Fizicienii particulelor rezolvă o problemă care îi „bântuie” de mai bine de 20 de ani

Ilustrația urmărește traseul fasciculului pe măsură ce trece prin quadrupolul de radiofrecvență de cupru, magnetul dipol negru și sistemul de măsurare fisurat și către detectorul de particule. Complexitatea structurală a fasciculului crește atunci când este măsurată la rezoluții progresiv mai mari. Credit: ORNL / Jill Hemman

Un fascicul accelerator de intensitate ridicată este alcătuit din trilioane de particule care rulează la viteze de fulger printr-un sistem de magneți puternici și superconductori de mare energie. Calculul fizicii fasciculului este atât de complex încât nici măcar cele mai rapide supercalculatoare nu pot ține pasul.

Cu toate acestea, o realizare importantă a acceleratorilor fizicieni de la Laboratorul Național Oak Ridge (ORNL) al Departamentului Energiei (DOE) a făcut posibilă studierea caracterizărilor fasciculului cu detalii extraordinare noi. Ei au folosit o tehnică de măsurare nou dezvoltată pentru a înțelege mai bine pierderea fasciculului: particulele pierdute care călătoresc în afara câmpurilor de limitare a acceleratorului. Atenuarea pierderii fasciculului este esențială pentru realizarea unor acceleratoare mai puternice la scări mai mici și costuri mai mici.

„Este o problemă care ne-a bântuit de peste 20 de ani”, a spus Alexander Aleksandrov, fizician la acceleratorul ORNL. „Pierderea fasciculului este probabil cea mai mare problemă a acceleratoarelor de mare intensitate, precum Large Hadron Collider’s CERN și sursa de neutroni dispersați (SNS) aici, în Oak Ridge ”.

SNS, care funcționează la 1,4 megawați, este una dintre principalele facilități de cercetare ale DOE care valorifică neutronii pentru a studia energia și materialele la scară atomică. Neutronii sunt creați în SNS prin emisia de raze sau impulsuri de protoni la aproape 90% din viteza luminii în acceleratorul liniar al instalației sau linac. La sfârșitul linacului, impulsurile fasciculului de protoni se sparg de un recipient metalic țintă umplut cu mercur lichid învârtit la o rată de 60 de ori pe secundă.

Coliziunile atomice creează numere de neutroni, aproximativ 20 de neutroni per proton. Neutronii zboară prin moderatori de energie și camere de vid către instrumentele din jur, unde oamenii de știință le folosesc pentru a studia modul în care sunt aranjați atomii unui material și cum se comportă. În esență, creșterea puterii acceleratorului crește numărul de neutroni creați, ceea ce, la rândul său, crește productivitatea științifică a instalației și permite noi tipuri de experimente.

„În mod ideal, dorim ca toate particulele din fascicul să fie concentrate într-un singur nor foarte compact. Când particulele se îndepărtează, formează nori cu densitate scăzută, numiți halo de fascicul. Dacă haloul devine prea mare și atinge pereții acceleratorului, acest lucru face ca fasciculul să se piardă și poate crea efecte de radiații și alte probleme “, a spus Aleksandrov.

În loc să facă măsurătorile la SNS, echipa a folosit o replică a linacului SNS la instalația de testare a fasciculului ORNL. Utilizarea unei replici permite cercetătorilor să efectueze studii avansate de fizică pe accelerator fără a întrerupe experimentele la fabrica de producere a neutronilor.

Tehnica avansată de măsurare se bazează pe aceeași abordare pe care cercetătorii au folosit-o în 2018 pentru a face prima măsurare a fasciculului de accelerare a particulelor în șase dimensiuni. În timp ce spațiul 3D include puncte pe axele x, y și y pentru a măsura poziția, spațiul 6D are trei coordonate suplimentare pentru măsurarea unghiului sau a traiectoriei unei particule.

„Tehnica este foarte simplă. Luăm un bloc de material cu mai multe fante pe care le folosim pentru a tăia probe mici din grindă. Acest lucru ne oferă un fascicul care conține un număr mai mic și mai ușor de gestionat de particule pe care le putem măsura și putem muta acest bloc pentru a măsura alte secțiuni ale fasciculului ”, a spus Aleksandrov.

Probele de grinzi au fost extrase dintr-una din componentele principale ale acceleratorului inului numit linie de transport a fasciculului de putere medie sau MEBT. Replica MEBT, lungă de aproximativ 4 metri, include un raclet pentru a reduce halo-ul inițial și oferă mai mult spațiu decât MEBT-urile tipice pentru alte instrumente de diagnosticare.

