加速帶電粒子束的作用就像光與顯微鏡那樣照亮被觀察的物體。光束越強(qiáng)，科學(xué)家就越容易檢查他們正在觀察的物體。但是強(qiáng)度是有代價(jià)的：光束越強(qiáng)，就越容易出現(xiàn)不穩(wěn)定。

一種類型的不穩(wěn)定性發(fā)生在加速粒子通過圓形機(jī)器平均能量達(dá)到其轉(zhuǎn)換值時(shí)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在粒子以相同的速率繞環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，即使它們并不都攜帶相同的能量，事實(shí)上它們表現(xiàn)出一定的能量范圍，粒子在躍遷能量附近的特定運(yùn)動使它們極易產(chǎn)生集體不穩(wěn)定性，這些特殊的不穩(wěn)定性被觀察了幾十年，但沒有得到充分的理解。

事實(shí)上是被曲解了，現(xiàn)在在發(fā)表的一篇研究論文中，新提出了一個(gè)關(guān)于這些不穩(wěn)定性的新理論。將這一理論應(yīng)用于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室助推器加速器，預(yù)測了過渡區(qū)不穩(wěn)定性的主要特征，提出了更好抑制不穩(wěn)定性的方法。新的測量證實(shí)了預(yù)測，并且計(jì)劃在不久的將來進(jìn)行更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)束流研究。加速高強(qiáng)度光束是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室科學(xué)計(jì)劃的關(guān)鍵部分，對粒子束行為的堅(jiān)實(shí)理論理解，使實(shí)驗(yàn)者能夠更好地操縱加速器參數(shù)以抑制不穩(wěn)定性。這促使費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)所需的高強(qiáng)度光束，它也適用于任何運(yùn)行循環(huán)加速器的實(shí)驗(yàn)或機(jī)構(gòu)。

束流質(zhì)子通過電磁場相互作用，電磁場有兩種，其中一個(gè)被稱為庫侖場。這些是局部的，并且它們本身不能驅(qū)動不穩(wěn)定。第二種是尾流場。尾流場由粒子輻射，并跟隨在它們后面，有時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地在后面。當(dāng)粒子偏離光束路徑時(shí)，尾流場向后平移此偏離，在粒子留下的尾跡中。即使是很小的偏離路徑也不能逃脫被這些電磁場帶向后的情況，如果光束足夠強(qiáng)，它們的尾流會使它們不穩(wěn)定。在新理論中提出了一個(gè)緊湊的數(shù)學(xué)模型，有效地考慮了這兩種場，意識到當(dāng)它們足夠強(qiáng)大時(shí)，它們都是重要的，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ墙咏^渡能量。

這種巨大的放大發(fā)生在CERN的質(zhì)子同步加速器上，如果不以這樣或那樣的方式抑制，這種放大可能會增長，直到光束接觸到真空室壁而丟失。現(xiàn)在在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室助推器的測量，證實(shí)了那里存在類似的不穩(wěn)定性；計(jì)劃在不久的將來進(jìn)行更多的測量，以檢查提出緩解這種不穩(wěn)定性的新方法。這些現(xiàn)象被稱為橫向?qū)α鞑环€(wěn)定，它們?nèi)绾萎a(chǎn)生的發(fā)現(xiàn)，為更好地理解和處理強(qiáng)質(zhì)子束的理論、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方法打開了新大門。

博科園｜研究/來自：費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《Physical Review Accelerators and Beams》

DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.22.034202

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