

Inżynierowie dostarczą fizykom oczekiwane tolerancje dla wyrównania i produkcji każdego komponentu, aby umożliwić pełne symulacje fizyczne oczekiwanego zachowania maszyny w tych warunkach. W wielu przypadkach okaże się, że wydajność spada do niedopuszczalnego poziomu, co wymaga albo przeprojektowania komponentów, albo wynalezienia algorytmów, które pozwolą na „dostrojenie” wydajności maszyny z powrotem do poziomu projektowego.

Może to wymagać wielu symulacji różnych warunków błędów w celu określenia względnego sukcesu każdego algorytmu strojenia i umożliwienia zaleceń dotyczących zbioru algorytmów, które mają być zastosowane na prawdziwej maszynie.

Zobacz też

• Akcelerator cząsteczek
• Znaczące publikacje dotyczące fizyki akceleratorowej
• Kategoria:Fizyka akceleratorów
• Kategoria: Fizycy akceleratorów
• Kategoria: Akceleratory cząstek

Bibliografia

• Schopper, Herwig F. (1993). Postępy fizyki i technologii akceleratorów . Światowy Naukowy. Numer ISBN 978-981-02-0957-5. Źródło 9 marca 2012 .
• Wiedemann, Helmut (1995). Fizyka akceleratorów cząstek 2. Dynamika wiązki nieliniowa i wyższego rzędu . Skoczek. Numer ISBN 978-0-387-57564-3. OCLC  174173289 .
• Lee, Shyh-Juan (2004). Fizyka akceleratora (wyd. 2). Światowy Naukowy . Numer ISBN 978-981-256-200-5.
• Chao, Alex W.; Tigner, Maury, wyd. (2013). Podręcznik fizyki i inżynierii akceleratorowej (wyd. 2). Światowy Naukowy . doi : 10.1142/8543 . Numer ISBN 978-981-4417-17-4.
• Chao, Alex W.; Chou, Weiren (2014). Recenzje Akceleratora Nauki i Technologii Tom 6 . Światowy Naukowy. doi : 10.1142/9079 . Numer ISBN 978-981-4583-24-4.
• Chao, Alex W.; Chou, Weiren (2013). Recenzje Akceleratora Nauki i Technologii Tom 5 . Światowy Naukowy. doi : 10.1142/8721 . Numer ISBN 978-981-4449-94-6.
• Chao, Alex W.; Chou, Weiren (2012). Recenzje Akceleratora Nauki i Technologii Tom 4 . Światowy Naukowy. doi : 10.1142/8380 . Numer ISBN 978-981-438-398-1.

Linki zewnętrzne

• Strona UCB/LBL Fizyka wiązki Be
• Strona BNL na temat koncepcji naprzemiennego gradientu