فيزياء المسرع

فيزياء المسرعات هي فرع من فروع الفيزياء التطبيقية ، تهتم بتصميم وبناء وتشغيل مسرعات الجسيمات . وبذلك، يمكن وصفها بأنها دراسة حركة ومعالجة ومراقبة حزم الجسيمات المشحونة النسبية وتفاعلها مع هياكل المسرعات بواسطة المجالات الكهرومغناطيسية .

وهو مرتبط أيضاً بمجالات أخرى:

• هندسة الموجات الدقيقة (للهياكل التيسيرية/الانحرافية في نطاق الترددات الراديوية ).
• علم البصريات مع التركيز على البصريات الهندسية (تركيز الشعاع وانحناءه) وفيزياء الليزر (تفاعل الليزر مع الجسيمات).
• تكنولوجيا الحاسوب مع التركيز على معالجة الإشارات الرقمية ؛ على سبيل المثال، من أجل التلاعب الآلي بحزمة الجسيمات.
• فيزياء البلازما ، لوصف الحزم المكثفة.

لا تُعتبر التجارب التي تُجرى باستخدام مُسرّعات الجسيمات جزءًا من فيزياء المُسرّعات، بل تنتمي (بحسب أهداف التجارب) إلى فروع أخرى، مثل فيزياء الجسيمات ، والفيزياء النووية ، وفيزياء المادة المكثفة ، وفيزياء المواد . وتُحدد أنواع التجارب التي تُجرى في منشأة مُسرّع مُعينة بخصائص حزمة الجسيمات المُولّدة ، مثل متوسط ​​الطاقة، ونوع الجسيمات، وشدتها، وأبعادها.

على الرغم من إمكانية تسريع الجسيمات المشحونة باستخدام المجالات الكهروستاتيكية، كما هو الحال في مضاعف الجهد من نوع كوكروفت-والتون ، إلا أن هذه الطريقة لها حدودٌ بسبب الانهيار الكهربائي عند الفولتيات العالية. علاوة على ذلك، ونظرًا لأن المجالات الكهروستاتيكية تُعتبر محافظة، فإن أقصى جهد يحد من الطاقة الحركية التي يمكن تطبيقها على الجسيمات.

للتغلب على هذه المشكلة، تعمل مسرعات الجسيمات الخطية باستخدام مجالات متغيرة مع الزمن. وللتحكم في هذه المجالات باستخدام هياكل مجهرية مجوفة تمر عبرها الجسيمات (قيود الطول الموجي)، يقع تردد مجالات التسارع هذه في نطاق الترددات الراديوية من الطيف الكهرومغناطيسي.

يُفرغ الحيز المحيط بشعاع الجسيمات من الهواء لمنع تشتته مع ذرات الغاز، مما يستلزم وضعه داخل حجرة مفرغة (أو أنبوب شعاع ). ونظرًا للمجالات الكهرومغناطيسية القوية التي تتبع الشعاع، فمن المحتمل أن يتفاعل مع أي مقاومة كهربائية في جدران أنبوب الشعاع. وقد يكون هذا التفاعل على شكل مقاومة كهربائية (أي المقاومة النوعية المحدودة لمادة أنبوب الشعاع) أو مقاومة حثية/سعوية (نتيجة للتغيرات الهندسية في المقطع العرضي لأنبوب الشعاع).

ستُحدث هذه المعاوقات موجاتٍ خلفية (تشوهًا قويًا للمجال الكهرومغناطيسي للشعاع) قادرة على التفاعل مع الجسيمات اللاحقة. ونظرًا لأن هذا التفاعل قد يكون له آثار سلبية، فإنه يُدرس لتحديد مقداره، ولتحديد أي إجراءات يمكن اتخاذها للتخفيف منه.

