物理学家设计新的粒子加速器诊断

基于电离的电荷密度监测器的示意图。R. Tarkeshian，J.L.Vay等人。，phy。Rev. x 8,021039

世界的尖端粒子加速器正在推动高亮度梁和超短脉冲中的极端，以以新的方式探索问题。

为了优化他们的性能 - 并为将推动这些极端的下一代设施做准备进一步 - 科学家设计了一种可以测量这些光束的亮度的新工具，即使对于持续持续的飞秒（千分之二）或attoSeconds的脉冲（千分之一的千分之一）。将1个AttoSecond达到1秒比较比较1秒至317亿年。

该工具还可以测量光束尺寸，以在几十纳米（亿米）内 - 不扰乱依赖于这些梁的实验。

新工具被称为“充电密度监测”，也可以在高能和高场梁实验中提供更精确的基本物理学测量，并帮助指导旨在缩小粒子撞机和加速器的尺寸和成本的研发努力设施升高了他们的能力。

在该模拟中，电子束（蓝色圆圈）通过氢气和氙气的混合物，使其电离，将混合物转化为质子，氙离子和电子的等离子体。电子束的自场径向驱逐等离子体电子。然后，离子在自己的自我田地下经历库仑爆炸：首先是较轻的氢离子，后来较重的氙离子。在顶部和底部电极之间施加的外部提取场足够高，以通过顶板中的孔径移动两种类型的离子，然后膨胀到大于孔径的直径。这种离子捕获是可能的，因为初始气体密度不是太高。

使用这一拟议诊断的研究也可能影响从血浆科学到原子物理的学科，并可能导致新的应用并揭示新物理学。

在美国能源部的伯克利实验室激光加速器（Bella）中心，研究人员希望通过测量通过气体喷射的强烈激光束的后果中测量粒子性能来测试该工具。在这样做时，他们希望了解从这种相互作用出现的电子束脉冲。

“贝拉提供理想的测试床，用于评估光束测量方法在最先进的先进的先进的加速器中，因为我们的目的是使用我们紧凑的加速器技术产生最亮的超级电子突发，”Wim说莱拉中心主任莱斯特·伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的贝拉中心主任及加速技术与应用物理司。

“它将提供一种用于测量和改善贝拉梁的强大工具。”

在该模拟中，激光束通过氙气气体并电离，将气体转化为乘法电离氙离子和电子等离子体。冷等离子体电子（绿色点）在激光的偏振方向上垂直膨胀，但是通过所施加的电场推底板。然后将双电离的氙离子（XE +，红色点），双电离（XE2 +，粉红色点）和三个离子化氙离子（XE3 +，浅粉红色点）拉到顶板并穿过孔。

莱姆斯领导了派遣国伯克利实验室团队作为国际团队的一部分，详细介绍了新方法，在5月10日发布的日志物理审查X.

伯尔尼大学研究员罗西·丁斯施安人，以前在Paul Scherrer Institute担任该研究的主要作者，并以自2015年以来追求新的诊断方法，并支持伯尔尼大学教授托马斯费雷斯的支持基于激光的技术和空间物理学专家。

“其高分辨率的超敏感测量和其低成本和紧凑性是其资产，”Tarkeshian说。

该研究细节细节粒子梁可以通过低密度中性气体滚筒，通过与强颗粒束相关的强电场从气体原子剥离电子。在该方法中称为含等离子体的离子和电子的电离（带电荷）云。

电子束和正电子束的持续时间和尺寸的技术的“前所未有的”分辨率涉及一种效果，其中光束亮度的小变化仅为几十百分之倍的效果可能导致数十倍到数百次在电场的存在下产生的离子，Tarkeshian指出。

该过程类似于当非常强烈的聚焦激光束或X射线脉冲与气体相互作用并电离原子时会发生什么。但是对于光束束（光子）与其他类型的粒子束的这种电离过程的物理学存在重要差异。

通过光束，电子和离子（带电粒子）在整个梁的占地面积中产生，并且等离子体相关的电子具有相对低的速度并且倾向于围绕离子柱悬挂，直到它们被外部电场拉开。具有正电荷的离子然后沿相反方向漂移，可以测量。

对于电子（带负电）或正电子（带正电）的粒子束，电场的形状类似于甜甜圈并产生环形等离子体柱，其中没有离子在梁路径中留在束路径中 - 甜甜圈的孔。这些粒子束可以向电子提供强大的踢球，这可以留下后面的环形离子柱。并且这些离子可以通过电场引导到检测器的检测器，该检测器测量离子的数量，它们的速度和它们的带电状态。

最新的研究表明，新的测量工具也可以在正确的操作条件下从该“离子甜甜圈”中的更多信息 - 例如，具有右密度和气体混合。

该团队使用称为翘曲的伯克利实验室精炼计算机代码和称为VSIM的另一代码进行了复杂的模拟。研究人员用气体和随后的等离子体相关动态建模了粒子和光子束的相互作用。

“仿真允许我们放大空间和时间 - 从厘米缩放到梁的亚微米大小，并遵循不同时间尺度的电子和离子的动态和分布，”高级科学家Jean-Luc Vay说在伯克利实验室，为扭曲代码做出贡献，并在实验室的atAP部门中引导加速器建模程序。

Vay指出，该代码的各个方面证明了粒子束与光子束的效果之间的准确建模和理解的关键，并且在寻找调谐和操作系统的最佳方式。

一旦在加速器系统实施完整的诊断系统，仿真将有助于现实 - 检查实验中的实际测量，并有助于开发用于优化光束性能的路径。

“对于微小的梁脉冲的测量，”她说，“小型变化”可以非常精确解决。

所提出的技术也开辟了研究充电诱导的动态的可能性，并且可以对正在研究的基本原子或分子过程的时间探险，她说，包括称为量子隧道的属性，其中a粒子可以通过蔑视古典物理学的原子的潜在屏障来自发地“隧道”。

丁斯斯皮安指出，所提出的诊断可以证明在德国斯瓦西的斯瓦克国家加速器实验室的LinaC相干光源（LCLS）X射线FEL等现有的X射线自由电子激光器（XFELs）是有用的是，在瑞士保罗希德研究所（PSI）的Swissfel，其中包括在SLAC的LCLS-II等设施。

例如，由Tarkeshian设计和构建的原型，并在LCLS上安装了SLAC科学家Patrick Krejcik的支持和贡献，以诊断由其加速器生产的超短型高能电子束。

Tarkeshian指出，已经开发了其他工具来提供加速器和XFEL梁属性的测量，但随着光束的脉冲将越来越多的强度和能量进入较短的脉冲，将需要新的工具来与这些极端光束保持速度。

她在SLAC被称为最终焦点测试梁或FFTB的SLAC的测试加速器项目的建议诊断中归功于拟议的诊断，以便为这一新的设计概念铺平道路。

“在我们的最新工作中，我们不仅研究了概念，还研究了这项技术可能面对实验所面临的挑战，”Tarkeshian说。

“从几十年前从几十年前恢复这个未完成的概念很棒，并且继续支持，我们可以实现其潜力，”她补充道。“这是一个非常开放的道路，我们刚刚开始。”

莱姆人表示，“我们认为这种创新技术的实际实现将最终对国际高能量物理和一般加速器驱​​动的科学社区具有广泛的兴趣。”

该工作得到了欧盟第七框架计划的高能量物理学办公室的DOE办事处，以及瑞士国家科学基金会。

出版物：R.Tarkeshian等，“横向空间电荷场诱导的超级电子束表征等离子体动力学，”2018年物理评论X; DOI：10.1103 / physrevx.8.021039