La física de aceleradores es una rama de la física aplicada , que se ocupa del diseño, construcción y funcionamiento de aceleradores de partículas . Como tal, puede describirse como el estudio del movimiento, manipulación y observación de haces de partículas cargadas relativistas y su interacción con estructuras de aceleradores mediante campos electromagnéticos .
También está relacionado con otros campos:
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 realizados en una instalación de acelerador particular están determinados por las características del haz de partículas generado , como la energía promedio, el tipo de partícula, la intensidad y las dimensiones.
Si bien es posible acelerar partículas cargadas utilizando campos electrostáticos, como en un multiplicador de voltaje Cockcroft-Walton , este método tiene límites dados por la falla eléctrica en altos voltajes. Además, debido a que los campos electrostáticos son conservadores, el voltaje máximo limita la energía cinética aplicable a las partículas.
Para solucionar este problema, los aceleradores lineales de partículas funcionan utilizando 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 ubica en la región de radiofrecuencia del espectro electromagnético.
El espacio alrededor de un haz de partículas se evacua para evitar la dispersión de átomos de gas, lo que requiere encerrarlo en una cámara de vacío (o tubo del haz ). Debido a los fuertes campos electromagnéticos que siguen al haz, es posible que interactúe con cualquier impedancia eléctrica en las paredes del tubo del haz. Esto puede ser en forma de impedancia resistiva (es decir, la resistividad finita del material del tubo de la viga) o una impedancia inductiva/capacitiva (debido a los cambios geométricos en la sección transversal del tubo de la viga).
Estas impedancias inducirán estelas (una fuerte deformación 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 determinar las acciones que se pueden tomar para mitigarla.
Debido a la alta velocidad de las partículas y a la fuerza de Lorentz resultante de los campos magnéticos, los ajustes en la dirección del haz están controlados principalmente por 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 dedicados 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 una desviación de posición transversal se reenfocan a la órbita de diseño. Para cálculos preliminares, despreciando todos los componentes del campo superiores a cuadrupolares, se utiliza una ecuación diferencial de Hill no homogénica
puede usarse como una aproximación, [2] con
identificando así el sistema como un oscilador paramétrico . Los parámetros del haz para el acelerador se pueden calcular utilizando el análisis de matriz de transferencia de rayos ; por ejemplo, un campo cuadrupolar es análogo a una lente en óptica geométrica y tiene propiedades similares con respecto al enfoque del haz (pero obedece al teorema de Earnshaw ).
Las ecuaciones generales de movimiento se originan en la mecánica relativista hamiltoniana , 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. [ cita necesaria ]
Hay muchos paquetes de software diferentes disponibles para modelar los diferentes aspectos de la física de aceleradores. Hay que modelar los elementos que crean los campos eléctrico y magnético, y luego hay que modelar la evolución de las partículas cargadas dentro de esos campos. Un código popular para la dinámica de haces, diseñado por el CERN, es MAD, o Methodical Accelerator Design .
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 muchos tipos diferentes de dispositivos de medición para medir diferentes propiedades. Estos incluyen (pero no se limitan a) monitores de posición del haz (BPM) para medir la posición del haz, pantallas (pantallas fluorescentes, dispositivos de radiación de transición óptica (OTR)) para obtener imágenes del perfil del haz, escáneres de cables para medir su sección transversal y toroides o TIC para medir la carga del grupo (es decir, el número de partículas por grupo).
Si bien muchos de estos dispositivos se basan en tecnología bien conocida, diseñar un dispositivo capaz de medir un haz para una máquina en particular es una tarea compleja que requiere mucha experiencia. No sólo es necesaria una comprensión completa de la física del funcionamiento del dispositivo, sino que también es necesario garantizar que el dispositivo sea capaz de medir los parámetros esperados de la máquina bajo consideración.
El éxito de toda la gama de diagnósticos del haz a menudo respalda el éxito de la máquina en su conjunto.
Los errores en la alineación de componentes, intensidad de campo, etc., son inevitables en máquinas de esta escala, por lo que es importante considerar 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 para permitir simulaciones físicas completas del comportamiento esperado de la máquina en estas condiciones. En muchos casos, se encontrará que el rendimiento se degrada a un nivel inaceptable, lo que requerirá una reingeniería de los componentes o la invención de algoritmos que permitan "ajustar" el rendimiento de la máquina al nivel de diseño.
Esto puede requerir muchas simulaciones de diferentes condiciones de error para determinar el éxito relativo de cada algoritmo de ajuste y permitir recomendaciones para la colección de algoritmos que se implementarán en la máquina real.