نظراً للسرعة العالية للجسيمات، وما ينتج عنها من قوة لورنتز في المجالات المغناطيسية، فإن تعديلات اتجاه الحزمة تُتحكم بها بشكل أساسي بواسطة المجالات المغناطيسية الساكنة التي تُحرف الجسيمات. في معظم مفاهيم المُسرّعات (باستثناء الهياكل المُدمجة مثل السيكلوترون أو البيتاثرون )، تُطبّق هذه المجالات بواسطة مغانط كهربائية مُخصصة ذات خصائص ووظائف مُختلفة. كانت إحدى الخطوات المهمة في تطوير هذا النوع من المُسرّعات فهم التركيز القوي . ^{[ 1 ]} تُستخدم مغانط ثنائية القطب لتوجيه الحزمة عبر الهيكل، بينما تُستخدم مغانط رباعية القطب لتركيز الحزمة، وتُستخدم مغانط سداسية القطب لتصحيح تأثيرات التشتت .

لا تتعرض الجسيمات التي تسير على مسار التصميم الدقيق (أو مدار التصميم ) للمسرع إلا لمكونات مجال ثنائي القطب، بينما تتعرض الجسيمات ذات الانحراف الموضعي العرضي${\displaystyle x(s)}$يتم إعادة تركيزها على مدار التصميم. ولإجراء الحسابات الأولية، مع إهمال جميع مكونات المجال الأعلى من المجال الرباعي الأقطاب، يتم استخدام معادلة تفاضلية غير متجانسة لهيل

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

يمكن استخدامها كتقريب، ^{[ 2 ]} مع

قوة تركيز غير ثابتة${\displaystyle k(s)}$، بما في ذلك تأثيرات التركيز القوي والتركيز الضعيف

الانحراف النسبي عن نبضة الشعاع التصميمية${\displaystyle \Delta p/p}$

نصف قطر انحناء المسار${\displaystyle \rho }$، و

طول مسار التصميم${\displaystyle s}$،

وبذلك يتم تحديد النظام على أنه مذبذب بارامتري . ويمكن بعد ذلك حساب معلمات الحزمة للمسرع باستخدام تحليل مصفوفة نقل الأشعة ؛ على سبيل المثال، يشبه المجال رباعي الأقطاب العدسة في البصريات الهندسية، حيث يتمتع بخصائص مماثلة فيما يتعلق بتركيز الحزمة (ولكنه يخضع لنظرية إيرنشو ).

تنشأ المعادلات العامة للحركة من ميكانيكا هاميلتون النسبية ، باستخدام تقريب المحور البؤري في معظم الحالات . حتى في حالات المجالات المغناطيسية غير الخطية بشدة، وبدون تقريب المحور البؤري، يمكن استخدام تحويل لي لإنشاء مُكامل بدقة عالية. ^{[ 3 ]}

تتوفر العديد من حزم البرامج المختلفة لنمذجة الجوانب المختلفة لفيزياء المسرعات. يجب نمذجة العناصر التي تولد المجالات الكهربائية والمغناطيسية، ثم يجب نمذجة تطور الجسيمات المشحونة داخل هذه المجالات.

تُعد أجهزة التشخيص التي تسمح بقياس الخصائص المختلفة لحزم الجسيمات مكونًا حيويًا لأي مسرع.

قد تستخدم الآلة النموذجية أنواعًا مختلفة من أجهزة القياس لقياس خصائص مختلفة. وتشمل هذه (على سبيل المثال لا الحصر) أجهزة مراقبة موضع الحزمة (BPMs) لقياس موضع الحزمة، والشاشات (الشاشات الفلورية، وأجهزة إشعاع الانتقال البصري (OTR)) لتصوير شكل الحزمة، والماسحات الضوئية السلكية لقياس مقطعها العرضي، والحلقات أو أجهزة ICT لقياس شحنة الحزمة (أي عدد الجسيمات في الحزمة).

