В физике ускорителей лучевая линия относится к траектории пучка частиц, включая общую конструкцию сегмента пути (направляющие трубки, диагностические устройства) вдоль определенного пути ускорительного комплекса. Эта часть либо
Каналы пучков обычно заканчиваются на экспериментальных станциях, которые используют пучки частиц или синхротронный свет, получаемый из синхротрона, или нейтроны из источника расщепления или исследовательского реактора. Каналы пучков используются в экспериментах по физике частиц, материаловедению, наукам о жизни, химии и молекулярной биологии, но также могут использоваться для испытаний на облучение или для производства изотопов.
Канал пучка 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 пучка, магниты и т. д. были выровнены (часто путем обследования и выравнивания бригадой с использованием лазерного трекера), пучки должны быть в пределах микрометрового допуска. Хорошее выравнивание помогает предотвратить потерю пучка и столкновение пучка со стенками трубы, что создает вторичные выбросы и/или излучение.
Канал синхротронного излучения
Что касается синхротронов, beamline может также относиться к приборам, которые переносят пучки синхротронного излучения на экспериментальную конечную станцию, которая использует излучение, производимое поворотными магнитами и устройствами ввода в накопительном кольце установки синхротронного излучения. Типичным применением для этого типа пучка является кристаллография, хотя существует много других методов, использующих синхротронное излучение.
На большой синхротронной установке будет много каналов пучка, каждый из которых оптимизирован для определенной области исследований. Различия будут зависеть от типа устройства ввода (которое, в свою очередь, определяет интенсивность и спектральное распределение излучения), оборудования для кондиционирования пучка и экспериментальной конечной станции. Типичный канал пучка на современной синхротронной установке будет иметь длину от 25 до 100 м от накопительного кольца до конечной станции и может стоить до миллионов долларов США. По этой причине синхротронная установка часто строится поэтапно, при этом первые несколько каналов пучка открываются в первый день эксплуатации, а другие каналы пучка добавляются позже, когда позволяет финансирование.
Элементы пучковой линии расположены в радиационно-защитных кожухах, называемых отсеками, которые имеют размер небольшой комнаты (кабины). Типичный пучоковой линии состоит из двух отсеков, оптического отсека для элементов кондиционирования пучка и экспериментального отсека, в котором размещается эксперимент. Между отсеками пучок перемещается в транспортной трубе. Вход в отсеки запрещен, когда затвор пучка открыт, и излучение может попасть в отсек. Это обеспечивается использованием сложных систем безопасности с избыточными функциями блокировки, которые гарантируют, что внутри отсека никого нет, когда включено излучение. Система безопасности также отключит пучок излучения, если дверь в отсек случайно откроется, когда луч включен. В этом случае пучок сбрасывается, то есть сохраненный пучок направляется в цель, предназначенную для поглощения и удержания его энергии.
Элементы, которые экспериментаторы используют в каналах передачи пучка излучения для кондиционирования пучка излучения между накопительным кольцом и конечной станцией, включают в себя 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 пучка контролирует тепловую нагрузку (нагрев, вызванный пучком) на конечной станции; спектр излучения, падающего на конечную станцию; и фокусировку или коллимацию пучка. Устройства вдоль пучка, которые поглощают значительную мощность пучка, могут нуждаться в активном охлаждении водой или жидким азотом. Вся длина пучка обычно находится 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 коды трассировки лучей, такие как Shadow и McXTrace, которые обрабатывают рентгеновский луч в пределе геометрической оптики, а также программное обеспечение для распространения волн, которое учитывает дифракцию и внутренние волнообразные свойства излучения. Для понимания полной или частичной когерентности синхротронного излучения необходимо учитывать волновые свойства. Коды SRW, Spectra и xrt включают эту возможность, последний код поддерживает «гибридный» режим, позволяющий переключаться с геометрического на волновой подход на заданном оптическом сегменте.
Канал нейтронного пучка
На первый взгляд, каналы нейтронных пучков отличаются от каналов синхротронного излучения главным образом тем, что вместо фотонов в них используются нейтроны исследовательского реактора или источника расщепления. Поскольку нейтроны не несут заряда и их трудно перенаправить, компоненты совершенно разные (см., например, прерыватели или нейтронные суперзеркала). В экспериментах обычно измеряют рассеяние нейтронов или передачу энергии исследуемому образцу.