物理学家开发新的测量技术来更好地了解加速器光束损失

图片来源：ORNL /吉尔·亨曼(Jill Hemman)

该图描绘了光束通过铜射频四极杆，黑色偶极磁体和分缝式测量系统并到达粒子检测器时的路径。当以越来越高的分辨率进行测量时，光束的结构复杂性会增加。

高强度的加速器光束由数万亿个粒子组成，这些粒子以闪电般的速度沿着强大的磁铁和高能超导体系统飞驰。计算光束的物理量是如此复杂，以至于最快的超级计算机都无法跟上。

但是，能源部(DOE)橡树岭国家实验室(ORNL)的加速器物理学家取得了一项里程碑式的成就，这使光束表征得以在非凡的新细节中进行研究。他们使用了最新开发的测量技术来更好地了解光束损失，即杂散粒子在加速器的约束区域之外传播。减轻光束损失对于以较小的规模和较低的成本实现功能更强大的加速器至关重要。

ORNL加速器物理学家亚历山大(Alexander Aleksandrov)说：“这个问题困扰着我们20多年。” “对于高强度加速器，光束损失可能是最大的问题，例如CERN的大型强子对撞机和Oak Ridge的散裂中子源(SNS)。”

SNS的运行功率为1.4兆瓦，是DOE的旗舰研究设施之一，它利用中子来研究原子级的能量和材料。在SNS处，通过以接近设施线性加速器或直线加速器的光速的90%推动质子束或脉冲来产生中子。在直线加速器的末端，质子束脉冲以每秒60次的速度撞击到装有旋转的液态汞的金属目标容器中。

原子碰撞会产生中子散裂(每个质子约20个中子)。然后，中子通过能量调节器和真空室飞向周围的仪器，科学家们在其中使用它们来研究材料原子的排列方式和行为。从本质上讲，增加加速器功率会增加产生的中子的数量，这反过来又会增加设施的科学生产率，并能够进行新型实验。

“理想情况下，我们希望将光束中的所有粒子都集中到一个非常紧凑的云中。当粒子散开时，它们形成低密度的云，称为束晕。如果光环太大并碰到加速器壁，则会导致光束损失，并可能产生辐射效应和其他问题。” Aleksandrov说。

该团队没有在SNS进行测量，而是在ORNL的Beam Test Facility上使用了SNS直线加速器的副本。使用复制品使研究人员能够在不加速实际中子生产设施的实验的情况下，对加速器进行高级物理研究。

先进的测量技术基于研究人员在2018年使用的相同方法进行 的六个维度的首次粒子加速器束测量。3D空间包含x，y和z轴上的点以测量位置，而6D空间具有三个附加坐标来测量粒子的角度或轨迹。

“这项技术实际上非常简单。我们用一块带有许多狭缝的材料来切出光束的小样本。这为我们提供了一个小束，其中包含可以测量的更小，更易于管理的粒子数量，我们可以移动该块以测量束的其他部分。” Aleksandrov说。

束样本是从直线加速器的主要加速分量之一(称为中能束传输线或MEBT)中提取的。MEBT的复制品长约4米，包括一个光束刮刀，以减少早期的光束晕，并为其他诊断工具提供比典型MEBT更大的空间。

他说：“但是，这次我们没有切出6D相空间，而是只切出了二维相空间中的样本。” “基本上，如果您可以以合理的分辨率在六个维度上进行测量，那么您可以以更高的分辨率在较小的维度上进行测量。”

使用6D测量作为基准方法，以2D测量可从根本上提高百万分之一的分辨率。Aleksandrov认为，百万分之一对现代加速器很重要，原因有两个。它是可控束晕的最大允许密度，是验证和建立更精确的束晕效应计算机建模仿真所必需的分辨率或动态范围。

“过去，在此级别上进行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个粒子。现在它们可以了，但是没有这些初始的光束分布就无法准确地完成。” ORNL的Clifford G.Shul博士后研究员Kiersten Ruisard说。“我们知道的模型无法预测实际加速器中测得的光束损耗图。要建立更强大的仿真，这将有助于我们减轻这些损失，因此必须以前所未有的精度测试我们的模型。”

在2.5兆伏的相对较低能量下测量光束，为研究人员提供了有关如何在较高能量下对光束建模的见识。Aleksandrov说，他们已经在进行下一个技术改进，这将涉及使用激光以1吉电子伏特的更高能量测量光束。升级已经过去了几年。

该小组的研究结果发表在科学杂志 《物理研究中的核仪器与方法》上。除了Aleksandrov，Cousineau和Ruisard外，该论文的作者还包括ORNL的Alexander Zhukov。

“尽管我们现在可以制造100兆瓦级的加速器，但这是不切实际的。它们太大，太贵。” ORNL研究加速器部门科学与技术部门负责人Sarah Cousineau说。“将测量分辨率提高到更高的水平，不仅使我们在理解和模拟光束晕方面取得了进展，而且还使我们对如何使加速器更强大，更小规模，更合理地花费了更多的理解。”

SNS是DOE科学用户设施办公室。UT-Battelle LLC为美国能源部科学办公室管理ORNL。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并致力于解决当今时代最紧迫的挑战。