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 . Como tal, 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 se relaciona 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 aceleradores en 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 mediante campos electrostáticos, como en un multiplicador de voltaje de Cockcroft-Walton , este método tiene límites dados por la ruptura eléctrica a altos voltajes. Además, debido a que los campos electrostáticos son conservativos, el voltaje máximo limita la energía cinética que se aplica a las partículas.
Para evitar este problema, los aceleradores lineales de partículas funcionan con campos que varían en el tiempo. Para controlar estos campos, se utilizan estructuras macroscópicas huecas a través de las cuales pasan las partículas (restricciones de longitud de onda), y la frecuencia de dichos campos de aceleración se encuentra en la región de radiofrecuencia del espectro electromagnético.
El espacio alrededor de un haz de partículas se evacua para evitar la dispersión con átomos de gas, lo que requiere que esté encerrado 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. Esto puede ser en forma de 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 inducirán campos de estela (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 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 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 desviación de posición transversal se reenfocan hacia la órbita de diseño. Para los cálculos preliminares, ignorando todos los componentes de campo superiores a los cuadrupolares, se utiliza una ecuación diferencial de Hill no homogénea
se puede utilizar como una aproximación, [2] con
De esta manera, se identifica al sistema como un oscilador paramétrico . Los parámetros del haz del 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 tiene 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 , en casi todos los casos utilizando 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 requerida ]
Existen muchos paquetes de software diferentes para modelar los distintos aspectos de la física de los aceleradores. Es necesario modelar los elementos que crean los campos eléctricos y magnéticos y, luego, la evolución de las partículas cargadas dentro de esos campos.
Un componente vital de cualquier acelerador son los dispositivos de diagnóstico que permiten medir diversas propiedades de los conjuntos 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 de haz (BPM) para medir la posición del racimo, pantallas (pantallas fluorescentes, dispositivos de radiación de transición óptica (OTR)) para obtener imágenes del perfil del racimo, escáneres de alambre para medir su sección transversal y toroides o ICT para medir la carga del racimo (es decir, la cantidad de partículas por racimo).
Si bien muchos de estos dispositivos dependen de una tecnología bien conocida, diseñar un dispositivo capaz de medir una viga para una máquina en particular es una tarea compleja que requiere mucha experiencia. No solo es necesario comprender por completo la física del funcionamiento del dispositivo, sino que también es necesario asegurarse de que el dispositivo sea capaz de medir los parámetros esperados de la máquina en cuestión.
El éxito de toda la gama de diagnósticos de 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, a fin de permitir simulaciones físicas completas del comportamiento esperado de la máquina en estas condiciones. En muchos casos, se descubrirá 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.
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 recopilación de algoritmos que se implementarán en la máquina real.
