Chłodzenie stochastyczne
Chłodzenie stochastyczne jest formą chłodzenia wiązki cząstek . Jest używany w niektórych akceleratorach cząstek i pierścieniach magazynujących do kontrolowania emisji wiązek cząstek w maszynie. Proces ten wykorzystuje sygnały elektryczne generowane przez poszczególne naładowane cząstki w pętli sprzężenia zwrotnego w celu zmniejszenia tendencji poszczególnych cząstek do oddalania się od innych cząstek w wiązce.
Technika ta została wynaleziona i zastosowana w Przecinających się Pierścieniach Przechowujących , a później w Super Synchrotronie Protonowym (SPS) w CERN w Genewie, w Szwajcarii , przez Simona van der Meera , fizyka z Holandii . Służył do zbierania i schładzania antyprotonów — cząstki te zostały wstrzyknięte do Zderzacza Protonów i Antyprotonów , modyfikacji SPS, z przeciwbieżnymi protonami i zderzyły się w fizyce cząstek eksperyment. Za tę pracę van der Meer otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Nagrodę tę dzielił z Carlo Rubbia z Włoch , który zaproponował zderzacz protonów i antyprotonów . W tym eksperymencie odkryto bozony W i Z , podstawowe cząstki przenoszące słabe oddziaływanie jądrowe .
Przed wyłączeniem Tevatronu 30 września 2011 r. Fermi National Accelerator Laboratory stosowało chłodzenie stochastyczne w swoim źródle antyprotonów. Zgromadzone antyprotony zostały wysłane do Tevatronu, aby zderzyły się z protonami w dwóch punktach kolizji: CDF i eksperymencie D0 .
Podjęto próbę schłodzenia stochastycznego w Tevatron w Fermilab, ale nie zakończyła się ona pełnym sukcesem. Sprzęt został następnie przekazany do Brookhaven National Laboratory , gdzie został z powodzeniem zastosowany w wzdłużnym systemie chłodzenia w RHIC , używanym operacyjnie od 2006 roku. Od 2012 roku RHIC posiada operacyjne chłodzenie stochastyczne 3D, tj. chłodzenie płaszczyzn poziomych, pionowych i podłużnych.
Szczegóły techniczne
Chłodzenie stochastyczne wykorzystuje sygnały elektryczne wytwarzane przez pojedyncze cząstki w grupie cząstek (zwanej „wiązką” cząstek) do napędzania urządzenia elektromagnesu, zwykle elektrycznego kickera, który będzie kopać grupę cząstek w celu zmniejszenia krnąbrnego pędu ta jedna cząsteczka. Te pojedyncze kopnięcia są stosowane w sposób ciągły i przez dłuższy czas zmniejsza się średnia tendencja cząstek do niekontrolowanego pędu. Te czasy chłodzenia wahają się od sekundy do kilku minut, w zależności od wymaganej głębokości chłodzenia.
Chłodzenie stochastyczne służy do zmniejszenia poprzecznego rozrzutu pędu w wiązce naładowanych cząstek w pierścieniu akumulacyjnym poprzez wykrywanie fluktuacji pędu wiązek i zastosowanie korekty („impuls sterujący” lub „kopnięcie”). Jest to aplikacja negatywnej opinii . Nazywa się to „chłodzeniem”, ponieważ wiązkę można traktować jako zawierającą temperaturę wewnętrzną. Gdyby od pędu każdej cząstki odjąć średni pęd wiązki, naładowane cząstki poruszałyby się losowo, podobnie jak cząsteczki w gazie. Im bardziej energiczny ruch, tym „gorętsza” jest wiązka – znowu, podobnie jak cząsteczki w gazie.
Naładowane cząstki przemieszczają się w wiązkach w studniach potencjału, a oscylacja środka masy każdej wiązki jest łatwo tłumiona przy użyciu standardowych technik RF. Tłumienie to nie wpływa jednak na wewnętrzny rozkład pędu każdej wiązki . Kluczem do stochastycznego chłodzenia jest adresowanie pojedynczych cząstek w każdej wiązce za pomocą promieniowania elektromagnetycznego.
Pęczki przechodzą przez szerokopasmowy skaner optyczny, który wykrywa położenie poszczególnych cząstek. W synchrotronie ruch poprzeczny cząstek jest łatwo tłumiony przez promieniowanie synchrotronowe , które ma krótką długość impulsu i szerokie pasmo, ale ruch wzdłużny można zwiększyć jedynie za pomocą prostych urządzeń (patrz na przykład laser na swobodnych elektronach ). Aby uzyskać chłodzenie, informacje o położeniu są przekazywane z powrotem do wiązek cząstek (przy użyciu na przykład szybkiego magnesu typu kicker), tworząc pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego.
- Mikrostruktura łącznika.
