В физике ускорителей линия относится к траектории пучка частиц, включая общую конструкцию участка пути (направляющие трубы, диагностические устройства) вдоль конкретного пути ускорительной установки. Эта часть либо
Линии лучей обычно заканчиваются на экспериментальных станциях, которые используют пучки частиц или синхротронный свет, получаемый от синхротрона, или нейтроны от источника расщепления или исследовательского реактора. Лучевые линии используются в экспериментах по физике элементарных частиц, материаловедению, наукам о жизни, химии и молекулярной биологии, но также могут использоваться для испытаний на облучение или для производства изотопов.
Линия луча в ускорителе частиц
В ускорителях частиц линия пучка обычно размещается в туннеле и/или под землей, заключенная в бетонный корпус для защиты. Линия пучка обычно представляет собой цилиндрическую металлическую трубу, обычно называемую трубой пучка, и/или дрейфовой трубой, откачиваемую до высокого вакуума, чтобы на пути пучка ускоренных частиц было мало молекул газа, которые в противном случае могли бы рассеять их до того, как они достигнут места назначения.
На линии пучка имеются специализированные устройства и оборудование, которые используются для создания, поддержания, мониторинга и ускорения пучка частиц. Эти устройства могут находиться вблизи или быть присоединены непосредственно к линии пучка. Эти устройства включают в себя сложные преобразователи, диагностику (мониторы положения и сканеры проводов), линзы, коллиматоры, термопары, ионные насосы, ионные датчики, ионные камеры (для диагностических целей; обычно называемые «мониторами пучка»), вакуумные клапаны («изоляционные клапаны») и запорные клапаны, и это лишь некоторые из них.
Крайне важно, чтобы все секции луча, магниты и т. д. были выровнены (часто с помощью геодезической бригады и группы центровки с использованием лазерного трекера), линии луча должны находиться в пределах допусков в микрометрах. Хорошее выравнивание помогает предотвратить потерю луча и столкновение луча со стенками трубы, что приводит к вторичному излучению и/или излучению.
Канал синхротронного излучения
Что касается синхротронов, линия луча может также относиться к приборам, которые передают пучки синхротронного излучения к экспериментальной конечной станции, которая использует излучение, создаваемое изгибающими магнитами и устройствами ввода в накопительном кольце установки синхротронного излучения. . Типичным применением такого типа пучка является кристаллография, хотя существует множество других методов, использующих синхротронный свет.
На большой синхротронной установке будет множество каналов, каждый из которых оптимизирован для определенной области исследований. Различия будут зависеть от типа вводящего устройства (который, в свою очередь, определяет интенсивность и спектральное распределение излучения); оборудование для формирования луча; и экспериментальная конечная станция. Типичная линия луча на современной синхротронной установке будет иметь длину от 25 до 100 м от накопителя до конечной станции и может стоить до миллионов долларов США. По этой причине синхротронную установку часто строят поэтапно: первые несколько каналов открываются в первый день работы, а другие каналы добавляются позже, если позволяет финансирование.
Элементы пучка расположены в радиационно-защитных ограждениях, называемых кабинками, размером с небольшую комнату (кабину). Типичный канал состоит из двух камер: оптической камеры для элементов формирования луча и экспериментальной камеры, в которой проводится эксперимент. Между клетками луч перемещается в транспортной трубе. Вход в клетки запрещен, когда жалюзи открыты и радиация может проникнуть в клетку. Это достигается за счет использования сложных систем безопасности с резервными функциями блокировки, которые гарантируют, что никто не находится внутри клетки, когда включено излучение. Система безопасности также отключит луч излучения, если дверь в клетку случайно откроется, когда луч включен. В этом случае луч сбрасывается, то есть накопленный луч направляется в мишень, предназначенную для поглощения и сдерживания его энергии.
Элементы, которые экспериментаторы используют в лучах для формирования пучка излучения между накопительным кольцом и конечной станцией, включают следующее:
1- Бериллиевые окна: Бериллиевые окна могут поставляться охлаждаемыми или неохлаждаемыми с различными размерами (и количеством) оконных отверстий. Размеры окон определяются в соответствии с конкретными требованиями, однако максимальный размер окна определяется толщиной фольги и перепадом давления, который необходимо выдерживать. Окна могут поставляться с различными размерами фланцев входа/выхода пучка в соответствии с конкретными требованиями.
2- Алмазные окна CVD: Алмазы химического осаждения из паровой фазы (CVD) обладают чрезвычайной твердостью, высокой теплопроводностью, химической инертностью и высокой прозрачностью в очень широком спектральном диапазоне. Более прочные и жесткие, чем бериллий, с более низким тепловым расширением и более низкой токсичностью, они идеально подходят для окон изоляции сверхвысокого вакуума в рентгеновских пучках. Окна могут поставляться встроенными во фланцы сверхвысокого вакуума и с эффективным водяным охлаждением.
3- Выходные окна: Вакуумные выходные окна изготавливаются из различных материалов, включая бериллий и алмаз CVD, подробно описанные выше.
Комбинация устройств кондиционирования луча контролирует тепловую нагрузку (нагрев, вызываемый лучом) на конечной станции; спектр излучения, падающего на конечной станции; и фокус или коллимация луча. Устройства вдоль линии луча, которые поглощают значительную мощность луча, возможно, придется активно охлаждать водой или жидким азотом. Вся длина луча обычно поддерживается в условиях сверхвысокого вакуума.
Программное обеспечение для моделирования пучков
Хотя проектирование канала синхротронного излучения можно рассматривать как применение рентгеновской оптики, существуют специальные инструменты для моделирования распространения рентгеновских лучей по каналу и их взаимодействия с различными компонентами. Существуют программы трассировки лучей, такие как Shadow и McXTrace, которые обрабатывают рентгеновский луч в пределах геометрической оптики, а также есть программное обеспечение для распространения волн, которое учитывает дифракцию и внутренние волновые свойства излучения. Для понимания полной или частичной когерентности синхротронного излучения необходимо учитывать волновые свойства. Коды SRW, Spectra и xrt включают такую возможность, последний код поддерживает «гибридный» режим, позволяющий переключаться с геометрического подхода на волновой на заданном оптическом участке.
Линия нейтронного пучка
Внешне нейтронные пучки отличаются от пучков синхротронного излучения в основном тем, что они используют нейтроны из исследовательского реактора или источника расщепления вместо фотонов. Поскольку нейтроны не несут заряда и их трудно перенаправить, компоненты совершенно разные (см., например, прерыватели или нейтронные суперзеркала). Эксперименты обычно измеряют рассеяние нейтронов от исследуемого образца или передачу энергии к нему.