Fyzici částic řeší problémy, které „sledují“ více než 20 let

Obrázek ukazuje dráhu paprsku, který prochází měděným vysokofrekvenčním kvadrupólem, černým dipólovým magnetem a štěrbinovým měřicím systémem na detektoru částic. Strukturální složitost paprsku se zvyšuje, protože se měří při stále větším rozlišení. Fotografický kredit: ORNL / Jill Hemman

Paprsek urychlovače s vysokou intenzitou se skládá z bilionů částic, které při rychlosti blesku projíždějí systémem silných magnetů a vysokoenergetických supravodičů. Výpočet fyziky paprsku je tak složitý, že ani nejrychlejší superpočítače nemohou konkurovat.

Milník dosažený fyziky urychlovačů v Národní laboratoři Oak Ridge (ORNL) na ministerstvu energetiky však umožnil studovat charakterizaci paprsků v mimořádně nových detailech. Použili nově vyvinutou měřicí techniku ​​k lepšímu pochopení úbytku paprsku – rozptýlených částic, které se pohybují mimo hraniční pole urychlovače. Snížení ztráty paprsku je nanejvýš důležité pro realizaci výkonnějších akcelerátorů v menším měřítku a za nižší cenu.

„Je to problém, který nás zaměstnává více než 20 let,“ řekl fyzik akcelerátoru ORNL Alexander Aleksandrov. “Ztráta paprsku je pravděpodobně největším problémem pro urychlovače s vysokou intenzitou, jako je Large Hadron Collider at.” CERN a Spallation Neutron Source (SNS) zde v Oak Ridge. “

S výkonem 1,4 megawattu je SNS jedním z nejdůležitějších výzkumných zařízení DOE, které používají neutrony ke studiu energie a materiálů na atomové úrovni. U SNS jsou neutrony generovány poháněním svazků nebo pulsů protonů téměř 90 procenty rychlosti světla lineárním akcelerátorem zařízení – nebo Linacem. Na konci linaku pulzy protonového paprsku zasáhly kovovou cílovou nádobu naplněnou vířící kapalnou rtutí rychlostí 60krát za sekundu.

Atomové srážky vytvářejí neutronové mezery – kolem 20 neutronů na proton. Neutrony pak létají přes moderátory energie a vakuové komory k okolním nástrojům, kde je vědci používají ke studiu toho, jak jsou uspořádány atomy materiálu a jak se chovají. Zvyšování výkonu akcelerátoru v zásadě zvyšuje počet produkovaných neutronů, což zase zvyšuje vědeckou produktivitu zařízení a umožňuje nové typy experimentů.

“V ideálním případě bychom chtěli, aby všechny částice v paprsku byly koncentrovány v jediném, velmi kompaktním mraku.” Když se částice ztratí, vytvoří mraky s nízkou hustotou známé jako paprskové svatozáře. Pokud se síň stane příliš velkou a narazí na stěny urychlovače, vede to ke ztrátě paprsku a může způsobit radiační účinky a další problémy, “řekl Aleksandrov.

Místo měření v SNS použil tým repliku linas SNS v Beam Test Facility společnosti ORNL. Použití repliky umožňuje vědcům provádět pokročilé fyzikální studie na urychlovači bez přerušení experimentů ve skutečném zařízení na produkci neutronů.

Pokročilá technologie měření je založena na stejném přístupu, s jakým vědci provedli první měření paprskového urychlovače částic v šesti rozměrech v roce 2018. Zatímco 3D prostor obsahuje body na ose x, yaz pro měření polohy, 6D prostor má tři další souřadnice pro měření úhlu nebo trajektorie částice.

“Technika je ve skutečnosti docela jednoduchá.” Vezmeme blok materiálu s řadou štěrbin, které používáme k vystřižení malých vzorků paprsku. To nám dává paprsek s menším, zvládnutelnějším počtem částic, které můžeme měřit, a můžeme tento blok přesunout, abychom změřili další části paprsku, “řekl Aleksandrov.

Vzorky paprsků byly extrahovány z jedné z primárních zrychlovacích složek Linacu zvané MEBT (Medium Energy Beam Transport Line). Přibližně 4 metry dlouhá replika MEBT obsahuje škrabku paprsku, která snižuje počáteční halo paprsku, a má více prostoru než typické MEBT pro další diagnostické nástroje.

