Física de aceleradores

La física de aceleradores es una rama de la física aplicada que se ocupa del diseño, la construcción y el funcionamiento de aceleradores de partículas . En este sentido, puede describirse como el estudio del movimiento, la manipulación y la observación de haces de partículas cargadas relativistas y su interacción con las estructuras de los aceleradores mediante campos electromagnéticos .

También está relacionado con otros campos:

• Ingeniería de microondas (para estructuras de aceleración/deflexión en el rango de radiofrecuencia ).
• Óptica con énfasis en óptica geométrica (enfoque y desviación de haces) y física láser (interacción láser-partícula).
• Tecnología informática con énfasis en el procesamiento digital de señales ; por ejemplo, para la manipulación automatizada del haz de partículas.
• Física de plasmas , para la descripción de haces intensos.

Los experimentos realizados con aceleradores de partículas no se consideran parte de la física de aceleradores, sino que pertenecen (según los objetivos de los experimentos) a, por ejemplo, la física de partículas , la física nuclear , la física de la materia condensada o la física de materiales . Los tipos de experimentos que se realizan en una instalación de aceleradores en particular están determinados por las características del haz de partículas generado, tales como la energía promedio, el tipo de partícula, la intensidad y las dimensiones.

Si bien es posible acelerar partículas cargadas mediante campos electrostáticos, como en un multiplicador de voltaje de Cockcroft-Walton , este método tiene limitaciones debido a la ruptura dieléctrica a altos voltajes. Además, dado que los campos electrostáticos son conservativos, el voltaje máximo limita la energía cinética que se puede aplicar a las partículas.

Para sortear este problema, los aceleradores lineales de partículas funcionan mediante campos variables en el tiempo. Para controlar estos campos utilizando estructuras macroscópicas huecas a través de las cuales pasan las partículas (restricciones de longitud de onda), la frecuencia de dichos campos de aceleración se sitúa en la región de radiofrecuencia del espectro electromagnético.

El espacio alrededor de un haz de partículas se evacúa para evitar la dispersión con átomos de gas, por lo que requiere que esté confinado en una cámara de vacío (o tubo de haz ). Debido a los fuertes campos electromagnéticos que siguen al haz, es posible que interactúe con cualquier impedancia eléctrica en las paredes del tubo de haz. Esta puede ser una impedancia resistiva (es decir, la resistividad finita del material del tubo de haz) o una impedancia inductiva/capacitiva (debido a los cambios geométricos en la sección transversal del tubo de haz).

Estas impedancias inducen campos de estela (una fuerte distorsión del campo electromagnético del haz) que pueden interactuar con partículas posteriores. Dado que esta interacción puede tener efectos negativos, se estudia para determinar su magnitud y las medidas que se pueden tomar para mitigarla.

Debido a la alta velocidad de las partículas y la fuerza de Lorentz resultante para los campos magnéticos, los ajustes a la dirección del haz se controlan principalmente mediante campos magnetostáticos que desvían las partículas. En la mayoría de los conceptos de aceleradores (excluyendo estructuras compactas como el ciclotrón o el betatrón ), estos se aplican mediante electroimanes específicos con diferentes propiedades y funciones. Un paso importante en el desarrollo de este tipo de aceleradores fue la comprensión del enfoque fuerte . ^{[ 1 ]} Los imanes dipolares se utilizan para guiar el haz a través de la estructura, mientras que los imanes cuadrupolares se utilizan para enfocar el haz, y los imanes sextupolares se utilizan para corregir los efectos de dispersión .

Una partícula en la trayectoria de diseño exacta (u órbita de diseño ) del acelerador solo experimenta componentes de campo dipolar, mientras que las partículas con desviación de posición transversal${\displaystyle x(s)}$se vuelven a enfocar a la órbita de diseño. Para cálculos preliminares, despreciando todos los componentes de campo superiores a cuadrupolares, una ecuación diferencial de Hill no homogénea

${\displaystyle {\frac {d^{2}}{ds^{2}}}\,x(s)+k(s)\,x(s)={\frac {1}{\rho }}\,{\frac {\Delta p}{p}}}$

puede utilizarse como una aproximación, ^{[ 2 ]} con

una fuerza de enfoque no constante${\displaystyle k(s)}$incluyendo efectos de enfoque fuerte y débil.

la desviación relativa del impulso del haz de diseño${\displaystyle \Delta p/p}$

el radio de curvatura de la trayectoria${\displaystyle \rho }$, y

la longitud de la ruta de diseño${\displaystyle s}$,

De esta forma, se identifica el sistema como un oscilador paramétrico . Los parámetros del haz para el acelerador se pueden calcular mediante el análisis de la matriz de transferencia de rayos ; por ejemplo, un campo cuadrupolar es análogo a una lente en óptica geométrica, ya que posee propiedades similares en cuanto al enfoque del haz (pero obedece al teorema de Earnshaw ).

