حلقة تخزين

يجب تطبيق قوة على الجسيمات بحيث تُجبر على الحركة في مسار دائري تقريبًا. يمكن تحقيق ذلك باستخدام مجالات ثنائية القطب كهروستاتيكية أو مغناطيسية، ولكن نظرًا لأن معظم حلقات التخزين تخزن جسيمات مشحونة نسبية ، فإن استخدام المجالات المغناطيسية الناتجة عن مغانط ثنائية القطب هو الأكثر عملية . مع ذلك، بُنيت مسرعات كهروستاتيكية لتخزين جسيمات ذات طاقة منخفضة جدًا، ويمكن استخدام مجالات رباعية الأقطاب لتخزين النيوترونات (غير المشحونة) ؛ إلا أن هذه الأخيرة نادرة نسبيًا.

لا توفر المغناطيسات ثنائية القطب وحدها سوى ما يُسمى بالتركيز الضعيف ، وتؤدي حلقة التخزين المكونة من هذه الأنواع من العناصر المغناطيسية فقط إلى امتلاك الجسيمات حجم حزمة كبير نسبيًا. ويمكن أن يؤدي دمج المغناطيسات ثنائية القطب مع ترتيب مناسب من المغناطيسات رباعية وسداسية الأقطاب إلى نظام تركيز قوي مناسب يُنتج حجم حزمة أصغر بكثير. وتُعد هياكل شبكة FODO و Chasman-Green أمثلة بسيطة على أنظمة التركيز القوي، ولكن هناك العديد من الأمثلة الأخرى.

تُحرف المغناطيسات ثنائية القطب ورباعية القطب طاقات الجسيمات المختلفة بمقادير متفاوتة، وهي خاصية تُسمى الانحراف اللوني قياسًا على البصريات الفيزيائية . وبالتالي، فإن انتشار الطاقات الموجود بطبيعته في أي حزمة جسيمات مخزنة عمليًا سيؤدي إلى انتشار التركيز العرضي والطولي، فضلًا عن المساهمة في عدم استقرار حزمة الجسيمات. تُستخدم المغناطيسات سداسية القطب (والمغناطيسات ذات الرتب الأعلى) لتصحيح هذه الظاهرة، ولكن هذا بدوره يُؤدي إلى حركة غير خطية تُعد إحدى المشكلات الرئيسية التي تواجه مصممي حلقات التخزين.

بما أن الحزم ستقطع ملايين الكيلومترات (مع الأخذ في الاعتبار أنها ستتحرك بسرعة تقارب سرعة الضوء لساعات طويلة)، فإن أي غاز متبقٍ في أنبوب الحزمة سيؤدي إلى عدد هائل من التصادمات. وهذا بدوره سيزيد من حجم الحزمة، ويزيد من تشتت الطاقة. لذا، فإن تحسين الفراغ يُحسّن ديناميكيات الحزمة. كذلك، فإن أحداث التشتت الفردية ذات الزاوية الكبيرة، سواءً من الغاز المتبقي أو من جسيمات أخرى في الحزمة ( تأثير توشيك )، يمكن أن تقذف الجسيمات بعيدًا لدرجة أنها تُفقد على جدران وعاء الفراغ الخاص بالمسرّع. يُطلق على هذا الفقدان التدريجي للجسيمات اسم عمر الحزمة، ويعني أنه يجب حقن حلقات التخزين دوريًا بمجموعة جديدة من الجسيمات.

يمكن حقن الجسيمات في حلقة التخزين بعدة طرق، تبعًا لتطبيقها. أبسط هذه الطرق استخدام مغناطيس ثنائي القطب نابض واحد أو أكثر ( مغناطيسات توجيه الحقن ) لتوجيه سلسلة الجسيمات الواردة إلى مسار الحزمة المخزنة؛ حيث يتم إيقاف تشغيل مغناطيسات التوجيه قبل عودة سلسلة الجسيمات المخزنة إلى نقطة الحقن، مما ينتج عنه حزمة مخزنة. تُسمى هذه الطريقة أحيانًا بالحقن أحادي الدورة.

يُتيح الحقن متعدد الدورات تجميع العديد من سلاسل الجسيمات الواردة، كما هو الحال عند الحاجة إلى تيار مُخزّن كبير. بالنسبة لجسيمات مثل البروتونات، حيث لا يوجد تخميد كبير للشعاع، تُوضع كل نبضة محقونة على نقطة مُحددة في فضاء الطور العرضي أو الطولي للشعاع المُخزّن ، مع الحرص على عدم إخراج السلاسل المحقونة سابقًا باستخدام ترتيب دقيق لانحراف الشعاع والتذبذبات المتماسكة في الشعاع المُخزّن. في حال وجود تخميد كبير للشعاع، على سبيل المثال بسبب التخميد الإشعاعي للإلكترونات الناتج عن إشعاع السنكروترون ، يُمكن وضع النبضة المحقونة على حافة فضاء الطور ثم تركها لتتخمد في فضاء الطور العرضي ضمن الشعاع المُخزّن قبل حقن نبضة أخرى. تتراوح أزمنة التخميد النموذجية الناتجة عن إشعاع السنكروترون بين عشرات الميلي ثانية، مما يسمح بتجميع العديد من النبضات في الثانية.

إذا لزم استخلاص الجسيمات (على سبيل المثال في سلسلة من المسرعات)، فيمكن إجراء الاستخلاص أحادي الدورة بشكل مماثل للحقن. كما يمكن استخدام الاستخلاص الرنيني.

يجب تخزين الجسيمات لعدد كبير جدًا من الدورات، قد يتجاوز 10 مليارات دورة. ويُعدّ تحقيق هذا الاستقرار طويل الأمد تحديًا، ويتطلب دمج تصميم المغناطيس مع رموز التتبع ^{[ 3 ]} والأدوات التحليلية لفهم الاستقرار طويل الأمد وتحسينه.

في حالة حلقات تخزين الإلكترونات، يُخفف التخميد الإشعاعي من مشكلة الاستقرار بتوفير حركة غير هاميلتونية تُعيد الإلكترونات إلى مدارها التصميمي بآلاف الدورات. وبالإضافة إلى الانتشار الناتج عن تقلبات طاقات الفوتونات المُشعّة، يتم الوصول إلى توزيع متوازن للشعاع. يمكن الرجوع إلى المرجع ^{[ 4 ]} لمزيد من التفاصيل حول بعض هذه المواضيع.