Физика на забрзувачи

Физиката за акцелераторите е гранка на применетата физика, што се занимаваат со проектирање, изградба и работа со акцелераторските честички. Како таква, таа може да се опише како студија на движење, манипулација и набљудување на релативистичките греди-цестички и нивната интеракција со акцелераторската структура од страна на електромагнетни полиња.

 исто така поврзана со други области:

• Микробраново инженерство (за забрзување/девијациски структури во радиочестотен опсег).
• Оптика со акцент на геометриска оптика (зрак, фокусирање и виткање) и ласерска физика  (интеракција на laser-честички).
• Сметачната технологија, со акцент на дигиталната обработка на сигналот; на пр, за автоматизирано манипулирање на зрак од честички.

Експериментите спроведени со акцелераторски  честички не се сметаат како дел од акцелераторската физика, но припаѓаат (според целите на експерименти) во на пример, физика на честички , јадрена физика, физика на кондензирана материја или материјална физика. Вакви Видови на експерименти направени во одреден акцелераторски објект се утврдуваат со одлики на создадениот зрак од честички , како што се просечна енергија, честички вид, интензитет, и димензии.

Забрзување и интеракција на честички со антенски структури

Superconducting niobium празнина за забрзување на ултрарелативистички честички од ТЕСЛА проектот

Иако е можно да се забрзаат наелектризирани честички користење на електростатички полиња, како во Cockcroft-Walton напонски мултипликатор, овој метод има граници дадени од страна на електричниот дефект на висок напон. Понатаму, електростатички полиња се конзервативни, се должат на максималната граница на напон на кинетичката енергија која се однесува на честичките.

Да се заобиколи овој проблем, линеарните акцелераторски честички функционираат користејќи време-различни полиња. Да ги контролираат оваа полиња со користење на шупливи микроскопски структури преку кои поминуваат честичките (бранова должина), зачестеноста на ваквите акцелераторски полиња се наоѓа во радиочестотниот регион на електромагнетниот спектар.

Просторот околу зракот честички се евакуира да се спречи расфрлање со гас атоми, тоа бара да биде затворен во вакуум комората (или зрак цевка). Поради силни електромагнетни полиња кои го следат зракот, можно е тој да е во интеракција  со електричната отпорност во ѕидовите на зрак цевка. Ова може да биде во форма на резистивна отпорност (односно, на конечен разистивен зрак-цевка материјал) или индуктивни/капацитивни отпори (поради геометриски промени во зрак цевка).

Овие impedances ќе предизвикаат wakefields (силна warping на електромагнетно поле на зрак) кои можат да комуницирате со подоцна честички. Од оваа интеракција може да имаат негативни ефекти, тоа се изучува и да се утврди неговата големина и да се утврди какви било дејствија кои може да се преземат за да се ублажат.

Зрак динамика

 Поради високата брзина на честичките и добиената Лоренцова сила за магнетните полиња, прилагодувањата на насоката на зракот главно се контролираат со магнетостатски полиња кои дефлектираат честички. Во повеќето концепти за забрзување (со исклучок на компактни структури како циклотрон или бетатрон), овие се применуваат од страна на посветени електромагнети со различни својства и функции. Важен чекор во развојот на овие видови акцелератори беше разбирањето на силното фокусирање. Ди-полни магнети се користат за насочување на зракот низ структурата, додека квадру-полни магнети се користат за фокусирање на зракот, а сепсту-полни магнети се користат за исправка на дисперзирачките ефекти.

 Честичка на точна траекторија на дизајнот (или орбитата на дизајнот) на акцелераторот само што доживува компоненти на ди-полната област, додека честичките со отстапување на попречното место се пренасочени кон орбитата на дизајнот. За прелиминарни пресметки, запоставувајќи ги сите полиња компоненти повисоки од квадру-поларните, нехомогени Хил диференцијална равенка.

${\displaystyle }$

може да се користи како апроксимација,^[1] со

не-постојана фокусирачка сила ${\displaystyle }$, вклучувајќи силен фокус и слаб фокус ефект

релативно отстапување на зрак со импулс ${\displaystyle }$

од траекторијата полупречник на кривина ${\displaystyle }$и

дизајнот на патовата должина ${\displaystyle }$,

со што се идентификува системот како параметарски осцилатор. Параметрите на зраците за акцелераторот потоа може да се пресметаат со помош на снопно преносна матрица; на пр., квадруполарното поле е аналогна на леќата во геометриската оптика, со слични особини во однос на фокусирањето на зраците (со почитување на теоријата на Ерншоу).

 Општите равенки на движењето потекнуваат од релативистичката гамилтонова механика, во скоро сите случаи со помош на параксијалното приближување. Дури и во случаи на силно нелинеарни магнетни полиња, и без параксијалното приближување, може да се користи трансформација Ли со цел да се конструира интегратор со висок степен на точност.^{[се бара извор]}

Кодови за Моделирање 

 Постојат многу различни софтверски пакети достапни за моделирање на различните аспекти од акцелераторската физика. Мора да се моделираат елементите што ги создаваат електричните и магнетните полиња, а потоа мора да се моделира еволуцијата на наелектризираните честички во тие полиња. Популарен код за динамиката на зраците, дизајниран од ЦЕРН е MAD или Дизајн на методички акцелератори.

Зрак дијагностика

Витална компонента на секој акцелератор се дијагностичките уреди кои овозможуваат да се мерат различните својства на гроздовите од честички.

Типична машина може да користи многу различни видови мерни уреди за да ги измери различните својства. Тие вклучуваат (но не се ограничени на) мониторите за позиционирање на зраци (BPMs) за мерење на позицијата на купот, екраните (флуоресцентни екрани, уредите за оптичка транзиција (OTR)) за да го прикажат профилот на купот, жичените скенери за мерење пресек, и тороиди или ИКТ за мерење на купот (т.е. бројот на честички по куп).

 Иако многу од овие уреди се потпираат на добро разбрана технологија, дизајнирањето на уред кој е способен за мерење на зрак за одредена машина е комплексна задача која бара многу експертиза. Не само што е неопходно целосно разбирање на физиката на работата на уредот, туку исто така е неопходно да се осигура дека уредот е способен да ги мери очекуваните параметри на машината која се разгледува.

 Успехот на целиот дијапазон на дијагностика на зраци често го поткрепува успехот на машината како целина.

Машинска толеранција

Грешки во усогласувањето на компонентите, јачината на полето и друго, се неизбежни во машините од оваа скала, па затоа е важно да се земат предвид толеранциите под кои машината може да работи.

Инженерите ќе им обезбедат на физичарите очекувани толеранции за усогласување и производство на секоја компонента за да овозможат целосни физички симулации за очекуваното однесување на машината под овие услови. Во многу случаи ќе се утврди дека перформансите се деградирани на неприфатливо ниво, со што се бара или ре-инженерство на компонентите, или изум на алгоритми кои овозможуваат перформансите на машината да се "подесат" назад кон нивото на дизајнот.

Ова може да бара многу симулации за различни услови за грешки со цел да се одреди релативниот успех на секој алгоритам за подесување и да се дозволат препораки за собирање на алгоритми за да бидат распоредени на вистинската машина.

Поврзано

• акцелераторски честички
• Публицистики за акцелераторите

Наводи

1. Wille, Klaus (2001). Particle Accelerator Physics: An Introduction. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850549-5.