Las ecuaciones generales del movimiento se originan a partir de la mecánica hamiltoniana relativista , utilizando en casi todos los casos la aproximación paraxial . Incluso en los casos de campos magnéticos fuertemente no lineales, y sin la aproximación paraxial, se puede utilizar una transformada de Lie para construir un integrador con un alto grado de precisión. ^{[ 3 ]}

Existen numerosos paquetes de software para modelar los diferentes aspectos de la física de aceleradores. Es necesario modelar los elementos que generan los campos eléctricos y magnéticos, y posteriormente, la evolución de las partículas cargadas dentro de dichos campos.

Un componente vital de cualquier acelerador son los dispositivos de diagnóstico que permiten medir diversas propiedades de los haces de partículas.

Una máquina típica puede utilizar diferentes tipos de dispositivos de medición para medir distintas propiedades. Estos incluyen (pero no se limitan a) monitores de posición del haz (BPM) para medir la posición del paquete de partículas, pantallas (pantallas fluorescentes, dispositivos de radiación de transición óptica (OTR)) para obtener imágenes del perfil del paquete, escáneres de alambre para medir su sección transversal y toroides o ICT para medir la carga del paquete (es decir, el número de partículas por paquete).

Si bien muchos de estos dispositivos se basan en tecnología bien conocida, diseñar un dispositivo capaz de medir un haz para una máquina específica es una tarea compleja que requiere mucha experiencia. No solo es necesario comprender a fondo la física del funcionamiento del dispositivo, sino también garantizar que este sea capaz de medir los parámetros esperados de la máquina en cuestión.

El éxito de la gama completa de diagnósticos del haz suele ser la base del éxito de la máquina en su conjunto.

En máquinas de esta envergadura, los errores en la alineación de los componentes, la intensidad del campo, etc., son inevitables, por lo que es importante tener en cuenta las tolerancias bajo las cuales puede operar una máquina.

Los ingenieros proporcionarán a los físicos las tolerancias esperadas para la alineación y fabricación de cada componente, lo que permitirá realizar simulaciones físicas completas del comportamiento previsto de la máquina en estas condiciones. En muchos casos, se observará que el rendimiento se degrada a un nivel inaceptable, lo que requerirá la reingeniería de los componentes o la invención de algoritmos que permitan «ajustar» el rendimiento de la máquina al nivel de diseño. ^{[ 4 ]}

Esto puede requerir numerosas simulaciones de diferentes condiciones de error para determinar el éxito relativo de cada algoritmo de ajuste y para poder formular recomendaciones sobre el conjunto de algoritmos que se implementarán en la máquina real.

• Acelerador de partículas
• Publicaciones significativas para la física de aceleradores
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• Schopper, Herwig F. (1993). Avances en física y tecnologías de aceleradores . World Scientific. ISBN 978-981-02-0957-5. Consultado el 9 de marzo de 2012 .
• Wiedemann, Helmut (2015). Física de aceleradores de partículas . Textos de posgrado en física. Cham: Springer International Publishing. Bibcode : 2015pap..book.....W . doi : 10.1007/978-3-319-18317-6 . ISBN 978-3-319-18316-9.
• Lee, Shyh-Yuan (2019). Física de aceleradores (4.ª  ed.). World Scientific . ISBN 978-981-256-200-5.
• Chao, Alex W.; Tigner, Maury, eds. (2013). Manual de física e ingeniería de aceleradores (2.ª  ed.). World Scientific . doi : 10.1142/8543 . ISBN 978-981-4417-17-4. S2CID 108427390 . 
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• Chao, Alex W.; Chou, Weiren (2013). Reviews of Accelerator Science and Technology Volumen 5. World Scientific. doi : 10.1142/8721 . ISBN 978-981-4449-94-6.
• Chao, Alex W.; Chou, Weiren (2012). Reviews of Accelerator Science and Technology Volumen 4. World Scientific. doi : 10.1142/8380 . ISBN 978-981-438-398-1.

• Escuela de aceleradores de partículas de Estados Unidos
• Sitio de física de haces de UCB/LBL
• Página de BNL sobre el concepto de gradiente alterno