Een versnellerstraal met hoge intensiteit wordt gevormd uit biljoenen deeltjes die razendsnel door een systeem van krachtige magneten en hoogenergetische supergeleiders racen. Het berekenen van de fysica van de straal is zo complex dat zelfs de snelste supercomputers het niet kunnen bijhouden.

Echter, een mijlpaalprestatie door versnellerfysici van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) heeft het mogelijk gemaakt om straalkarakteriseringen in buitengewoon nieuw detail te bestuderen. Ze gebruikten een nieuw ontwikkelde meettechniek om bundelverlies beter te begrijpen:verdwaalde deeltjes die zich buiten de opsluitingsvelden van de versneller verplaatsen. Het beperken van bundelverlies is van het grootste belang om krachtigere versnellers te realiseren op kleinere schaal en tegen lagere kosten.

"Het is een probleem dat ons al meer dan 20 jaar achtervolgt, " zei ORNL-versnellerfysicus Alexander Aleksandrov. "Straalverlies is waarschijnlijk het grootste probleem voor versnellers met hoge intensiteit, zoals de Large Hadron Collider bij CERN en de Spallation Neutron Source (SNS) hier bij Oak Ridge."

Werkend op 1,4 megawatt, SNS is een van de belangrijkste onderzoeksfaciliteiten van DOE die neutronen gebruikt om energie en materialen op atomaire schaal te bestuderen. Neutronen worden bij SNS gemaakt door trossen aan te drijven, of pulsen, van protonen met bijna 90 procent van de lichtsnelheid door de lineaire versneller van de faciliteit - of linac. Aan het einde van de linac, de protonenbundelpulsen botsen met een snelheid van 60 keer per seconde op een metalen doelvat gevuld met wervelend vloeibaar kwik.

De atomaire botsingen veroorzaken spatten van neutronen - ongeveer 20 neutronen per proton. De neutronen vliegen vervolgens door energiemoderators en vacuümkamers naar omringende instrumenten waar wetenschappers ze gebruiken om te bestuderen hoe de atomen van een materiaal zijn gerangschikt en hoe ze zich gedragen. Eigenlijk, het verhogen van het gaspedaal verhoogt het aantal gecreëerde neutronen, wat op zijn beurt de wetenschappelijke productiviteit van de faciliteit verhoogt en nieuwe soorten experimenten mogelijk maakt.

"Ideaal, we willen dat alle deeltjes in de bundel worden geconcentreerd in een enkele, zeer compacte wolk. Wanneer deeltjes wegdwalen, ze vormen wolken met een lage dichtheid, een straalhalo genoemd. Als de halo te groot wordt en de wanden van het gaspedaal raakt, dat resulteert in bundelverlies en kan stralingseffecten en andere problemen veroorzaken, ' zei Aleksandrov.

In plaats van de metingen bij SNS te doen, het team gebruikte een replica van de SNS-linac bij ORNL's Beam Test Facility. Met behulp van een replica kunnen onderzoekers geavanceerde fysica-studies uitvoeren op de versneller zonder de experimenten in de eigenlijke neutronenproductiefaciliteit te onderbreken.

De geavanceerde meettechniek is gebaseerd op dezelfde aanpak die de onderzoekers in 2018 gebruikten om de eerste deeltjesversnellerstraalmeting in zes dimensies . Terwijl de 3D-ruimte punten op de x bevat, ja, en z-assen om positie te meten, 6D-ruimte heeft drie extra coördinaten om de hoek van een deeltje te meten, of traject.

"De techniek is eigenlijk vrij eenvoudig. We nemen een blok materiaal met een aantal spleten waarmee we kleine monsters van de bundel uitsnijden. Dat levert ons een bundeltje op met een kleinere, een beter beheersbaar aantal deeltjes dat we kunnen meten, en we kunnen dat blok verplaatsen om andere delen van de balk te meten, ' zei Aleksandrov.

De bundelmonsters werden geëxtraheerd uit een van de primaire versnellende componenten van de linac, de medium-energiebundeltransportlijn, of MEBT. De replica MEBT, ongeveer 4 meter lang, bevat een bundelschraper om vroege bundelhalo te verminderen en biedt meer ruimte dan typische MEBT's voor andere diagnostische hulpmiddelen.

"Maar, in plaats van de 6D-faseruimte uit te schakelen, deze keer knippen we alleen monsters uit de tweedimensionale faseruimte, "zei hij. "Kortom, als je in zes dimensies kunt meten met een redelijke resolutie, dan kun je meten in lagere dimensies met een veel hogere resolutie."

Met behulp van de 6D-metingen als een baseline-benadering, meten in 2D ontgrendelde een radicaal verbeterd resolutieniveau van 1 deel per miljoen. Eén deel per miljoen is om twee redenen belangrijk voor moderne versnellers:volgens Aleksandrov. Het is de maximaal toelaatbare dichtheid waarbij straalhalo beheersbaar is, en het is het resolutieniveau, of dynamisch bereik, nodig om nauwkeurigere computermodelleringssimulaties van het straalhalo-effect te valideren en te bouwen.

"Vroeger, straalmodellering op dit niveau was een beetje een onmogelijke taak omdat computers niet in staat waren om miljarden deeltjes te berekenen; en nu kunnen ze maar het kan niet nauwkeurig worden gedaan zonder deze initiële bundelverdelingen, zei Kiersten Ruisard, een postdoctoraal onderzoeker van Clifford G. Shull bij ORNL. "Er is geen model dat we kennen dat de straalverliespatronen voorspelt die worden gemeten in de echte versneller. Het testen van onze modellen met dit ongekende precisieniveau is nodig om robuustere simulaties te bouwen die ons zullen helpen deze verliezen te verminderen."

Het meten van de bundel bij een relatief lage energie van 2,5 megaelektronvolt gaf de onderzoekers inzicht in hoe de bundel bij hogere energieën te modelleren. Aleksandrov zei dat ze al werken aan de volgende techniekverbetering, waarbij lasers worden gebruikt om de bundel te meten met een aanzienlijk hogere energie van 1 gigaelektronvolt. Die upgrade is een paar jaar uit.

De onderzoeksresultaten van het team zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Kerninstrumenten en -methoden in natuurkundig onderzoek . Naast Aleksandrov, neef, en Ruisard, de auteurs van het artikel zijn onder meer Alexander Zhukov van ORNL.

"Hoewel we nu versnellers van 100 megawatt kunnen maken, het is gewoon niet praktisch. Ze zouden te groot en te duur zijn, " zei natuurkundige Sarah Cousineau, het hoofd van de sectie wetenschap en technologie van ORNL's Research Accelerator Division. "Het verbeteren van de resolutie van de meting naar hogere niveaus stelt ons niet alleen in staat om vooruitgang te boeken in het begrijpen en simuleren van straalhalo, maar het bevordert ook ons ​​begrip van hoe versnellers krachtiger kunnen worden gemaakt, op kleinere schaal, en tegen veel meer redelijke kosten."