Un anillo de almacenamiento es un tipo de acelerador de partículas circular en el que se puede mantener circulando un haz de partículas continuo o pulsado, normalmente durante muchas horas. El almacenamiento de una partícula en particular depende de la masa , el momento y, generalmente, la carga de la partícula que se va a almacenar. Los anillos de almacenamiento suelen almacenar electrones , positrones o protones . [1]
Los anillos de almacenamiento se utilizan con mayor frecuencia para almacenar electrones que irradian radiación sincrotrón . Existen más de 50 instalaciones basadas en anillos de almacenamiento de electrones que se utilizan para una variedad de estudios en química y biología. Los anillos de almacenamiento también se pueden utilizar para producir haces de electrones polarizados de alta energía mediante el efecto Sokolov-Ternov . La aplicación más conocida de los anillos de almacenamiento es su uso en aceleradores de partículas y en colisionadores de partículas , donde dos haces contrarrotativos de partículas almacenadas chocan en ubicaciones discretas. Las interacciones subatómicas resultantes se estudian luego en un detector de partículas circundante . Ejemplos de tales instalaciones son LHC , LEP , PEP-II , KEKB , RHIC , Tevatron y HERA .
Un anillo de almacenamiento es un tipo de sincrotrón . Mientras que un sincrotrón convencional sirve para acelerar partículas desde un estado de baja a alta energía con la ayuda de cavidades aceleradoras de radiofrecuencia, un anillo de almacenamiento mantiene las partículas almacenadas a una energía constante y las cavidades de radiofrecuencia solo se utilizan para reemplazar la energía perdida a través del sincrotrón. radiación y otros procesos.
Gerard K. O'Neill propuso el uso de anillos de almacenamiento como bloques de construcción para un colisionador en 1956. Un beneficio clave de los anillos de almacenamiento en este contexto es que el anillo de almacenamiento puede acumular un flujo de luz alto procedente de un acelerador de inyección que logra una velocidad mucho menor. flujo. [2]
Se debe aplicar una fuerza a las partículas de tal manera que se vean obligadas a moverse en una trayectoria aproximadamente circular. Esto se puede lograr usando campos electrostáticos dipolo o campos magnéticos dipolo, pero debido a que la mayoría de los anillos de almacenamiento almacenan partículas cargadas relativistas , resulta que es más práctico usar campos magnéticos producidos por imanes dipolo . Sin embargo, se han construido aceleradores electrostáticos para almacenar partículas de muy baja energía y se pueden utilizar campos cuadrupolares para almacenar neutrones (sin carga) ; Sin embargo, estos son comparativamente raros.
Los imanes dipolares por sí solos sólo proporcionan lo que se llama enfoque débil , y un anillo de almacenamiento compuesto únicamente por este tipo de elementos magnéticos da como resultado que las partículas tengan un tamaño de haz relativamente grande. Intercalar imanes dipolares con una disposición adecuada de imanes cuadrupolos y sextupolos puede proporcionar un sistema de enfoque fuerte adecuado que puede generar un tamaño de haz mucho más pequeño. Las estructuras reticulares FODO y Chasman-Green son ejemplos simples de sistemas de enfoque fuertes, pero hay muchos otros.
Los imanes dipolo y cuadrupolo desvían diferentes energías de partículas en diferentes cantidades, una propiedad llamada cromaticidad por analogía con la óptica física . Por lo tanto, la dispersión de energías que está inherentemente presente en cualquier haz práctico de partículas almacenadas dará lugar a una dispersión del enfoque transversal y longitudinal, además de contribuir a diversas inestabilidades del haz de partículas. Para corregir este fenómeno se utilizan imanes sextupolares (e imanes de orden superior), pero esto a su vez da lugar a un movimiento no lineal , que es uno de los principales problemas a los que se enfrentan los diseñadores de anillos de almacenamiento.
Como los racimos viajarán muchos millones de kilómetros (considerando que se moverán a una velocidad cercana a la de la luz durante muchas horas), cualquier gas residual en el tubo del haz resultará en muchas, muchas colisiones. Esto tendrá el efecto de aumentar el tamaño del racimo y aumentar la distribución de energía. Por lo tanto, un mejor vacío produce una mejor dinámica del haz. Además, eventos únicos de dispersión de gran ángulo provenientes del gas residual o de otras partículas del grupo ( efecto Touschek ), pueden expulsar partículas lo suficientemente lejos como para que se pierdan en las paredes del recipiente de vacío del acelerador. Esta pérdida gradual de partículas se denomina vida útil del haz y significa que los anillos de almacenamiento deben inyectarse periódicamente con un nuevo complemento de partículas.
La inyección de partículas en un anillo de almacenamiento se puede realizar de varias maneras, dependiendo de la aplicación del anillo de almacenamiento. El método más simple utiliza uno o más imanes dipolo deflectores pulsados ( imanes de inyección ) para dirigir un tren entrante de partículas hacia la trayectoria del haz almacenado; Los imanes de impulso se apagan antes de que el tren almacenado regrese al punto de inyección, lo que da como resultado un haz almacenado. Este método a veces se denomina inyección de una sola vuelta.
La inyección multivuelta permite la acumulación de muchos trenes entrantes de partículas, como cuando se requiere una gran corriente almacenada. Para partículas como los protones donde no hay una amortiguación significativa del haz, cada pulso inyectado se coloca en un punto particular en el espacio de fase longitudinal o transversal del haz almacenado , teniendo cuidado de no expulsar trenes previamente inyectados mediante el uso de una disposición cuidadosa de la desviación del haz y oscilaciones coherentes en el haz almacenado. Si hay una amortiguación significativa del haz, por ejemplo mediante la amortiguación de la radiación de los electrones debido a la radiación sincrotrón , entonces se puede colocar un pulso inyectado en el borde del espacio de fase y luego dejar que se humedezca en el espacio de fase transversal en el haz almacenado antes de inyectar un pulso adicional. . Los tiempos típicos de amortiguación de la radiación sincrotrón son de decenas de milisegundos, lo que permite acumular muchos pulsos por segundo.
Si se requiere extracción de partículas (por ejemplo en una cadena de aceleradores), entonces la extracción en una sola vuelta se puede realizar de manera análoga a la inyección. También se puede emplear extracción resonante.
Las partículas deben almacenarse durante un gran número de vueltas, potencialmente superiores a 10 mil millones. Esta estabilidad a largo plazo es un desafío y es necesario combinar el diseño del imán con códigos de seguimiento [3] y herramientas analíticas para comprender y optimizar la estabilidad a largo plazo.
En el caso de los anillos de almacenamiento de electrones, la amortiguación de la radiación alivia el problema de estabilidad al proporcionar un movimiento no hamiltoniano que devuelve los electrones a la órbita de diseño del orden de miles de vueltas. Junto con la difusión de las fluctuaciones en las energías de los fotones irradiados, se alcanza una distribución del haz de equilibrio. Se puede consultar [4] para obtener más detalles sobre algunos de estos temas.
Medios relacionados con los anillos de almacenamiento en Wikimedia Commons