رغم أن العديد من هذه الأجهزة تعتمد على تقنيات معروفة، إلا أن تصميم جهاز قادر على قياس شعاع لآلة معينة مهمة معقدة تتطلب خبرة واسعة. ولا يقتصر الأمر على ضرورة فهم فيزياء تشغيل الجهاز فهمًا كاملًا، بل من الضروري أيضًا التأكد من قدرة الجهاز على قياس المعايير المتوقعة للآلة قيد الدراسة.

غالباً ما يكون نجاح مجموعة التشخيصات الكاملة للشعاع أساساً لنجاح الجهاز ككل.

الأخطاء في محاذاة المكونات، وقوة المجال، وما إلى ذلك، أمر لا مفر منه في الآلات بهذا الحجم، لذلك من المهم مراعاة التفاوتات التي قد تعمل الآلة في ظلها.

سيُزوّد ​​المهندسون الفيزيائيين بالتفاوتات المتوقعة لمحاذاة وتصنيع كل مكون، مما يسمح بإجراء محاكاة فيزيائية كاملة للسلوك المتوقع للآلة في ظل هذه الظروف. في كثير من الحالات، سيتبين أن الأداء قد تدهور إلى مستوى غير مقبول، مما يستلزم إما إعادة هندسة المكونات، أو ابتكار خوارزميات تسمح بضبط أداء الآلة ليعود إلى مستوى التصميم. ^{[ 4 ]}

قد يتطلب هذا إجراء العديد من عمليات المحاكاة لظروف الخطأ المختلفة من أجل تحديد النجاح النسبي لكل خوارزمية ضبط، وللسماح بتقديم توصيات بشأن مجموعة الخوارزميات التي سيتم نشرها على الجهاز الحقيقي.

• مسرع الجسيمات
• منشورات هامة في فيزياء المسرعات
• التصنيف: فيزياء المسرعات
• التصنيف: فيزيائيو المسرعات
• التصنيف: مسرعات الجسيمات

• شوبر، هيرويغ ف. (1993). تطورات في فيزياء وتقنيات المسرعات . وورلد ساينتيفيك. ISBN 978-981-02-0957-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 مارس 2012 .
• ويدمان، هيلموت (2015). فيزياء مسرعات الجسيمات . نصوص الدراسات العليا في الفيزياء. تشام: دار نشر سبرينغر الدولية. Bibcode : 2015pap..book.....W . doi : 10.1007/978-3-319-18317-6 . ISBN 978-3-319-18316-9.
• لي، شيه-يوان (2019). فيزياء المسرعات (  الطبعة الرابعة). وورلد ساينتيفيك . ISBN 978-981-256-200-5.
• تشاو، أليكس دبليو؛ تايجنر، موري، محرران. (2013). دليل فيزياء وهندسة المسرعات (  الطبعة الثانية). وورلد ساينتيفيك . doi : 10.1142/8543 . ISBN 978-981-4417-17-4. S2CID 108427390 . 
• تشاو، أليكس دبليو؛ تشو، ويرن (2014). مراجعات في علوم وتكنولوجيا المسرعات ، المجلد 6. وورلد ساينتيفيك. doi : 10.1142/9079 . ISBN 978-981-4583-24-4.
• تشاو، أليكس دبليو؛ تشو، ويرن (2013). مراجعات في علوم وتكنولوجيا المسرعات ، المجلد 5. وورلد ساينتيفيك. doi : 10.1142/8721 . ISBN 978-981-4449-94-6.
• تشاو، أليكس دبليو؛ تشو، ويرن (2012). مراجعات في علوم وتكنولوجيا المسرعات ، المجلد 4. وورلد ساينتيفيك. doi : 10.1142/8380 . ISBN 978-981-438-398-1.

• مدرسة الولايات المتحدة لتسريع الجسيمات
• موقع فيزياء الحزم التابع لجامعة كاليفورنيا في بيركلي/مختبر لورانس بيركلي الوطني
• صفحة BNL حول مفهوم التدرج المتناوب