Radiační útlum

Radiační tlumení je snížení amplitudy příčných betatronových oscilací nabité částice v cyklickém urychlovači , jakož i emise paprsku částic, spojené se synchrotronovým zářením . Protože intenzita synchrotronového záření velmi silně závisí na energii částice (~γ 4 ), je radiační útlum důležitý pro urychlovače lehkých ultrarelativistických částic (elektronové synchrotrony ), pro hadronové stroje není podstatný.

Mechanismus rozpadu

Záření ultrarelativistické částice v příčném magnetickém poli probíhá ve směru pohybu částice, v úzkém kuželu s otvorem ~1/γ. V souladu s tím se během záření snižují všechny složky hybnosti částice, jak podélné, tak příčné. Při průchodu urychlovacím rezonátorem částice doplňuje energii ztracenou zářením, ale protože elektrické pole směřuje podél osy paprsku, obnoví se pouze podélná složka pulzu. Příčná hybnost částice se tedy s každou otáčkou zmenšuje, příčný úhel y'=p y /p 0 (y = x,z) se zmenšuje a Courant-Snyderův invariant , tedy rozsah oscilací betatronu.

Protože energie U 0 vyzařovaná za otáčku je vždy mnohem menší než energie částic E 0 , je radiační tlumení relativně pomalé. Úbytek tlumení ζ závisí na energii a na polích magnetických prvků umístěných na dráze paprsku. Doby rozpadu τ = 1/ζ lze vypočítat následovně [1] :

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

kde E 0 je energie elektronu, U 0 je ztráta energie na otáčku, T 0 je perioda otáčení paprsku, J x, z, E jsou bezrozměrné úbytky tlumení tří stupňů volnosti:

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

(Poslední rovnost se nazývá Věta o součtu úbytků .) Radiační integrály I 2,4 jsou určeny zaostřovací strukturou prstence.

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

Zde ρ je místní zakřivení oběžné dráhy, D je disperzní funkce, k 1 = G/Bρ je kvadrupólová složka magnetického pole v ohybovém magnetu , G je gradient pole, Bρ je magnetická tuhost .

Limit útlumu

Důležitou roli v tlumení hraje kvantová povaha synchrotronového záření. Kolísání záření jednotlivých kvant vede k nahromadění betatronových oscilací. Konečná amplituda kmitů cirkulující částice je určena rovnováhou mezi mechanismem tlumení a zpětného rázu. Je třeba poznamenat, že kvantové fluktuace excitují pouze podélné ( synchrotron ) a příčné horizontální oscilace, ale ne vertikální, pokud je prstenec plochý. Rovnovážná vertikální emitance paprsku je určena spojením dvou režimů příčné oscilace. Vazba je zpravidla malá a u elektronových synchrotronů je paprsek plochý a protáhlý - radiální velikost je mnohem větší než vertikální a podélná je větší než příčná.

Tlumicí kroužky

Akumulační prstence se používají k výrobě intenzivních elektronových a pozitronových paprsků s nízkou emisivitou . Část částic je vstříknuta do zásobního prstence, dojde k tlumení, při kterém se emitance sníží a část záchytu prstence se uvolní pro novou část. Bez disipativních sil, které zajišťují tlumení, je vstřikování nové části bez ztráty předchozí nemožné kvůli Liouvilleově větě o zachování fázového objemu .

Pro zkrácení doby tlumení a někdy také pro přerozdělení úbytků tlumení mezi podélným a radiálním stupněm volnosti se v tlumicích prstencích často instalují vyzařovací wigglery - magnetické prvky s vysokým polem, které násobí ztrátu energie částice pro záření.

Tlumicí kroužky jsou široce používány jak v urychlovacích komplexech pro experimenty ve fyzice vysokých energií , pro přípravu intenzivních paprsků pro cyklické a lineární srážeče , tak pro experimenty s extrahovaným paprskem a jako zdroje synchrotronového záření . Protože je důležité, aby zdroj SR získal vysokou jasnost záření, je nutné minimalizovat emisi elektronového paprsku – zdroje záření. K tomu se používají speciální uspořádání zaostřovacích prvků (Double Bend Achromat atd.). Nižší emisní limit spojený s kvantovými fluktuacemi záření se však stal zásadní překážkou pro získání ultranízkých emisí a nejpokročilejší projekty zdrojů SR 4. generace již nejsou založeny na synchrotronech, ale na urychlovačích rekuperátorů , kde emitance paprsku je tvořen nikoli synchrotronovým zářením.

Viz také

Poznámky

↑ Accelerator Physics of Linear Collider Damping Rings Archived 6. března 2016 na Wayback Machine , Andy Wolski, 2003.

Odkazy

The Physics of Damping Rings , Kai Hock, 2008.
Fyzika urychlovače tlumicích prstenců lineárního urychlovače , Andy Wolski, 2003.
Úvod do tlumicích kroužků ILC , Andy Wolski, 2009.