Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Стохастическое охлаждение - это форма охлаждения пучка частиц . Он используется в некоторых ускорителях частиц и накопительных кольцах для управления излучательной способностью пучков частиц в машине. В этом процессе используются электрические сигналы, которые отдельные заряженные частицы генерируют в контуре обратной связи, чтобы уменьшить тенденцию отдельных частиц удаляться от других частиц в луче. Правильно думать об этом как об адиабатическом охлаждении или снижении энтропии , во многом так же, как в холодильнике или кондиционере. охлаждает его содержимое.

Методика была изобретена и применена на пересекающихся накопительных колец , [1] , а затем и протонный суперсинхротрон (СПС), в ЦЕРН в Женеве, Швейцария от Симона ван дер Меер , [2] физик из Нидерландов . Он использовался для сбора и охлаждения антипротонов - эти частицы были введены в протон-антипротонный коллайдер , модификацию SPS, с протонами, вращающимися в противоположных направлениях, и столкнулись в эксперименте по физике элементарных частиц . За эту работу ван дер Меер был удостоен наградыНобелевская премия по физике в 1984 году. Он разделил эту премию с Карло Руббиа из Италии , который предложил протон-антипротонный коллайдер . Этот эксперимент обнаружил бозоны W и Z , фундаментальные частицы, несущие слабую ядерную силу .

Национальная ускорительная лаборатория Ферми продолжает использовать стохастическое охлаждение в своем источнике антипротонов. Накопленные антипротоны используются в Тэватроне для столкновения с протонами для создания столкновений в CDF и эксперименте D0 .

Была предпринята попытка стохастического охлаждения в Тэватроне в Фермилабе, но она не увенчалась успехом. Впоследствии оборудование было передано в Брукхейвенскую национальную лабораторию , где оно успешно использовалось в системе продольного охлаждения в RHIC , которая эксплуатировалась с 2006 года. С 2012 года RHIC использует стохастическое 3D-охлаждение, то есть охлаждение в горизонтальной, вертикальной и продольной плоскостях.

Технические детали [ править ]

Стохастическое охлаждение использует электрические сигналы, создаваемые отдельными частицами в группе частиц (называемой «связкой» частиц), чтобы приводить в действие электромагнитное устройство, обычно электрический кикер, который толкает группу частиц, чтобы уменьшить своенравный импульс. эта одна частица. Эти отдельные удары применяются непрерывно и в течение продолжительного времени, средняя тенденция частиц иметь отклоняющийся импульс уменьшается. Это время охлаждения составляет от секунды до нескольких минут, в зависимости от требуемой глубины охлаждения.

Стохастическое охлаждение используется для уменьшения поперечного разброса импульса внутри сгустка заряженных частиц в накопительном кольце путем обнаружения флуктуаций импульса сгустков и применения коррекции («управляющий импульс» или «толчок»). Это приложение отрицательной обратной связи . Это известно как «охлаждение», поскольку можно представить, что сгусток содержит внутреннюю температуру. Если бы средний импульс сгустка был вычтен из импульса каждой частицы, то казалось бы, что заряженные частицы движутся беспорядочно, как молекулы в газе. Чем сильнее движение, тем «горячее» сгусток - опять же, как и молекулы в газе.

Заряженные частицы перемещаются сгустками в потенциальных ямах, и колебания центра масс каждого сгустка легко подавляются с помощью стандартных радиочастотных методов. Однако это затухание не влияет на внутренний импульс каждого сгустка. Ключом к стохастическому охлаждению является обращение к отдельным частицам в каждом сгустке с помощью электромагнитного излучения.

Пучки проходят через широкополосный оптический сканер, который определяет положение отдельных частиц. В синхротроне поперечное движение частиц легко подавляется синхротронным излучением , которое имеет короткую длину импульса и широкую полосу пропускания, но продольное движение может быть увеличено только с помощью простых устройств (см., Например, лазер на свободных электронах ). Для достижения охлаждения информация о положении возвращается в сгустки частиц (с использованием, например, быстрого кикерного магнита), создавая петлю отрицательной обратной связи.

  • Микроструктура ответвителя.
    • Клистронная полость
    • Для поперечного охлаждения используются те же устройства, что и в осциллографе или в камере Streak.
    • направленные ответвители , которые объединяют измерения и регулировку рулевого управления (в этом контексте часто называемые ударными) в одном устройстве. Связанная энергия увеличивается пропорционально квадрату длины структуры из-за повторного приложения поля к частице. Частицы движутся близко, но не совсем со скоростью света, поэтому необходимы устройства, замедляющие свет.
      • лампа бегущей волны
      • ондулятор
      • Для поперечного охлаждения можно использовать несколько рулевых пластин и катушек, соединенных в линию задержки.
  • Макроструктура пикапа. Связанная энергия увеличивается линейно с длиной конструкции.
    • Черенковское излучение . Сигналы от нескольких элементов микроструктуры суммируются перед подачей на усилитель, что снижает шум.
    • Используются несколько устройств, настроенных (узкая полоса = низкий уровень шума) на разные частоты, так что можно покрыть около 20 ГГц.

Сгустки фокусируются через небольшое отверстие между электродной структурой, так что устройства имеют доступ к ближнему полю излучения. Кроме того, измеряется ток, падающий на электрод, и на основе этой информации электроды центрируются на пучке и перемещаются вместе, в то время как пучки охлаждаются и становятся меньше.

Слово «стохастический» в названии происходит от того факта, что обычно только некоторые частицы могут быть однозначно рассмотрены одновременно. Вместо этого внутри каждого сгустка обращаются к небольшим группам частиц, и корректировка или толчок применяется к среднему импульсу каждой группы. Таким образом, их нельзя охладить сразу, вместо этого требуется несколько шагов. Чем меньше группа частиц, которая может быть обнаружена и скорректирована сразу (что требует более широкой полосы пропускания), тем быстрее охлаждение.

Поскольку частицы в накопительном кольце движутся почти со скоростью света, контур обратной связи, как правило, должен ждать, пока сгусток не вернется, чтобы внести поправку. Детектор и кикер могут быть размещены в разных местах на кольце с соответствующим образом выбранными задержками, чтобы соответствовать собственным частотам кольца.

Охлаждение более эффективно для длинных сгустков, так как расстояние между частицами больше. Оптимально сгустки как можно короче в ускорителях кольца и как можно длиннее в охладителях. Устройства , которые делают это интуитивно называют подрамником , компрессором , или пакетирующим, debuncher . (Ссылки указывают на эквивалентные устройства для световых импульсов, поэтому обратите внимание, что призмы в ссылке функционально заменены дипольными магнитами в ускорителе частиц.)

В низкоэнергетических кольцах сгустки могут перекрываться только что созданными и, таким образом, охлажденными (1000 K) электронными сгустками из линейного ускорителя . Это прямое соединение с ванной с более низкой температурой, которая также охлаждает луч. Впоследствии электроны также могут быть проанализированы и применено стохастическое охлаждение.

См. Также [ править ]

  • Электронное охлаждение

Ссылки [ править ]

  1. ^ Джон Марринер (2003-08-11), "Обзор стохастического охлаждения", Nuclear Instruments and Methods A , 532 (1-2): 11-18, arXiv : Physics.acc-ph / 0308044 , Bibcode : 2004NIMPA.532. ..11M , DOI : 10.1016 / j.nima.2004.06.025
  2. ↑ Саймон ван дер Меер, лауреат Нобелевской премии, умер в возрасте 85 лет, газета New York Times, 12 марта 2011 г.