Стохастическое охлаждение - Stochastic cooling

Стохастическое охлаждение это форма охлаждение пучком частиц. Он используется в некоторых ускорители частиц и кольца для хранения контролировать эмиссия из пучки частиц в машине. Этот процесс использует электрические сигналы что человек заряженные частицы генерировать в Обратная связь для уменьшения тенденции отдельных частиц удаляться от других частиц в луче. Правильно думать об этом как адиабатический охлаждение или уменьшение энтропия, примерно так же, как холодильник или кондиционер охлаждает его содержимое.

Методика была изобретена и применялась на Пересекающиеся кольца для хранения,[1] а позже Супер протонный синхротрон (SPS), в ЦЕРН в Женева, Швейцария к Саймон ван дер Меер,[2] а физик от Нидерланды. Его использовали для сбора и охлаждения антипротоны - эти частицы были введены в Протонно-антипротонный коллайдер, модификация СПС, с встречным вращением протоны и столкнулся в физика элементарных частиц эксперимент. За эту работу ван дер Меер был удостоен награды Нобелевская премия по физике в 1984 году. Он разделил эту премию с Карло Руббиа из Италия, который предложил Протонно-антипротонный коллайдер. Этот эксперимент открыл W- и Z-бозоны, элементарные частицы, несущие слабая ядерная сила.

Национальная ускорительная лаборатория Ферми продолжает использовать стохастическое охлаждение в его источнике антипротонов. Накопленные антипротоны используются в Теватрон столкнуться с протонами, чтобы создать столкновения на CDF и D0 эксперимент.

Стохастическое охлаждение в Теватрон в Фермилабе была предпринята попытка, но не увенчалась успехом. Впоследствии оборудование было передано Брукхейвенская национальная лаборатория, где успешно применялась в продольной системе охлаждения в RHIC, эксплуатируется с 2006 г. С 2012 г. RHIC имеет 3D операционное стохастическое охлаждение, то есть охлаждение в горизонтальной, вертикальной и продольной плоскостях.

Технические детали

Стохастическое охлаждение использует электрические сигналы, создаваемые отдельными частицами в группе частиц (называемой «связкой» частиц), чтобы приводить в действие электромагнитное устройство, обычно электрический кикер, который отбрасывает 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 разброса по поперечному импульсу внутри сгустка заряженных частиц в кольцо для хранения обнаруживая колебания импульса сгустков и применяя коррекцию («управляющий импульс» или «толчок»). Это приложение негативный отзыв. 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.

Сгустки проходят через широкополосный оптический сканер, который определяет положение отдельных частиц. синхротрон поперечное движение частиц легко гасится за счет синхротронное излучение, который имеет короткую длину импульса и широкую полосу пропускания, но продольное перемещение может быть увеличено только с помощью простых устройств (см., например, Лазер на свободных электронах Чтобы добиться охлаждения, информация о положении передается обратно в сгустки частиц (с помощью, например, быстрого кикерного магнита), создавая петлю отрицательной обратной связи.

  • Микроструктура ответвителя.
    • Клистрона полость
    • Для поперечного охлаждения используются те же устройства, что и в осциллограф или в Полосовая камера
    • направленные ответвители, которые объединяют измерения и регулировку рулевого управления (в этом контексте часто называемую ударом ногой) 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.
  • Макро-структура для пикапа. Связанная энергия увеличивается линейно с длиной конструкции.
    • Черенковское излучение. Сигналы от множества элементов микроструктуры складываются перед подачей на усилитель, что снижает шум.
    • Используются несколько устройств, настроенных (узкая полоса = более 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, пока лучи остывают и становятся меньше.

Слово «стохастический» в названии проистекает из того факта, что обычно только некоторые частицы могут быть однозначно рассмотрены одновременно. Вместо этого в каждом сгустке обрабатываются небольшие группы частиц, и корректировка или толчок применяется к среднему импульсу каждой группы. Таким образом, их нельзя охладить сразу, а вместо этого требуется несколько шагов. Чем меньше группа частиц, которая может быть обнаружена и скорректирована сразу (что требует большей 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 коррекцию. 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, чтобы сгустки были как можно короче в ускорителях кольца и как можно длиннее в кулерах. Устройства, которые это делают, интуитивно вызываются. носилки, компрессор, или упаковщик, разоблачитель. (Ссылки указывают на эквивалентные устройства для световых импульсов, поэтому обратите внимание, что призмы в ссылке функционально заменены на дипольные магниты в ускорителе частиц.)

В низкоэнергетических кольцах сгустки могут перекрываться только что созданными и, таким образом, холодными (1000 К) сгустками электронов из линейный ускоритель. Это прямое соединение с ванной с более низкой температурой, которая также охлаждает луч. Впоследствии электроны также можно анализировать и применять стохастическое охлаждение.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Джон Марринер (11 августа 2003 г.), "Обзор стохастического охлаждения", Ядерные инструменты и методы A, 532 (1–2): 11–18, arXiv:Physics.acc-ph / 0308044, Bibcode:2004НИМПА.532 ... 11М, Дои: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.