Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ОХЛАЖДЕНИЕ ПУЧКОВ

ОХЛАЖДЕНИЕ ПУЧКОВ

ОХЛАЖДЕНИЕ ПУЧКОВ - заряженных частиц- уменьшение фазового объёма, занимаемого частицами пучка в накопителе, за счёт к.-л. механизма диссипации. (Согласно Лиувилля теореме, в механич. системе без диссипации фазовый объём сохраняется.) Охлаждениепучка позволяет значительно повысить плотность частиц в фазовом пространстве, <т. е. существенно сжать пучок и уменьшить разброс скоростей частиц пучка. <Охлаждение позволяет производить длит. накопление частиц путём инжекциивсё новых частиц в освобождающиеся при охлаждении участки фазового пространства[1].

Скорость охлаждения частиц при наличиидиссипации определяется декрементом характеризующим скорость уменьшения элемента шсстимерного фазового объёма:

где - декременты охлаждения пучка по вертикальной, радиальной и продольнойстепеням свободы,и - полнаяи кинетическая энергии частицы, v - скорость частиц,- мощность потерь энергии (= - Fv, где F - диссипативная сила торможения).

Устанавливающееся в результате охлаждениязначение фазового объёма определяется балансом скорости охлаждения и скоростинагрева из-за разл. сопутствующих процессов, как связанных с самим механизмомохлаждения, так и "посторонних" (рассеяние на атомах остаточного газа вкамере, флуктуации полей накопителя и т. д.). Известно несколько методовохлаждения, отличающихся способом получения силы торможения.

Радиационное охлаждение связано с потерямиэнергии частицами на синхротронное излучение при движении в магн. <поле. Мощность синхротропного излучения в релятивистском случае равна [2]

где е, М - заряд и масса частицы, В- магн. индукция. Как видно из выражения (1), в этом случае Распределение полного затухания между степенями свободы, т. е. значения зависит от конкретной структуры магн. поля накопителя и др. факторов, определяющихвзаимную связь колебаний по разл. координатам. Так, для накопителя с азимутально-симметричныммагн. полем, характеризуемым показателем спада п, декременты охлажденияравны

В таком накопителе поперечные колебаниязатухают во всём диапазоне устойчивости бетатронпых колебаний0< п<1, а продольные - только при п< ³/₄.Для накопителей с жёсткой фокусировкой (|п|1)и постоянным вдоль орбиты магн. полем радиальные колебания раскачиваются, <т. е. <0. Простейшей структурой, совмещающей высокую жёсткость фокусировки и охлаждениепо всем степеням свободы, является т. п. система с разделёнными ф-циями:на поворотных участках поле однородно, а фокусировка и дефокусировка осуществляютсяквадрупольными линзами. В этом случае оба поперечных направления почтиэквивалентны а - средняяпо орбите мощность потерь).

Установившееся значение темп-ры пучкаопределяется раскачкой продольных и радиальных колебаний из-за квантовогохарактера излучения. Характерная энергия излучаемых фотонов равна ( - частотаобращения частицы). За время затухания излучается статистически независимых фотонов, поэтому разброс энергий в пучке будетсоставлять При излучении фотонов возбуждаются также радиальные бетатронные колебания(т. к. при этом меняется импульс частицы, а следовательно, и положениеравновесной орбиты). Вертикальные колебания раскачиваются слабее, т. к. <фотоны испускаются под малым углом ~ 1/к направлению движения (они определяются в основном связью радиальногои вертикального движения).

Механизм радиац. охлаждения эффективнодействует в накопителях электронов и позитронов (где он успешно используется).Для тяжёлых частиц мощность синхротроннго излучения слишком мала при техническидостижимых энергиях и магн. полях, и приходится прибегать к др. механизмамохлаждения.

