作者杰里米·拉姆齐，橡树岭国家实验室 该图描绘了光束通过铜射频四极杆、黑色偶极磁体和带狭缝的测量系统到达粒子探测器时的路径
当以逐渐提高的分辨率测量时，光束的结构复杂性增加
信用:ORNL/吉尔·海曼 一束高强度的加速器束是由数万亿个粒子组成的，这些粒子以闪电般的速度穿过一个由强大的磁铁和高能超导体组成的系统
计算光束的物理性质非常复杂，即使是最快的超级计算机也赶不上
然而，美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)加速器物理学家的一项里程碑式的成就，使人们能够以非同寻常的新细节来研究束的特性
他们使用了一种新开发的测量技术来更好地理解光束损失——在加速器限制区域之外传播的杂散粒子
减轻束流损失对于以更小的规模和更低的成本实现更强大的加速器至关重要
“这是一个困扰我们20多年的问题，”ORNL加速器物理学家亚历山大·亚历山大说
“束流损失可能是高强度加速器最大的问题，比如欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机和橡树岭的散裂中子源
" 在1
4兆瓦，SNS是能源部的旗舰研究设施之一，利用中子在原子尺度上研究能量和材料
中子是通过以几乎90%的光速将质子束或脉冲推进该设施的线性加速器(或称直线加速器)而产生的
在直线加速器的末端，质子束脉冲以每秒60次的速度撞击充满旋转液态汞的金属靶容器
原子碰撞产生中子散裂——大约每个质子20个中子
然后，中子穿过能量调节器和真空室，飞向周围的仪器，科学家用它们来研究物质的原子是如何排列的，以及它们的行为
从本质上来说，提高加速器的功率会增加中子的产生量，这反过来又会提高设施的科学生产率，并使新型实验成为可能
“理想情况下，我们希望光束中的所有粒子都集中到一个非常致密的单一云团中
当粒子偏离时，它们形成低密度云，称为束晕
如果光晕变得太大并接触到加速器的壁，就会导致光束损失，并会产生辐射效应和其他问题
该小组没有在国家科学实验室进行测量，而是使用了ORNL束流测试设施的国家科学实验室直线加速器的复制品
使用复制品使研究人员能够在不中断实际中子生产设施实验的情况下对加速器进行高级物理研究
这项先进的测量技术是基于研究人员在2018年进行第一次六维粒子加速器束测量时使用的相同方法
三维空间包括x、y和z轴上的点来测量位置，而6D空间有三个额外的坐标来测量粒子的角度或轨迹
“技术其实很简单
我们取一块带有许多狭缝的材料，用来切割光束的小样本
“这为我们提供了一个包含更小、更易管理的粒子数的小光束，我们可以测量，我们可以移动这个块来测量光束的其他部分，”阿列克桑德罗夫说
光束样本是从直线加速器的主要加速部件之一提取的，该部件被称为中能光束传输线或MEBT
复制品MEBT，大约4米长，包括一个光束刮刀，以减少早期光束晕，并提供更多的空间比其他诊断工具典型的湿润暴露疗法
“但是，这次我们没有去掉6D相空间，而是只去掉了二维相空间的样本，”他说
“基本上，如果你能以合理的分辨率在六个维度上进行测量，那么你就能以更高的分辨率在更低的维度上进行测量
" 使用6D测量作为基线方法，在二维空间进行测量可以从根本上提高百万分之一的分辨率
Aleksandrov认为，百万分之一对现代加速器来说意义重大，原因有二
它是束晕可管理的最大容许密度，也是验证和建立更精确的束晕效应计算机模拟所必需的分辨率水平或动态范围
“在过去，这种级别的光束建模是一项不可能的任务，因为计算机无法计算数十亿个粒子；现在他们可以了，但是如果没有这些初始的光束分布，这是不可能精确完成的
舒尔ORNL博士后研究员
“据我们所知，没有一个模型可以预测在真正的加速器中测量的射束损失模式
以这种前所未有的精度测试我们的模型，对于构建更强大的模拟来帮助我们减轻这些损失是必要的
" 在相对较低的能量2下测量光束
5兆电子伏为研究人员提供了如何在更高能量下模拟光束的见解
亚历山德罗夫说，他们已经在进行下一项技术改进，这将涉及使用激光测量1千兆电子伏的高得多的能量束
升级还需要几年时间
该团队的研究成果发表在科学杂志《物理研究中的核仪器和方法》上
除了亚历山大罗夫、库辛瑙和瑞萨德，该论文的作者还包括ORNL的亚历山大朱可夫
“虽然我们现在可以制造100兆瓦级的加速器，但这并不实际
ORNL研究加速器部门的科技部门负责人、物理学家萨拉·库辛瑙说
“将测量分辨率提高到更高的水平，不仅使我们能够在理解和模拟束晕方面取得进展，还能提高我们对如何以更小的规模和更合理的成本制造更强大的加速器的理解
"
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