Strålningsdämpning

Strålningsdämpning är en minskning av amplituden av transversella betatronoscillationer för en laddad partikel i en cyklisk accelerator , såväl som i emittansen av en partikelstråle, associerad med synkrotronstrålning . Eftersom intensiteten av synkrotronstrålning beror mycket starkt på partikelns energi (~γ 4 ), är strålningsdämpning viktig för acceleratorer av lätta ultrarelativistiska partiklar (elektronsynkrotroner ) , och är inte nödvändig för hadronmaskiner.

Nedbrytningsmekanism

Strålning av en ultrarelativistisk partikel i ett tvärgående magnetfält sker i partikelns rörelseriktning, i en smal kon med en öppning på ~1/γ. Följaktligen, under strålning, reduceras alla komponenter i partikelmomentet, både längsgående och tvärgående. När partikeln passerar genom den accelererande resonatorn fyller partikeln på energin som förloras till strålning, men eftersom det elektriska fältet är riktat längs strålaxeln återställs endast den längsgående komponenten av pulsen. Således minskar partikelns tvärrörelsemängd med varje varv, tvärvinkeln y'=p y /po ( y = x,z) minskar och Courant-Snyder-invarianten , det vill säga omfånget av betatronoscillationer.

Eftersom energin U 0 som utstrålas per varv alltid är mycket mindre än partikelenergin E 0 är strålningsdämpningen relativt långsam. Dämpningsminskningen ζ beror på energin och på fälten hos de magnetiska elementen som finns i strålens omloppsbana. Avklingningstider τ = 1/ζ kan beräknas enligt följande [1] :

$\tau _{x}=2{\frac {E_{0}}{J_{x}U_{0}}}T_{0}$ ... _ _
$\tau _{z}=2{\frac {E_{0}}{U_{0}}}T_{0}$
$\tau _{s}=2{\frac {E_{0}}{J_{E}U_{0}}}T_{0}$

där E 0 är elektronenergin, U 0 är energiförlusten per varv, T 0 är strålens varvperiod, J x,z, E är de dimensionslösa dämpningsdekrementen av tre frihetsgrader:

$J_{E}=2+I_{4}/I_{2}$ , , .
${\displaystyle J_{x}=1-I_{4}/I_{2))$
$J_{x}+J_{z}+J_{E}=4$

(Den sista likheten kallas summan av dekrementsatsen .) De strålningsintegraler I 2,4 bestäms av ringens fokuseringsstruktur.

${\displaystyle I_{2}=\oint {{\frac {1}{\rho (s)))ds))$ , .
$I_{4}=\oint {{\frac {D(s)}{\rho (s)))\left({\frac {1}{\rho (s)^{2))}+ 2k_{1}(s)\höger)}$

Här är ρ den lokala krökningen för omloppsbanan, D är dispersionsfunktionen, k 1 = G/Bρ är fyrpolkomponenten för magnetfältet i den böjande magneten , G är fältgradienten, Bρ är magnetisk styvhet .

Dämpningsgräns

En viktig roll i dämpningen spelas av kvantnaturen hos synkrotronstrålning. Fluktuationer i strålningen från individuella kvanter leder till uppbyggnad av betatronoscillationer. Den slutliga amplituden av svängningar för en cirkulerande partikel bestäms av balansen mellan dämpnings- och rekylmekanismerna. Det bör noteras att kvantfluktuationer exciterar endast longitudinella ( synkrotron ) och tvärgående horisontella svängningar, men inte vertikala, om ringen är platt. Den vertikala jämviktsstråleemittansen bestäms av kopplingen av två transversella oscillationsmoder. Som regel är kopplingen liten, och i elektronsynkrotroner är strålen platt och långsträckt - den radiella storleken är mycket större än den vertikala, och den längsgående storleken är större än de tvärgående.

Dämpningsringar

Lagringsringar används för att producera intensiva elektron- och positronstrålar med låg emittans . En del av partiklarna injiceras i lagringsringen, dämpning sker, under vilken emittansen minskar och en del av ringens acceptans frigörs för en ny portion. Utan dissipativa krafter som ger dämpning är insprutningen av en ny del utan att förlora den tidigare omöjlig, på grund av Liouvilles sats om bevarande av fasvolymen .

För att minska dämpningstiden, och även ibland för att omfördela dämpningsdekrementen mellan de longitudinella och radiella frihetsgraderna, installeras ofta utstrålande wigglers i dämpningsringar - magnetiska högfältselement som multiplicerar energiförlusten hos partikeln för strålning.

Dämpningsringar används i stor utsträckning både vid acceleratorkomplex för experiment i högenergifysik , för att förbereda intensiva strålar för cykliska och linjära kolliderar , och för experiment med en extraherad stråle och som källor för synkrotronstrålning . Eftersom det är viktigt för en SR -källa att få en hög strålningsljusstyrka är det nödvändigt att minimera emittansen av elektronstrålen – strålningskällan. För detta används speciella arrangemang av fokuseringselement (Double Bend Achromat, etc.). Emellertid har den nedre emittansgränsen förknippad med kvantfluktuationer av strålning blivit ett grundläggande hinder för att erhålla ultralåga emittanser, och de mest avancerade projekten av 4:e generationens SR-källor är inte längre baserade på synkrotroner, utan på rekuperatoracceleratorer , där strålemittansen bildas inte av synkrotronstrålning.

Se även

Anteckningar

↑ Accelerator Physics of Linear Collider Damping Rings Arkiverad 6 mars 2016 på Wayback Machine , Andy Wolski, 2003.

Länkar

The Physics of Damping Rings , Kai Hock, 2008.
The Accelerator Physics of Linear Collider Damping Rings , Andy Wolski, 2003.
Introduktion till ILC-dämpningsringarna , Andy Wolski, 2009.