Как ускоритель работает в ускорителе частиц вроде БАК?

Протонный синхротронный ускоритель — это не просто круглое кольцо:

Протонный синхротронный ускоритель состоит из четырех наложенных синхротронных колец , которые принимают пучки отрицательных ионов водорода (H-, состоящий из атома водорода с дополнительным электроном) от линейного ускорителя Linac4 на 160 МэВ. Ионы лишаются своих двух электронов во время инжекции из Linac4 в протонный синхротронный ускоритель, оставляя только протоны, которые ускоряются до 2 ГэВ для инжекции в протонный синхротрон (PS).

Курсив мой.

Протонный синхротрон:

При окружности 628 метров PS имеет 277 обычных (комнатной температуры) электромагнитов, в том числе 100 диполей для поворота лучей по кольцу. Ускоритель работает до 26 ГэВ.

Если вы прочитаете ссылки, то увидите, что многие импульсы протонов проходят вокруг синхротрона на конечной энергии без потери протонов в каждом импульсе. Время указано для одиночного импульса, но последовательность импульсов от бустера входит в синхротрон, каждый импульс последовательно ускоряется по мере его прохождения.

синхротрон

Синхротрон - это особый тип циклического ускорителя частиц, происходящий от циклотрона, в котором ускоряющий пучок частиц движется по фиксированной замкнутой траектории. Магнитное поле, которое отклоняет пучок частиц на его замкнутый путь, увеличивается со временем в процессе ускорения, синхронизируясь с увеличением кинетической энергии частиц.

У вас есть два других ответа, которые конкретно относятся к протонному синхротронному ускорителю ЦЕРН и в основном подтверждают догадку в вашем вопросе: поскольку изгибающие магнитные поля и частоты ускорения должны меняться по мере того, как протоны становятся релятивистскими, в синхротроне может быть только одна энергия луча при время. Протоны вводятся, ускоряются, затем извлекаются.

Если вы думаете о частицах с разными энергиями, разделяющих одну и ту же траекторию полета, вам будет интересно узнать об ускорителе непрерывного электронного луча в лаборатории Джефферсона . Эта машина представляет собой пару параллельных линейных ускорителей, соединенных в беговую дорожку двумя наборами изгибающих магнитов. Электроны уже ультрарелятивистские, когда они вводятся в ускоритель с фактором Лоренца.$\gamma \approx 200$, поэтому электроны с энергией 100 МэВ при первом прохождении через линейный ускоритель движутся с той же скоростью,$c \times (1\pm10^{-4})$, когда электроны с энергией 12 ГэВ при пятом прохождении через линейный ускоритель. Однако энергии каждого луча требуется разное магнитное поле, чтобы пройти по дуге от конца одного линейного ускорителя до начала следующего. Дуги имеют умную магнитную систему делителя-рекомбинатора, так что единственный путь луча через модули линейного ускорения превращается в пять различных путей луча через дугу, каждый со своими собственными изгибными магнитами.

Поздно на вечеринку, но вот как вы управляете синхротроном, таким как CERN Proton Synchrotron Booster:

1. Вы вводите луч с производственного объекта (в настоящее время linac4), и он начинает циркулировать по кольцу. В определенной секции кольца есть особый элемент, называемый радиочастотным (РЧ) резонатором. Он создает электрическое поле, ориентированное вдоль направления луча и колеблющееся вперед и назад. Время оборота луча и частота электрического поля синхронизированы, так что луч проходит через ВЧ-резонатор, когда поле исчезает.
2. Вы немного увеличиваете ток в магнитах кольца. Это заставляет луч двигаться немного внутрь, завершая поворот за более короткое время. Теперь, когда он проходит через РЧ-резонатор, он чувствует, как часть продольного электрического поля получает от него некоторое усиление. По мере увеличения энергии луч возвращается на обычный путь. Если луч не является полностью релятивистским, вам необходимо соответствующим образом увеличить радиочастоту, чтобы компенсировать более высокую скорость.
3. Вы продолжаете повторять шаг 2, увеличивая ток в магнитах до максимально допустимого значения. Поздравляем: теперь у вас есть луч с максимальной энергией!
4. Вы извлекаете луч, посылая его туда, куда нужно.
5. Вы снижаете токи в магнитах, подготавливая кольцо к приему еще одного импульса от линейного ускорителя, и возвращаетесь к шагу 1.

Теперь, что делает линейный ускоритель во время цикла PSB? Ответ... ничего, он просто ждет! Вы можете запускать диагностические импульсы или отправлять луч другим пользователям, но PSB (или любой другой синхротрон) не принимает никаких протонов, если он не настроен для инжекции. Это недостаток синхротронов по сравнению с линейными ускорителями или циклотронами: они не могут подавать непрерывные лучи, а одиночный импульс, длина которого не превышает его окружности, тогда нужно ждать следующего цикла.

Другие упомянули, что PSB CERN состоит из четырех колец. Это верно, но здесь совершенно неуместно. Причина этого в том, что одиночному кольцу потребовалось бы слишком много циклов для заполнения ПС, оставив часть пучка циркулировать в ПС при энергии инжекции в течение невыносимо долгого времени, разрушаясь под действием коллективных воздействий и внутрипучковых сил (в удельный объемный заряд). Четыре кольца, работающие одновременно, подают в ПС в четыре раза больше тока пучка, сокращая время его заполнения, чтобы он мог быстрее инициировать процедуру ускорения.

Заметим, что ПС доставляет пучок на СПС, и только после этого пучок достигает БАК. Все эти кольца работают одинаково, принимая луч с минимально допустимой энергией и ускоряя его, прежде чем доставить к следующему кольцу. Каждое кольцо должно совершить несколько циклов, чтобы заполнить следующее. Единственным исключением является LHC, который, достигнув максимальной энергии, не доставляет луч к другому кольцу (по крайней мере, пока, см. CERN-FCC), а сжимает его, вызывая столкновения.