- Jama Klystronu
- Do chłodzenia poprzecznego wykorzystywane są te same urządzenia, co w oscyloskopie czy w kamerze Streak
-
sprzęgacze kierunkowe , które integrują pomiar i regulację sterowania (w tym kontekście często nazywaną kopaniem) w jednym urządzeniu. Sprzężona energia wzrasta wraz z kwadratem długości struktury z powodu ponownego przyłożenia pola do cząstki. Cząsteczki poruszają się blisko, ale nie dokładnie z prędkością światła, więc urządzenia muszą spowalniać światło.
- tuba z falą biegnącą
- undulator
- Do chłodzenia poprzecznego można zastosować wiele płyt sterujących i cewek połączonych w celu utworzenia linii opóźniającej
- Makrostruktura dla odbioru. Sprzężona energia rośnie liniowo wraz z długością konstrukcji.
- Promieniowanie Czerenkowa . Sygnały z wielu elementów mikrostruktury są dodawane przed doprowadzeniem do wzmacniacza, redukując szumy.
- Wykorzystuje się wiele urządzeń dostrojonych (wąskie pasmo = niższy poziom szumów) do różnych częstotliwości, dzięki czemu można pokryć około 20 GHz.
Wiązki są ogniskowane przez mały otwór pomiędzy strukturą elektrody, dzięki czemu urządzenia mają dostęp do bliskiego pola promieniowania. Dodatkowo mierzony jest prąd padający na elektrodę i na podstawie tych informacji elektrody są centrowane na wiązce i przesuwane razem, podczas gdy wiązki stygną i zmniejszają się.
Słowo „stochastyczny” w tytule wynika z faktu, że zwykle tylko niektóre cząstki można jednoznacznie zaadresować naraz. Zamiast tego w każdej wiązce adresowane są małe grupy cząstek, a regulacja lub kopnięcie dotyczy średniego pędu każdej grupy. W związku z tym nie można ich schłodzić od razu, ale zamiast tego wymaga to wielu kroków. Im mniejsza grupa cząstek, którą można wykryć i wyregulować jednocześnie (wymagająca większej szerokości pasma), tym szybsze chłodzenie.
Ponieważ cząsteczki w pierścieniu akumulacyjnym poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, pętla sprzężenia zwrotnego na ogół musi czekać, aż wiązka powróci, aby dokonać korekty. Detektor i kicker można umieścić w różnych miejscach na ringu z odpowiednio dobranymi opóźnieniami, aby dopasować je do częstotliwości własnych pierścienia.
Chłodzenie jest bardziej wydajne w przypadku długich pęczków, ponieważ rozpiętość pozycji między cząstkami jest większa. Optymalnie wiązki są jak najkrótsze w akceleratorach pierścienia i jak najdłuższe w chłodnicach. Urządzenia, które to robią, są intuicyjnie nazywane noszami , kompresorami lub zbieraczami, debuncherami. (Łącza wskazują na równoważne urządzenia do impulsów świetlnych, więc należy pamiętać, że pryzmaty w łączu są funkcjonalnie zastąpione magnesami dipolowymi w akceleratorze cząstek).
W pierścieniach o niskiej energii wiązki mogą nakładać się na świeżo utworzone, a tym samym chłodne (1000 K) wiązki elektronów z akceleratora liniowego . Jest to bezpośrednie połączenie z kąpielą o niższej temperaturze, która również chłodzi wiązkę. Następnie można również analizować elektrony i zastosować chłodzenie stochastyczne.
Optyczne chłodzenie stochastyczne
Chociaż chłodzenie stochastyczne jest bardzo skuteczne, jego zastosowanie jest ograniczone do wiązek o małej liczbie cząstek na wiązkę. Optyczne chłodzenie stochastyczne (OSC) zostało zaproponowane w 1993 roku w celu zwiększenia szerokości pasma chłodzenia. Wykorzystując widzialne długości fal zamiast fal mikrofalowych, OSC obiecuje zwiększenie szerokości pasma chłodzenia o 4 rzędy wielkości w porównaniu z chłodzeniem stochastycznym. W OSC czasu tranzytowego, opracowanym w 1994 r., cząstka najpierw wytwarza pakiet fal w „undulatorze odbioru” („PU”). Pakiet fal i cząsteczka są oddzielnie transportowane do znajdującego się dalej „kicker undulatora” („KU”). Tutaj pakiet fal jest używany do nadania cząstce energii korygującej. Znak i wielkość kopnięcia energetycznego zależy od względnych czasów nadejścia cząstki i pakietu falowego. Ścieżki światła i cząstek muszą być dostrojone w taki sposób, aby cząstka odniesienia nie została odrzucona.
Fermilabie po raz pierwszy zademonstrowano optyczne chłodzenie stochastyczne