En högintensiv acceleratorstråle bildas av biljoner partiklar som rasar med blixtens hastighet nedför ett system av kraftfulla magneter och högenergisupraledare. Att beräkna strålens fysik är så komplext att inte ens de snabbaste superdatorerna kan hänga med.

Dock, en milstolpeprestation av acceleratorfysiker vid Department of Energys (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har gjort det möjligt att studera strålkarakteriseringar i extraordinära nya detaljer. De använde en nyutvecklad mätteknik för att bättre förstå strålförlust – ströpartiklar som färdas utanför acceleratorns inneslutningsfält. Att mildra strålförlusten är avgörande för att realisera kraftfullare acceleratorer i mindre skalor och lägre kostnader.

"Det är ett problem som har förföljt oss i mer än 20 år, " sa ORNL acceleratorfysiker Alexander Aleksandrov. "Strålförlust är förmodligen det största problemet för högintensiva acceleratorer, som Large Hadron Collider vid CERN och Spallation Neutron Source (SNS) här vid Oak Ridge."

Fungerar på 1,4 megawatt, SNS är en av DOE:s flaggskeppsforskningsanläggningar som utnyttjar neutroner för att studera energi och material i atomär skala. Neutroner skapas vid SNS genom att driva buntar, eller pulser, av protoner med nästan 90 procent av ljusets hastighet nerför anläggningens linjäraccelerator – eller linac. I slutet av linac, protonstrålepulserna slår in i ett målkärl av metall fyllt med virvlande flytande kvicksilver med en hastighet av 60 gånger per sekund.

Atomkollisionerna skapar mängder av neutroner - cirka 20 neutroner per proton. Neutronerna flyger sedan genom energimoderatorer och vakuumkammare till omgivande instrument där forskare använder dem för att studera hur ett materials atomer är ordnade och hur de beter sig. Väsentligen, ökning av acceleratorkraften ökar antalet skapade neutroner, vilket i sin tur ökar anläggningens vetenskapliga produktivitet och möjliggör nya typer av experiment.

"Helst, vi vill att alla partiklar i strålen ska koncentreras till en enda, mycket kompakt moln. När partiklar avviker, de bildar lågdensitetsmoln, kallas en strålgloria. Om gloria blir för stor och vidrör gaspedalens väggar, som resulterar i strålförlust och kan skapa strålningseffekter och andra problem, sa Aleksandrov.

Istället för att göra mätningarna på SNS, teamet använde en kopia av SNS linac vid ORNL:s Beam Test Facility. Att använda en replika gör det möjligt för forskare att utföra avancerade fysikstudier på acceleratorn utan att avbryta experimenten vid själva neutronproduktionsanläggningen.

Den avancerade mättekniken bygger på samma tillvägagångssätt som forskarna använde 2018 för att göra den första partikelacceleratorstrålemätningen i sex dimensioner . Medan 3D-rymden inkluderar punkter på x, y, och z-axlar för att mäta position, 6D-rymden har ytterligare tre koordinater för att mäta en partikels vinkel, eller bana.

"Tekniken är faktiskt ganska enkel. Vi tar ett materialblock med ett antal slitsar som vi använder för att skära ut små prover av strålen. Det ger oss en balk som innehåller en mindre, mer hanterbart antal partiklar som vi kan mäta, och vi kan flytta runt det där blocket för att mäta andra sektioner av strålen, sa Aleksandrov.

Strålproverna extraherades från en av linacens primära accelererande komponenter som kallas medelenergistråletransportlinjen, eller MEBT. Repliken MEBT, ca 4 meter lång, inkluderar en strålskrapa för att minska tidig strålgloria och ger mer utrymme än vanliga MEBTs för andra diagnostiska verktyg.

"Men, istället för att skära ut 6D-fasutrymme, den här gången skär vi bara ut prover i tvådimensionellt fasutrymme, " sa han. "I grund och botten, om du kan mäta i sex dimensioner med rimlig upplösning, då kan du mäta i lägre dimensioner med mycket högre upplösning."

Genom att använda 6D-mätningarna som en baslinje, mätning i 2-D låste upp en radikalt förbättrad upplösningsnivå på 1 del per miljon. En del per miljon är viktig för moderna acceleratorer av två skäl, enligt Aleksandrov. Det är den maximalt tillåtna densiteten vid vilken strålgloria är hanterbar, och det är upplösningsnivån, eller dynamiskt område, nödvändiga för att validera och bygga mer exakta datormodelleringssimuleringar av strålhaloeffekten.

"Förr, strålmodellering på den här nivån var en omöjlig uppgift eftersom datorer inte kunde beräkna miljarder partiklar; och nu kan de men det kan inte göras exakt utan dessa initiala strålfördelningar, sa Kiersten Ruisard, en Clifford G. Shull postdoktor vid ORNL. "Det finns ingen modell som vi känner till som förutsäger strålförlustmönstren som mäts i den verkliga acceleratorn. Att testa våra modeller med denna oöverträffade precisionsnivå är nödvändigt för att bygga mer robusta simuleringar som hjälper oss att mildra dessa förluster."

Att mäta strålen vid en relativt låg energi på 2,5 megaelektronvolt gav forskarna insikter i hur man modellerar strålen vid högre energier. Aleksandrov sa att de redan arbetar med nästa teknikförbättring, vilket kommer att innebära att man använder laser för att mäta strålen vid en betydligt högre energi på 1 gigaelektronvolt. Den uppgraderingen är några år borta.

Teamets forskningsresultat publiceras i den vetenskapliga tidskriften Kärntekniska instrument och metoder inom fysikforskning . Förutom Aleksandrov, Cousineau, och Ruisard, Tidningens författare inkluderar Alexander Zhukov från ORNL.

"Även om vi skulle kunna göra 100 megawatt-acceleratorer nu, det är bara inte praktiskt. De skulle vara för stora och för dyra, sade fysikern Sarah Cousineau, sektionschefen för vetenskap och teknik i ORNL:s Research Accelerator Division. "Att förbättra mätningens upplösning till högre nivåer tillåter oss inte bara att göra framsteg när det gäller att förstå och simulera strålgloria, men det främjar också vår förståelse för hur man gör acceleratorer mer kraftfulla, i mindre skalor, och till mycket mer rimliga kostnader."