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ORNL物理学家找到了一种追踪丢失的加速器粒子的方法 精选

已有 3373 次阅读 2021-2-25 11:02 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察

ORNL物理学家找到了一种追踪丢失的加速器粒子的方法

诸平

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The illustration traces the path of the beam as it passes through the copper radio frequency quadrupole, the black dipole magnet, and the slitted measuring system, and onto the particle detector. The beam’s structural complexity increases when measured at progressively higher resolutions. Credit: ORNL/Jill Hemman

据美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)的杰里米·拉姆齐(Jeremy Rumsey2021223日(当地时间)提供的消息,20年后,物理学家终于找到了一种追踪丢失的加速器粒子的方法。上图中描绘了光束穿过铜射频四极子、黑色偶极磁铁和纵缝测量系统并进入粒子探测器时的路径。当以越来越高的分辨率测量时,光束的结构复杂性也在增加。

高强度的加速器光束由数万亿粒子组成,它们以闪电般的速度在强力磁铁和高能超导体组成的系统中飞驰。计算光束的物理特性是如此复杂,以至于最快的超级计算机都无法跟上。然而,美国橡树岭国家实验室(ORNL)的加速器物理学家们取得了一项里程碑式的成就,使光束表征得以全新的细节进行研究。

他们使用了一种新开发的测量技术来更好地了解在加速器限制场之外传播的光束损失杂散粒子(beam loss—stray particles)。减轻光束损耗对于以更小的规模和更低的成本实现更强大的加速器至关重要。

橡树岭国家实验室的加速器物理学家亚历山大·亚历山德罗夫(Alexander Aleksandrov)说:“这个问题已经困扰我们20多年了。对于像欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)和橡树岭(Oak Ridge)的散裂中子源(Spallation Neutron Source, SNS)这样的高强度加速器来说,光束流损失可能是最大的问题。”

运行在1.4兆瓦(megawatts)SNS是美国能源部的旗舰研究设施之一,利用中子在原子尺度上研究能源和材料。在SNS中,中子是通过将质子束(或称脉冲)以接近光速90%的速度通过该设施的线性加速器(简称linac)推动而产生的。在直线加速器的末端,质子束脉冲以每秒60次的速度撞击一个装满旋转液态汞的金属目标容器。

原子碰撞会产生中子碎片,大约每个质子能产生20个中子。然后,中子通过能量调节器和真空室飞到周围的仪器上,在那里,科学家们用它们来研究材料的原子是如何排列及其行为如何。从本质上讲,增加加速器的功率会增加产生中子的数量,这反过来又会提高设备的科学生产力,并使新型实验成为可能。

亚历山大·亚历山德罗夫说;“理想情况下,我们希望光束中的所有粒子都集中到一个非常紧凑的云中。当粒子偏离轨道时,就会形成低密度云,称为光束晕(beam halo)。如果光束晕太大,接触到加速器的内壁,就会导致光束流损失,并产生辐射效应和其他问题。”

该团队没有在SNS进行测量,而是在橡树国家实验室的光束测试设施(ORNL's Beam Test Facility)中使用了SNS linac的仿制品。使用仿制品可以让研究人员在加速器上进行高级物理研究,而不会中断实际中子生产设施的实验。

这项先进的测量技术(measurement technique)基于研究人员在2018年使用的方法,该方法用于首次对粒子加速器光束进行六维测量(the first particle accelerator beam measurement in six dimensions)。三维空间包括xyz轴上的点来测量位置,而6D空间有三个额外的坐标来测量粒子的角度或轨迹。

亚历山大·亚历山德罗夫说:“这项技术其实很简单。我们取一块带有许多狭缝的材料,用这些狭缝来切割光束的小样本。这为我们提供了一个包含更小、更可控数量的细光束,我们可以对其进行测量,我们可以移动阻碍物来测量光束的其他部分。”

光束样本是从直线加速器的一个主要加速组件中提取出来的,这个组件被称为“中能光束传输线”(medium energy beam transport line简称MEBT)。该仿制的MEBT大约4 m长,包括一个光束刮刀,以减少早期光束晕,并为其他检测工具提供比典型的MEBT更多的空间。

“但是,这次我们并没有去掉6D的相空间,而是只去掉了二维相空间中的样品,”亚历山大·亚历山德罗夫说,“基本上,如果你能以合理的分辨率测量六维空间,那么你就能以更高的分辨率测量低维空间。”

使用6D测量作为基准方法,2-D测量从根本上提高了1 ppm的分辨率水平。据亚历山大·亚历山德罗夫的说法,1 ppm对于现代加速器来说意义重大,原因有二。这是光束晕可控制的最大容许密度,也是验证和建立更精确的光束晕效应的计算机建模仿真所必需的分辨率或动态范围。

橡树林国家实验室(ORNLClifford G. Shull的博士后研究员柯尔斯顿·鲁莎德(Kiersten Ruisard)说:“在过去,这种水平的光束建模是一项不可能完成的任务,因为计算机无法计算数十亿粒子;现在它们可以了,但是如果没有这些初始的光束分布,就不能精确地完成。据我们所知,还没有一个模型能够预测在实际加速器中测量到的光束流损失模式。以这种前所未有的精度测试我们的模型,是建立更可靠的模拟系统的必要条件,这将帮助我们减轻这些损失。”

2.5兆电子伏(2.5 megaelectronvolts)的相对低能量测量光束,为研究人员提供了如何在更高能量下模拟光束的思路。亚历山大·亚历山德罗夫说,他们已经在进行下一步的技术改进,这将涉及使用激光来测量能量明显更高的光束,达到1千兆电子伏特(1 gigaelectronvolt)。这种升级是好几年之后的事了。该团队的研究结果已经在《物理研究中的核仪器与方法》(Nuclear Instruments & Methods in Physics Research)杂志网站发表——Aleksandrov, A.; Cousineau, S.Ruisard, K.Zhukov, A. First measurement of a 2.5 MeV RFQ output emittance with 1 part-per-million dynamic range, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2020, Volume 987, article id. 164829. DOI: 10.1016/j.nima.2020.164829. Pub Date: 21 January 2021.

橡树国家实验室研究加速器部门的科学技术部负责人、也是上述论文的合作者之一,物理学家萨拉·库西诺(Sarah Cousineau)说:“虽然我们现在可以制造100兆瓦级的加速器,但这并不实用。它们将会太大、太昂贵。将测量的分辨率提高到更高的水平,不仅可以让我们在理解和模拟光束晕方面取得进展,还有助于我们了解如何以更小的规模和更合理的成本制造更强大的加速器。”上述介绍仅供参考,更多信息请注意浏览原文或者相关报道

Team makes first particle accelerator beam measurement in six dimensions

Abstract

Accurate characterization and prediction of beam halo has been historically prohibited by an inability to measure beam phase distributions with the required sensitivity level. To address this limitation, a system for measuring transverse beam emittance with very high dynamic range is developed at the Spallation Neutron Source Beam Test Facility. An emittance of a 20 mA H- beam is measured at the 2.5 MeV RFQ exit with the dynamic range larger than 1-part-per-million for the first time. Though no obvious halo is observed within this dynamic range for this particular configuration, the measurement demonstrates a capability to resolve beam distributions at the level required for inspection and characterization of beam halo.



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1 王从彦

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