Efter 20 år, fysikere finder en måde at holde styr på tabte acceleratorpartikler

En højintensiv acceleratorstråle er dannet af billioner af partikler, der løber med lynets hastighed ned ad et system af kraftige magneter og højenergi-superledere. At beregne strålefysikken er så kompleks, at ikke engang de hurtigste supercomputere kan følge med.

Imidlertid, en milepælspræstation af acceleratorfysikere ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har gjort det muligt at studere strålekarakteriseringer i ekstraordinære nye detaljer. De brugte en nyudviklet måleteknik til bedre at forstå stråletab - herreløse partikler, der bevæger sig uden for acceleratorens indespærringsfelter. Afbødning af stråletab er altafgørende for at realisere mere kraftfulde acceleratorer i mindre skalaer og lavere omkostninger.

"Det er et problem, der har forfulgt os i mere end 20 år, " sagde ORNL accelerator fysiker Alexander Aleksandrov. "Stråletab er sandsynligvis det største problem for højintensive acceleratorer, som Large Hadron Collider ved CERN og Spallation Neutron Source (SNS) her ved Oak Ridge."

Kører på 1,4 megawatt, SNS er et af DOEs flagskibsforskningsfaciliteter, der udnytter neutroner til at studere energi og materialer på atomær skala. Neutroner skabes ved SNS ved at fremdrive bundter, eller pulser, af protoner med næsten 90 procent af lysets hastighed ned ad anlæggets lineære accelerator – eller linac. For enden af ​​linac, protonstråleimpulserne slår ind i en metalmålbeholder fyldt med hvirvlende flydende kviksølv med en hastighed på 60 gange i sekundet.

De atomare kollisioner skaber mængder af neutroner - omkring 20 neutroner pr. proton. Neutronerne flyver derefter gennem energimoderatorer og vakuumkamre til omgivende instrumenter, hvor videnskabsmænd bruger dem til at studere, hvordan et materiales atomer er arrangeret, og hvordan de opfører sig. I det væsentlige, forøgelse af acceleratorkraften øger antallet af dannede neutroner, hvilket igen øger anlæggets videnskabelige produktivitet og muliggør nye typer eksperimenter.

"Ideelt set vi ønsker, at alle partiklerne i strålen skal koncentreres til en enkelt, meget kompakt sky. Når partikler forvilder sig væk, de danner lavdensitetsskyer, kaldet en strålehalo. Hvis glorien bliver for stor og rører væggene i speederen, som resulterer i stråletab og kan skabe strålingseffekter og andre problemer, " sagde Aleksandrov.

I stedet for at foretage målingerne hos SNS, holdet brugte en kopi af SNS linac på ORNL's Beam Test Facility. Brug af en replika gør det muligt for forskere at udføre avancerede fysikstudier på acceleratoren uden at afbryde eksperimenter på selve neutronproduktionsanlægget.

Den avancerede måleteknik er baseret på den samme tilgang, som forskerne brugte i 2018 til at lave den første partikelacceleratorstrålemåling i seks dimensioner . Mens 3D-rum inkluderer punkter på x, y, og z-akser til at måle position, 6D rum har tre ekstra koordinater til at måle en partikels vinkel, eller bane.

"Teknikken er faktisk ret simpel. Vi tager en materialeblok med et antal slidser, som vi bruger til at skære små prøver af strålen ud. Det giver os en bjælke, der indeholder en mindre, mere overskueligt antal partikler, som vi kan måle, og vi kan flytte den blok rundt for at måle andre sektioner af strålen, " sagde Aleksandrov.

Stråleprøverne blev ekstraheret fra en af ​​linacens primære accelererende komponenter kaldet mediumenergistråletransportlinjen, eller MEBT. Replikken MEBT, omkring 4 meter lang, inkluderer en stråleskraber for at reducere tidlig strålehalo og giver mere plads end typiske MEBT'er til andre diagnostiske værktøjer.

"Men, i stedet for at skære ud 6D-faseplads, denne gang skærer vi kun prøver ud i todimensionelt faserum, sagde han. Grundlæggende, hvis du kan måle i seks dimensioner med rimelig opløsning, så kan du måle i lavere dimensioner med meget højere opløsning."

Ved at bruge 6D-målingerne som en baseline tilgang, måling i 2-D låste op for et radikalt forbedret opløsningsniveau på 1 del per million. En del per million er vigtig for moderne acceleratorer af to grunde, ifølge Aleksandrov. Det er den maksimalt tilladte tæthed, ved hvilken strålehalo kan håndteres, og det er opløsningsniveauet, eller dynamisk område, nødvendigt for at validere og bygge mere nøjagtige computermodelleringssimuleringer af strålehaloeffekten.

"I fortiden, strålemodellering på dette niveau var en slags umulig opgave, fordi computere ikke var i stand til at beregne milliarder af partikler; og nu kan de men det kan ikke gøres præcist uden disse indledende strålefordelinger, sagde Kiersten Ruisard, en Clifford G. Shull postdoc-stipendiat ved ORNL. "Der er ingen model, som vi kender til, der forudsiger stråletabsmønstrene, der måles i den rigtige accelerator. At teste vores modeller med dette hidtil usete præcisionsniveau er nødvendigt for at bygge mere robuste simuleringer, der vil hjælpe os med at afbøde disse tab."

Måling af strålen ved en relativt lav energi på 2,5 megaelektronvolt gav forskerne indsigt i, hvordan man modellerer strålen ved højere energier. Aleksandrov sagde, at de allerede arbejder på den næste teknikforbedring, hvilket vil involvere at bruge lasere til at måle strålen ved en væsentlig højere energi på 1 gigaelektronvolt. Den opgradering er et par år ude.

Holdets forskningsresultater offentliggøres i det videnskabelige tidsskrift Nukleare instrumenter og metoder i fysikforskning . Ud over Aleksandrov, Cousineau, og Ruisard, avisens forfattere omfatter ORNLs Alexander Zhukov.

"Selvom vi kunne lave 100 megawatt-acceleratorer nu, det er bare ikke praktisk. De ville være for store og for dyre, " sagde fysiker Sarah Cousineau, sektionslederen for videnskab og teknologi i ORNL's Research Accelerator Division. "At forbedre opløsningen af ​​målingen til højere niveauer giver os ikke kun mulighed for at gøre fremskridt med at forstå og simulere strålehalo, men det fremmer også vores forståelse af, hvordan man gør acceleratorer mere kraftfulde, i mindre skalaer, og til meget mere rimelige omkostninger."