Электронное охлаждение пучков тяжёлыхчастиц, предложенное Г. И. Будкером в 1966 и реализованное в 1974 - 75[3J, основано на взаимодействии охлаждаемого пучка с электронным пучком. <Для этого в одном из прямолинейных промежутков накопителя сквозь циркулирующийпучок тяжёлых частиц пропускается электронный пучок с той же ср. скоростьюи малым разбросом скоростей. Благодаря кулоновскому взаимодействию между"холодными" электронами и "горячими" тяжёлыми частицами происходит интенсивныйтеплообмен, в результате к-рого пучок тяжёлых частиц охлаждается. Декрементыохлаждения в поперечном направлении равны:

Здесь - средняя по орбите плотность электронов,- угл. разбросы тяжёлых частиц и электронов, М, т - их массы,- т. н. кулоновский логарифм (и - макс. <и мин. прицельные параметры столкновений). Установившееся значение определяется равенством темп-р электронов и тяжёлых частиц:

Из-за большой разности масс т и М угл. разброс в пучке тяжёлых частиц оказывается значительно меньше, <чей в охлаждающем электронном пучке.

Применяемое для обеспечения транспортировкипучка продольное магн. поле ещё более усиливает охлаждающее действие электронногопучка: поперечное тепловое движение электронов как бы "вымораживается"(тяжёлые частицы, пролетающие достаточно далеко от электрона, не ощущаютего быстрого обращения в магн. поле по ларморовской окружности), а темп-paпродольного движения электронов часто бывает много меньше поперечной.

Эксперименты с электронным охлаждением[3] позволили охладить протонный пучок с энергией 65 МэВ до Т~1 К за времена ~ 50 мс.

Ионизационное охлаждение основано на использованиидиссипативного характера сил торможения при ионизации вещества. Помещаяна пути пучка ряд тонких мишеней и обеспечив надлежащую связь между разл. <степенями свободы, можно обеспечить затухание по всем степеням свободы. <Установившиеся значения разброса скоростей обусловлены рассеяниемна ядрахвещества и флуктуациями ионизац. потерь. Для протонов и антипротонов применениеметода существенно ограничивается из-за их сильного взаимодействия с яд-рамивещества. Практич. реализации метод пока не получил. Можно ожидать, чтоон окажется эффективным для мюонных пучков.

Стохастическое охлаждение, предложенноеван дер Мером (1972), основано на введении затухания с помощью систем обратнойсвязи. Измерит. электроды определяют отклонение частицы по к.-л. направлению, <сигнал, пропорц. этому отклонению, усиливается и через систему обратнойсвязи воздействует на частицу, вызывая затухание колебаний по соответствующемунаправлению. Напр., для уменьшения разброса по импульсам измеряется радиальное отклонение частиц, к-рсе пропорц.Сигнал измерит. электрода после усиления подаётся на ускоряющий зазор вмомент прихода частицы, ускоряя или затормаживая её. Колебания отд. частииы(если бы она была одна) можно было бы подавить за время порядка одногооборота. Влияние соседних частиц, воздействующих на тот же электрод, увеличиваетвремя затухания. В пределе бесконечно большего числа частиц затухания вообщенет. Для конечного, хотя и большого, числа частиц затухание имеет место, <но оно невелико: его декремент ограничен неравенством

где и - частотаобращения частиц и её разброс, f - ширина полосы пропускания системыобратной связи. N - число частиц в циркулирующем пучке. Мин. достижимаятемп-pa пучка ограничена тепловыми шумами усилителя, к-рые "нагревают"пучок. Для преодоления этого ограничения можно применить большое числонезависимо работающих систем обратной связи. Экспериментально достигнутоевремя охлаждения зависело от параметров пучка и системы обратной связии составляло от неск. секунд до иеск. часов. Метод стохастич. охлажденияособенно эффективен при малом числе частиц и больших разбросах их скоростей. <Он успешно применён в ЦЕРНе в накопителе антипротонов.

Лит.:1)Будкер Г. И., СкринскийА. Н., Электронное охлаждение и новые возможности в физике элементарныхчастиц, "УФН", 1978, т. 124, с. 561; 2) Коломенский А. Л., Лебедев А. Н.,Теория циклических ускорителей, М., 1962; 3) Скринский А. Н., ПархомчукВ. В., Методы охлаждения пучков заряженных частиц, "ЭЧАЯ", 1981, т. 12,№ 3, с. 557.

В. В. Пархомчук.