„Ale místo vyříznutí 6D fázového prostoru, tentokrát pouze vyřízneme vzorky v dvourozměrném fázovém prostoru,“ řekl. „Pokud můžete měřit v šesti rozměrech s rozumným rozlišením, můžete měřit v nižších rozměrech s mnohem vyšším rozlišením.“

Při použití 6D měření jako základního přístupu odemklo měření ve 2D radikálně vylepšenou úroveň rozlišení 1 díl na milion. Podle Aleksandrova je část na milion důležitá pro moderní urychlovače ze dvou důvodů. Toto je maximální povolená hustota, při které lze halo paprsku spravovat, a je to rozlišení nebo dynamický rozsah požadovaný k ověření a vytvoření přesnějších počítačových modelových simulací efektu halo paprsku.

“V minulosti bylo modelování paprsků na této úrovni nemožným úkolem, protože počítače nedokázaly vypočítat miliardy částic.” a nyní mohou, ale bez těchto počátečních distribucí paprsku to nebude fungovat přesně, “řekl Kiersten Ruisard, postdoktorand s Cliffordem G. Shullem na ORNL. “Není znám žádný model, který by předpovídal vzorce ztráty paprsku měřené ve skutečném urychlovači.” Testování našich modelů s touto bezprecedentní přesností je nutné k vytvoření robustnějších simulací, které nám pomohou tyto ztráty snížit. “

Měření paprsku při relativně nízké energii 2,5 megaelektronových voltů poskytlo vědcům pohled na modelování paprsku při vyšších energiích. Aleksandrov uvedl, že již pracují na dalším zdokonalení techniky, při které se paprsek měří pomocí laserů při výrazně vyšší energii 1 gigaelektronvoltu. Tato aktualizace proběhla před několika lety.

Výsledky výzkumu týmu jsou publikovány v časopise Jaderné přístroje a metody ve fyzikálním výzkumu. Kromě Aleksandrova, Cousineaua a Ruisarda jsou autory příspěvku také Alexander Žukov z ORNL.

“Ačkoli bychom nyní mohli vyrábět akcelerátory o výkonu 100 megawattů, není to praktické.” Byly by příliš velké a příliš drahé, “řekla fyzik Sarah Cousineau, ředitelka vědy a technologie v divizi Research Accelerator Division společnosti ORNL. „Zlepšením rozlišení měření na vyšší úrovně můžeme nejen pokročit v porozumění a simulaci halo paprsků, ale také lépe pochopit, jak lze urychlovače zvýšit výkonnost v menším měřítku a za mnohem nižší cenu.“

Odkaz: „První měření výstupní emise RFQ 2,5 MeV s dynamickým rozsahem 1 díl na milion“ od A. Aleksandrova, S. Cousineaua, K. Ruisarda a A. Žukova, 2. listopadu 2020, Jaderné přístroje a metody ve fyzikálním výzkumu.
DOI: 10.1016 / j.nima.2020.164829

SNS je uživatelské zařízení Úřadu pro vědu DOE. UT-Battelle LLC spravuje ORNL pro DOE Office of Science. Office of Science je největším zastáncem základní vědy ve Spojených státech a snaží se řešit některé z nejnaléhavějších výzev naší doby

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Mimořádný příklad toho, jak voda a led mohou formovat zemi

29. května 2021 Jedna z největších delt na světě je pozoruhodným příkladem toho, jak voda a led mohou formovat pevninu. Delta Yukon-Kuskokswim je jednou z největších...

Prehistorický typ člověka, který byl dříve vědě neznámý

Statická lebka, dolní čelist a temenní pravopis. Fotografický kredit: Tel Avivská univerzita Dramatický objev během izraelských vykopávek Objev nové homo skupiny v této oblasti, která...

Jak vznikla supermasivní černá díra

Výzkum vedený Kalifornskou univerzitou, Riverside poukázal na semeno černé díry vytvořené zhroucením halo temné hmoty. Supermasivní černé díry neboli SMBH jsou černé díry s hmotností...

MIT dosahuje významného pokroku směrem k plné implementaci kvantového výpočtu

Nastavitelná spojka může zapnout a vypnout interakci qubit-qubit. Nežádoucí, zbytkové (ZZ) interakce mezi dvěma qubity jsou eliminovány použitím vyšších úrovní energie v konektoru....

Rakovina prostaty související s obezitou – skutečné rozdělení tělesného tuku se zdá být důležitým faktorem

Tým INRS zkoumá souvislost mezi tělesnou hmotností a rizikem rakoviny. Rakovina prostaty je nejčastější formou rakoviny u kanadských mužů a třetí nejčastější příčinou úmrtí na...

Newsletter

Subscribe to stay updated.