Anillo de almacenamiento

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Un anillo de almacenamiento es un tipo de acelerador de partículas circular en el que se puede mantener circulando un haz de partículas continuo o pulsado, normalmente durante muchas horas. El almacenamiento de una partícula en particular depende de la masa , el momento y, normalmente, la carga de la partícula que se va a almacenar. Los anillos de almacenamiento suelen almacenar electrones , positrones o protones . ^[1]

Los anillos de almacenamiento se utilizan con mayor frecuencia para almacenar electrones que irradian radiación de sincrotrón . Existen más de 50 instalaciones basadas en anillos de almacenamiento de electrones que se utilizan para una variedad de estudios en química y biología. Los anillos de almacenamiento también se pueden utilizar para producir haces de electrones polarizados de alta energía a través del efecto Sokolov-Ternov . La aplicación más conocida de los anillos de almacenamiento es su uso en aceleradores de partículas y en colisionadores de partículas , donde dos haces contrarrotativos de partículas almacenadas se hacen colisionar en ubicaciones discretas. Las interacciones subatómicas resultantes se estudian luego en un detector de partículas circundante . Ejemplos de tales instalaciones son LHC , LEP , PEP-II , KEKB , RHIC , Tevatron y HERA .

Un anillo de almacenamiento es un tipo de sincrotrón . Mientras que un sincrotrón convencional sirve para acelerar partículas desde un estado de energía baja a uno alto con la ayuda de cavidades de aceleración de radiofrecuencia, un anillo de almacenamiento mantiene las partículas almacenadas a una energía constante y las cavidades de radiofrecuencia solo se utilizan para reemplazar la energía perdida a través de la radiación de sincrotrón y otros procesos.

Gerard K. O'Neill propuso el uso de anillos de almacenamiento como bloques de construcción para un colisionador en 1956. Un beneficio clave de los anillos de almacenamiento en este contexto es que el anillo de almacenamiento puede acumular un flujo de haz alto de un acelerador de inyección que logra un flujo mucho menor. ^[2]

Se debe aplicar una fuerza a las partículas de tal manera que se vean obligadas a moverse en una trayectoria aproximadamente circular. Esto se puede lograr utilizando campos electrostáticos dipolares o campos magnéticos dipolares, pero como la mayoría de los anillos de almacenamiento almacenan partículas cargadas relativistas , resulta que es más práctico utilizar campos magnéticos producidos por imanes dipolares . Sin embargo, se han construido aceleradores electrostáticos para almacenar partículas de energía muy baja, y se pueden utilizar campos cuadrupolares para almacenar neutrones (sin carga) ; sin embargo, estos son comparativamente raros.

Los imanes dipolares por sí solos proporcionan lo que se denomina enfoque débil , y un anillo de almacenamiento compuesto únicamente de este tipo de elementos magnéticos da como resultado que las partículas tengan un tamaño de haz relativamente grande. La intercalación de imanes dipolares con una disposición adecuada de imanes cuadrupolares y sextupolares puede dar lugar a un sistema de enfoque fuerte adecuado que puede dar un tamaño de haz mucho más pequeño. Las estructuras reticulares FODO y Chasman-Green son ejemplos simples de sistemas de enfoque fuerte, pero existen muchos otros.

Los imanes dipolares y cuadrupolos desvían las energías de las partículas en cantidades diferentes, una propiedad llamada cromaticidad por analogía con la óptica física . La dispersión de energías que está presente de manera inherente en cualquier haz de partículas almacenadas dará lugar, por tanto, a una dispersión de enfoque transversal y longitudinal, además de contribuir a diversas inestabilidades del haz de partículas. Los imanes sextupolares (e imanes de orden superior) se utilizan para corregir este fenómeno, pero esto a su vez da lugar a un movimiento no lineal que es uno de los principales problemas a los que se enfrentan los diseñadores de anillos de almacenamiento.

Como los haces viajarán muchos millones de kilómetros (teniendo en cuenta que se moverán a una velocidad cercana a la de la luz durante muchas horas), cualquier gas residual en el tubo del haz provocará muchas, muchas colisiones. Esto tendrá el efecto de aumentar el tamaño del haz y aumentar la dispersión de energía. Por lo tanto, un mejor vacío produce una mejor dinámica del haz. Además, los eventos de dispersión de gran ángulo individuales, ya sea del gas residual o de otras partículas en el haz ( efecto Touschek ), pueden expulsar partículas lo suficientemente lejos como para que se pierdan en las paredes del recipiente de vacío del acelerador. Esta pérdida gradual de partículas se llama vida útil del haz y significa que los anillos de almacenamiento deben inyectarse periódicamente con un nuevo complemento de partículas.

La inyección de partículas en un anillo de almacenamiento se puede realizar de varias maneras, dependiendo de la aplicación del anillo de almacenamiento. El método más simple utiliza uno o más imanes dipolares deflectores pulsados ​​( imanes de impulso de inyección ) para dirigir un tren entrante de partículas hacia la trayectoria del haz almacenado; los imanes de impulso se apagan antes de que el tren almacenado regrese al punto de inyección, lo que da como resultado un haz almacenado. Este método a veces se denomina inyección de una sola vuelta.

La inyección multivuelta permite la acumulación de muchos trenes de partículas entrantes, como cuando se requiere una gran corriente almacenada. Para partículas como los protones donde no hay una amortiguación significativa del haz, cada pulso inyectado se coloca en un punto particular en el espacio de fase transversal o longitudinal del haz almacenado , teniendo cuidado de no expulsar trenes inyectados previamente mediante el uso de una disposición cuidadosa de la desviación del haz y las oscilaciones coherentes en el haz almacenado. Si hay una amortiguación significativa del haz, por ejemplo, por amortiguación de la radiación de electrones debido a la radiación de sincrotrón , entonces un pulso inyectado puede colocarse en el borde del espacio de fase y luego dejarse que se amortigüe en el espacio de fase transversal en el haz almacenado antes de inyectar un pulso adicional. Los tiempos de amortiguación típicos de la radiación de sincrotrón son de decenas de milisegundos, lo que permite acumular muchos pulsos por segundo.

Si se requiere la extracción de partículas (por ejemplo, en una cadena de aceleradores), se puede realizar una extracción de una sola vuelta de forma análoga a la inyección. También se puede emplear la extracción resonante.

Las partículas deben almacenarse durante un gran número de vueltas, potencialmente más de 10 mil millones. Esta estabilidad a largo plazo es un desafío y es necesario combinar el diseño del imán con códigos de seguimiento ^[3] y herramientas analíticas para comprender y optimizar la estabilidad a largo plazo.

En el caso de los anillos de almacenamiento de electrones, la amortiguación de la radiación alivia el problema de estabilidad al proporcionar un movimiento no hamiltoniano que devuelve los electrones a la órbita de diseño en el orden de miles de vueltas. Junto con la difusión a partir de las fluctuaciones en las energías de los fotones irradiados, se alcanza una distribución de equilibrio del haz. Se puede consultar ^[4] para obtener más detalles sobre algunos de estos temas.

• Gerard K. O'Neill (inventor)
• Lista de instalaciones de radiación de sincrotrón

• Medios relacionados con Anillos de almacenamiento en Wikimedia Commons