Введение
Физика, связанная с изучением, проектированием, строительством и эксплуатацией ускорителей частиц. Физика ускорителей – это отрасль прикладной физики, занимающаяся проектированием, строительством и эксплуатацией ускорителей частиц. Таким образом, её можно определить как изучение движения, управления и наблюдения за релятивистскими пучками заряженных частиц и их взаимодействия с элементами ускорителя посредством электромагнитных полей. Она также связана с другими областями: микроволновой инженерией (для структур ускорения/отклонения в радиочастотном диапазоне), оптикой с акцентом на геометрическую оптику (фокусировка и отклонение пучков) и физикой лазеров (взаимодействие частиц с лазерами), компьютерными технологиями с акцентом на цифровую обработку сигналов, например, для автоматизированного управления пучком частиц, и физикой плазмы для описания интенсивных пучков. Эксперименты, проводимые на ускорителях частиц, не относятся к физике ускорителей, а зависят от целей экспериментов и относятся, например, к физике частиц, ядерной физике, физике конденсированного состояния или физике материалов. Типы экспериментов, проводимых на конкретном ускорителе, определяются характеристиками генерируемого пучка частиц, такими как средняя энергия, тип частиц, интенсивность и размеры.
Accelerator physics is a branch of applied physics, concerned with designing, building and operating particle accelerators. As such, it can be described as the study of motion, manipulation and observation of relativistic charged particle beams and their interaction with accelerator structures by electromagnetic fields. It is also related to other fields:
Microwave engineering (for acceleration/deflection structures in the radio frequency range). Optics with an emphasis on geometrical optics (beam focusing and bending) and laser physics (laser particle interaction). Computer technology with an emphasis on digital signal processing; e. g., for automated manipulation of the particle beam. Plasma physics, for the description of intense beams. The experiments conducted with particle accelerators are not regarded as part of accelerator physics, but belong (according to the objectives of the experiments) to, e. g., particle physics, nuclear physics, condensed matter physics or materials physics. The types of experiments done at a particular accelerator facility are determined by characteristics of the generated particle beam such as average energy, particle type, intensity, and dimensions.
Ускорение и взаимодействие частиц с радиочастотными структурами
Хотя заряженные частицы можно ускорять с помощью электростатических полей, как, например, в умножителе напряжения Кокрофта-Уолтона, этот метод имеет ограничения, связанные с электрическим пробоем при высоких напряжениях. Более того, из-за консервативности электростатических полей, максимальное напряжение ограничивает приложимую к частицам кинетическую энергию. Чтобы обойти эту проблему, линейные ускорители частиц работают с использованием изменяющихся во времени полей. Для управления этими полями используются полые макроскопические структуры, через которые проходят частицы (с учетом ограничений по длине волны), а частота ускоряющих полей находится в радиочастотном диапазоне электромагнитного спектра. Пространство вокруг пучка частиц откачивается для предотвращения рассеяния на атомах газа, что требует размещения его в вакуумной камере (или пучкопроводе). Из-за сильных электромагнитных полей, следующих за пучком, возможно взаимодействие с любым электрическим импедансом в стенках пучкопровода. Этот импеданс может быть резистивным (то есть обусловленным конечным сопротивлением материала пучкопровода) или индуктивным/емкостным (из-за геометрических изменений поперечного сечения пучкопровода). Эти импедансы вызывают поля наведенного излучения (сильное искажение электромагнитного поля пучка), которые могут взаимодействовать с последующими частицами. Поскольку такое взаимодействие может иметь неблагоприятные последствия, оно изучается для определения его величины и выработки мер по его уменьшению.
Коды моделирования
Существует множество различных программных пакетов для моделирования различных аспектов физики ускорителей. Необходимо моделировать элементы, создающие электрические и магнитные поля, а затем моделировать эволюцию заряженных частиц в этих полях. Популярная программа для динамики пучка, разработанная в CERN, – MAD, или Methodical Accelerator Design (Методическое проектирование ускорителей).
Диагностика лучей
Важным компонентом любого ускорителя являются диагностические устройства, позволяющие измерять различные характеристики пучков частиц. Типичная установка может использовать множество различных типов измерительных приборов для определения разных характеристик. К ним относятся (но не ограничиваются) мониторы положения пучка (BPM) для измерения его положения, экраны (люминесцентные экраны, устройства оптического переходного излучения (OTR)) для визуализации профиля пучка, проволочные сканеры для измерения его поперечного сечения, а также тороиды или ИКТ для измерения заряда пучка (то есть количества частиц в пучке). Хотя многие из этих устройств основаны на хорошо изученных технологиях, разработка устройства, способного измерять пучок для конкретной установки, является сложной задачей, требующей высокой квалификации. Необходимо не только глубокое понимание физики работы устройства, но и обеспечение его способности измерять ожидаемые параметры рассматриваемой установки. Успех всей системы диагностики часто является определяющим фактором успеха ускорителя в целом.
Допустимые отклонения машины
Ошибки в выравнивании компонентов, напряженности поля и т.п. неизбежны в машинах такого масштаба, поэтому важно учитывать допустимые отклонения, в пределах которых машина может функционировать. Инженеры предоставят физикам ожидаемые допуски на выравнивание и изготовление каждого компонента, чтобы обеспечить проведение полноценного физического моделирования ожидаемого поведения машины в этих условиях. Во многих случаях будет обнаружено, что производительность снижается до недопустимого уровня, что потребует либо переработки конструкции компонентов, либо разработки алгоритмов, позволяющих "настроить" производительность машины до проектных значений. Для определения относительной эффективности каждого алгоритма настройки и выработки рекомендаций по набору алгоритмов для внедрения на реальной машине может потребоваться проведение множества симуляций различных сценариев возникновения ошибок.