Внутрилучевое рассеяние ( IBS ) - это эффект в физике ускорителей, где столкновения между частицами влияют на эмиттанс пучка во всех трех измерениях. Обычно это приводит к увеличению размера пучка. В ускорителях протонов внутрилучевое рассеяние приводит к медленному росту пучка в течение нескольких часов. Это ограничивает время жизни светимости . В круговых лептонных ускорителях внутрилучевому рассеянию противодействуют радиационное затухание , что приводит к новому равновесному эмиттансу пучка со временем релаксации порядка миллисекунд. Внутрилучевое рассеяние создает обратную зависимость между малостью луча и количеством содержащихся в нем частиц, тем самым ограничивая светимость..
Два основных метода расчета эффектов внутрилучевого рассеяния были выполнены Антоном Пивински в 1974 г. и Джеймсом Бьоркеном и Секази Мтингва в 1983 г. Формулировка Бьоркена-Мтингва считается наиболее общим решением. Оба эти метода требуют больших вычислительных ресурсов. Было сделано несколько приближений этих методов, которые легче оценить, но они менее общие. Эти приближения суммированы в формулах внутрилучевого рассеяния для пучков высоких энергий К. Кубо и др.
Скорости внутрилучевого рассеяния имеют зависимость. Это означает, что его эффекты ослабевают с увеличением энергии пучка. Другими способами смягчения эффектов СРК являются использование вигглеров и снижение интенсивности луча. Скорости поперечного внутрилучевого рассеяния чувствительны к дисперсии.
Внутрипучковое рассеяние тесно связано с эффектом Тушека . Эффект Тушека - это время жизни, основанное на внутрилучевых столкновениях, в результате которых обе частицы выбрасываются из луча. Внутрилучевое рассеяние - это время нарастания, основанное на внутрилучевых столкновениях, которые приводят к импульсной связи.
Формулировка Бьоркена-Мтингва
Скорость роста бетатрона для внутрилучевого рассеяния определяется как,
- ,
- ,
- .
Следующее является общим для всех пучков сгруппированных балок.
- ,
где , , а также - импульсный разброс, по горизонтали и вертикали - времена роста бетатрона. Угловые скобки <...> указывают на то, что интеграл усредняется по кольцу.
Определения:
- - классический радиус частицы
- это скорость света
- количество частиц в сгустке
- скорость, деленная на скорость света
- это энергия деленная на массу
- а также - бетатронная функция и ее производная соответственно
- а также - дисперсионная функция и ее производная соответственно
- это эмиттанс
- длина пучка
- это импульсный разброс
- а также - минимальный и максимальный ударные параметры. Минимальный прицельный параметр - это наименьшее расстояние сближения двух частиц при столкновении. Максимальный прицельный параметр - это наибольшее расстояние между двумя частицами, траектории которых не меняются в результате столкновения. За максимальный прицельный параметр следует брать минимальный размер пучка. См. [1] [2] для анализа кулоновского журнала и подтверждения этого результата.
- - минимальный угол рассеяния.
Правило сумм равновесия и темпов роста
IBS можно рассматривать как процесс, в котором различные «температуры» пытаются уравновеситься. Темпы роста были бы нулевыми, если бы
что фактор происходит от преобразования Лоренца. Из этого уравнения мы видим, что из-за факторапродольное, как правило, намного «холоднее», чем поперечное. Таким образом, мы обычно получаем рост в продольном направлении и сжатие в поперечном направлении.
Можно также выразить сохранение энергии в IBS через инвариант Пивинского
где . Выше перехода, только с IBS, это означает, что равновесия нет. Однако в случае радиационного затухания и диффузии равновесие, безусловно, существует. Эффект IBS заключается в изменении равновесных значений эмиттансов.
Включение сцепления
В случае связанного пучка необходимо учитывать эволюцию связанных эмиттансов. Темпы роста обобщены до
Измерение и сравнение с теорией
Внутрилучевое рассеяние является важным эффектом в предлагаемых источниках света «окончательного накопителя» и лептонных демпфирующих кольцах для Международного линейного коллайдера (ILC) и компактного линейного коллайдера (CLIC). Экспериментальные исследования, направленные на понимание внутрилучевого рассеяния в лучах, подобных тем, которые используются в этих типах машин, были проведены в KEK, [3] CesrTA, [4] и в других местах.
Рекомендации
- A. Piwinski, in Proceedings of the 9th International Conference on High Energy Accelerators, Stanford, CA, 1974 (SLAC, Stanford, 1974), p. 405
- Дж. Бьоркен и С. Мтингва, Part. Accel. 13 , 115 (1983).
- К. Кубо и др. , Phys. Преподобный ST Accel. Балки 8 , 081001 (2005).
- ^ B. Nash et al. , «Новый анализ внутрилучевого рассеяния», Conf.Proc. C030512 (2003) 126, http://inspirehep.net/record/623294
- ^ http://www.slac.stanford.edu/pubs/slacreports/slac-r-820.html
- ^ ККА Бэйн, Х. Hayano, К. Кубо, Т. Найт, Т. Okugi и Дж Urakawa Phys. Преподобный ST Accel. Луч 5, 084403 (2002). http://prst-ab.aps.org/abstract/PRSTAB/v5/i8/e084403
- ^ MP Ehrlichman и др., Phys. Преподобный ST Accel. Луч 16, 104401 (2013). http://prst-ab.aps.org/abstract/PRSTAB/v16/i10/e104401