WikiDer > Кольцо для хранения

Storage ring
Накопительное кольцо диаметром 216 м доминирует в этом образе интерьера Австралийский синхротрон объект. В середине накопительного кольца находится усилительное кольцо и линейный ускоритель

А кольцо для хранения это тип круговой ускоритель частиц в котором непрерывный или импульсный пучок частиц обычно может оставаться в обращении в течение многих часов. Хранение конкретного частица зависит от масса, импульс и обычно плата частицы, подлежащей хранению. Кольца хранения чаще всего хранят электроны, позитроны, или протоны.

Накопительные кольца чаще всего используются для хранения излучающих электронов. синхротронное излучение. Существует более 50 установок на основе электронных накопителей, которые используются для различных исследований в области химии и биологии. Накопители также могут быть использованы для получения поляризованных пучков электронов высокой энергии через Эффект Соколова-Тернова. Самым известным применением накопительных колец является их использование в ускорители частиц И в коллайдеры частиц, где два вращающихся в противоположных направлениях пучка хранимых частиц сталкиваются в отдельных местах. Результирующий субатомный взаимодействия затем изучаются в окружении детектор частиц. Примеры таких объектов: LHC, LEP, PEP-II, KEKB, RHIC, Теватрон и ГЕРА.

Накопительное кольцо - это разновидность синхротрон. В то время как обычный синхротрон служит для ускорения частиц от состояния с низкой энергией до состояния с высокой энергией с помощью ускоряющих радиочастотных резонаторов, накопительное кольцо сохраняет частицы с постоянной энергией, а радиочастотные резонаторы используются только для восполнения потери энергии через синхротрон. радиация и другие процессы.

Джерард К. О'Нил предложили использовать накопительные кольца в качестве строительных блоков для коллайдер в 1956. Ключевым преимуществом накопительных колец в этом контексте является то, что накопительное кольцо может накапливать высокий поток пучка от ускорителя впрыска, который обеспечивает гораздо более низкий магнитный поток.[1]

Важные соображения по хранению пучков частиц

Магниты

Различные типы магниты используется в накопительном кольце Австралийский синхротрон. Более крупный желтый - это дипольный магнит используется для изгиба электронного луча и создания синхротронное излучение. Зеленый - это секступольный магнит а красный (за диполем) - квадрупольный магнит которые используются для фокусировки и для поддержания цветности соответственно.

Сила должна быть приложена к частицам таким образом, чтобы они были вынуждены двигаться приблизительно по круговой траектории. Это может быть выполнено с использованием дипольного электростатического или дипольного магнитного поля, но поскольку большинство накопительных колец хранят релятивистский заряженных частиц, оказывается, наиболее практично использовать магнитные поля, создаваемые дипольные магниты. Однако электростатические ускорители были построены для хранения частиц очень низкой энергии, а квадрупольные поля могут использоваться для хранения (незаряженных) нейтроны; однако они сравнительно редки.

Только дипольные магниты обеспечивают только то, что называется слабая фокусировка, а накопительное кольцо, состоящее только из таких магнитных элементов, приводит к получению частиц, имеющих относительно большой размер пучка. Перемежающиеся дипольные магниты с соответствующим расположением квадруполь и секступольные магниты может дать подходящий сильная фокусировка система, которая может дать гораздо меньший размер луча. В FODO и Решетка Часмана-Грина Структуры являются простыми примерами систем сильной фокусировки, но есть и многие другие.

Дипольные и квадрупольные магниты отклоняют частицы с разной энергией на разную величину, это свойство называется цветность по аналогии с физическим оптика. Таким образом, разброс энергий, который по своей природе присутствует в любом практически сохраненном пучке частиц, приведет к разбросу поперечной и продольной фокусировки, а также к различным нестабильностям пучка частиц. Секступольные магниты (и магниты более высокого порядка) используются для коррекции этого явления, но это, в свою очередь, приводит к нелинейный движение, что является одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками накопителей.

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 столкновений. Это приведет к увеличению размера сгустка и увеличению разброса энергии. Поэтому лучше вакуум дает лучшую динамику луча. Кроме того, единичные события рассеяния на большие углы либо от остаточного газа, либо от других частиц в сгустке (Эффект Тушека), могут выбрасывать частицы на достаточно большое расстояние, чтобы они терялись на стенках вакуумной камеры ускорителя. Эта постепенная потеря частиц называется сроком службы пучка и означает, что в накопительные кольца необходимо периодически вводить новый набор частиц.

Ввод частиц и время

Инжекция частиц в накопительное кольцо может осуществляться несколькими способами в зависимости от применения накопительного кольца. В простейшем методе используется один или несколько импульсных отклоняющих дипольных магнитов (магниты кикера впрыска) направить входящий поток частиц на сохраненный путь луча; магниты кикера выключаются до того, как сохраненный поезд вернется в точку инжекции, в результате чего получится сохраненный луч. Этот метод иногда называют однооборотным впрыском.

Многовитковая инжекция позволяет накапливать множество поступающих последовательностей частиц, например, если требуется большой накопленный ток. Для частиц, таких как протоны, где отсутствует значительное затухание пучка, каждый введенный импульс помещается в конкретную точку сохраненного пучка, поперечного или продольного. фазовое пространство, заботясь о том, чтобы не выбросить ранее введенные поезда, используя тщательную организацию отклонения пучка и когерентных колебаний в сохраненном пучке. Если имеется значительное затухание луча, например радиационное затухание электронов за счет синхротронное излучение, то введенный импульс может быть помещен на край фазового пространства и затем оставлен 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 извлечение частиц (например, в цепочке ускорителей), то однооборотное извлечение может выполняться аналогично инжекции. Также может использоваться резонансная экстракция.

Лучевая динамика

Частицы должны храниться на очень большом количестве витков, потенциально превышающем 10 миллиардов. Эта долгосрочная стабильность является сложной задачей, и необходимо сочетать конструкцию магнита с кодами отслеживания.[2] и аналитические инструменты для понимания и оптимизации долгосрочной стабильности.

В случае электронных накопительных колец радиационное затухание облегчает проблему устойчивости, обеспечивая негамильтоново движение, возвращающее электроны на расчетную орбиту с порядком тысяч оборотов. Вместе с диффузией за счет флуктуаций энергии излучаемых фотонов достигается равновесное распределение пучка. Можно посмотреть на[3] для получения дополнительных сведений по некоторым из этих тем.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ О'Нил, Джерард К. (1956). "Синхротрон с накопительным кольцом: прибор для исследования физики высоких энергий" (PDF). Физический обзор. 102 (5): 1418–1419. Bibcode:1956ПхРв..102.1418О. Дои:10.1103 / Physrev.102.1418. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-03-06.
  2. ^ см., например, Панель инструментов ускорителя В архиве 2013-12-03 в Wayback Machine
  3. ^ Пески, Мэтью (1970). "Физика электронных накопителей: введение".