„Dar, în loc să tăiem spațiul de fază 6D, de această dată am tăiat eșantioane doar în spațiul de fază bidimensional”, a spus el. „Practic, dacă poate fi măsurat în șase dimensiuni cu o rezoluție rezonabilă, poate fi măsurat în dimensiuni mai mici cu o rezoluție mult mai mare.”

Folosind măsurători 6D ca aproximare la linia de bază, măsurarea în 2D a deblocat un nivel de rezoluție îmbunătățit radical de 1 parte pe milion. O parte pe milion este semnificativă pentru acceleratoarele moderne din două motive, potrivit lui Aleksandrov. Este densitatea maximă admisibilă la care poate fi manipulată haloul fasciculului și este nivelul de rezoluție sau intervalul dinamic necesar pentru validarea și construirea unor simulări mai precise de modelare pe computer a efectului haloului fasciculului.

„În trecut, modelarea grinzilor la acest nivel era o sarcină imposibilă, deoarece computerele nu erau capabile să calculeze miliarde de particule; și acum pot, dar nu se poate face cu precizie fără aceste distribuții inițiale ale fasciculului “, a spus Kiersten Ruisard, cercetătorul postdoctoral al lui Clifford G. Shull la ORNL.„ Nu există un model cunoscut care să prezică modele de pierdere a fasciculului. „Ne măsurăm modelele cu acest nivel de precizie fără precedent pentru a construi simulări mai robuste care să ne ajute să diminuăm aceste pierderi. “

Măsurarea fasciculului la o energie relativ scăzută de 2,5 megaelectronvolți a oferit cercetătorilor informații despre modul de modelare a fasciculului la energii superioare. Aleksandrov a spus că lucrează deja la următoarea îmbunătățire a tehnicii, care va implica utilizarea laserelor pentru a măsura fasciculul la o energie semnificativ mai mare de 1 gigaelectronvolt. Această actualizare acum câțiva ani.

Rezultatele cercetărilor echipei sunt publicate în revista științifică Instrumentele și metodele nucleare în cercetarea fizică. Pe lângă Aleksandrov, Cousineau și Ruisard, printre autorii lucrării se numără Alexander Zhukov al ORNL.

„Deși am putea face acum acceleratoare de 100 megawați, pur și simplu nu este practic. Ar fi prea mari și prea scumpe ”, a spus fizicianul Sarah Cousineau, șeful științei și tehnologiei din divizia de accelerare a cercetării ORNL. „Îmbunătățirea rezoluției măsurătorii la niveluri superioare nu numai că ne permite să avansăm în înțelegerea și simularea halo-ului fasciculului, dar ne îmbunătățește și înțelegerea modului de a face acceleratorii mai puternici, la scări mai mici și la costuri mai mici. “

Referință: „Prima măsurare a unei ieșiri de emisie RFQ de 2,5 MeV cu un interval dinamic cu un milion” de A. Aleksandrov, S. Cousineau, K. Ruisard și A. Zhukov, 2 noiembrie 2020, Instrumentele și metodele nucleare în cercetarea fizică.
DOI: 10.1016 / j.nima.2020.164829

SNS este un centru de utilizare al DOE Office of Science. UT-Battelle LLC administrează ORNL pentru DOE Office of Science. Biroul de Științe este un avocat principal al cercetării științelor fizice de bază în Statele Unite și lucrează pentru a aborda unele dintre cele mai presante provocări ale timpului nostru.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Forțele evolutive competitive conduc la evoluția rapidă a Salamander Color

Salamandrele patate sunt o specie răspândită în estul Statelor Unite, care se întorc în iazuri temporare în primăvară pentru a se reproduce. Credit:...

Oamenii de știință Awestruck urmăresc piscinele de electroni 2D care apar spontan în material supraconductor 3D

Oamenii de știință SLAC și Stanford au observat iazuri cu un comportament supraconductor 2D ieșind dintr-un supraconductor 3D neconvențional, care transmite electricitate cu o...

Ce dezvăluie un râu glaciar deasupra stratului de gheață din Groenlanda și creșterea globală a nivelului mării

La marginea stratului de gheață din Groenlanda, unde ghețarii se topesc constant, apa curge peste tot printr-un sistem complicat de lacuri și cursuri de...

Producția de energie durabilă prin reducerea electrochimică

Credit ilustrativ: Cortland Johnson | PNNL Rezervele mici de biomasă, cum ar fi apele uzate, deșeurile alimentare și așchii de lemn, sunt adesea trecute...

Orientările privind distanța fizică trebuie actualizate pentru a reflecta noi științe

De Universitatea Northwestern 12 aprilie 2021 Dr. Robert Murphy a spus că ar trebui să putem merge pe trei picioare. Dr. Robert Murphy, director executiv al Institutului...

Newsletter

Subscribe to stay updated.