가속물리학

3. 빔 역학

입자의 높은 속도와 그에 따른 로렌츠 힘으로 인해, 빔 방향의 조정은 주로 입자를 편향시키는 자기정적장에 의해 제어된다. 대부분의 가속기 개념 (예: 사이클로트론 또는 베타트론)을 제외하고, 이는 다양한 특성과 기능을 가진 전용 전자석에 의해 적용된다.^[1] 쌍극자 자석은 구조를 통해 빔을 안내하는 데 사용되며, 사중극 자석은 빔 집속에 사용되고, 육중극 자석은 분산 효과를 보정하는 데 사용된다.

가속기의 정확한 설계 궤도 상의 입자는 쌍극자장 성분만 경험하는 반면, 횡방향 위치 편차를 가진 입자는 설계 궤도로 재집속된다. 예비 계산을 위해, 사중극보다 높은 모든 장 성분을 무시하면, 비균질 힐 미분 방정식을 근사로 사용할 수 있다.^[2]

이때, 비상수 집속력은 강자집속 및 약자집속 효과를 포함하며, 설계 빔의 운동량으로부터의 상대적 편차, 궤도 곡률 반경, 설계 경로 길이를 고려하여 시스템을 매개변수 진동자로 식별한다. 그런 다음 광선 전달 행렬 분석을 사용하여 가속기에 대한 빔 매개변수를 계산할 수 있다. 예를 들어, 사중극장은 기하 광학의 렌즈와 유사하며 빔 집속과 관련하여 유사한 특성을 가지고 있다(그러나 언쇼의 정리를 따른다).

일반적인 운동 방정식은 거의 모든 경우에 근축 근사를 사용하여 상대론적 해밀턴 역학에서 유래한다.

3. 1. 관련 개념

4. 모델링 코드

가속기 물리학의 다양한 측면을 모델링하는 데 사용할 수 있는 다양한 소프트웨어 패키지가 많이 있다. 전기장과 자기장을 생성하는 요소를 모델링해야 하며, 해당 장 내에서 하전 입자 진화를 모델링해야 한다. 가속기 물리학 코드, Geant4 등이 그 예시이다.

5. 빔 진단

입자 묶음의 특성을 측정하는 진단 장치는 모든 가속기의 필수 구성 요소이다. 빔 위치 모니터(BPM)를 사용하여 묶음의 위치를 측정하고, 스크린(형광 스크린, 광학 천이 방사선(OTR) 장치)을 사용하여 묶음의 프로파일을 이미징하며, 와이어 스캐너를 사용하여 단면을 측정하고, 토로이드 또는 ICT를 사용하여 묶음 전하(즉, 묶음당 입자 수)를 측정하는 등 다양한 유형의 측정 장치가 사용된다.

이러한 장치 설계는 고도의 전문 지식을 필요로 하는 복잡한 작업이다. 장치 작동 물리에 대한 이해뿐만 아니라, 기계의 예상 매개변수를 장치가 측정할 수 있도록 보장해야 한다. 빔 진단의 성공은 가속기 전체의 성공과 직결된다.

6. 기계 허용 오차

구성 요소, 전계 강도 등의 정렬 오류는 불가피하므로, 기계가 작동할 수 있는 허용 오차를 고려하는 것이 중요하다.

엔지니어는 각 구성 요소의 정렬 및 제조에 대한 예상 허용 오차를 물리학자에게 제공하며, 이를 통해 기계의 예상 동작에 대한 전체 물리 시뮬레이션을 할 수 있다. 많은 경우 성능이 허용할 수 없는 수준으로 저하되며, 구성 요소 재설계 또는 기계 성능을 설계 수준으로 '조정'할 수 있는 알고리즘 발명이 필요하다.

다양한 오류 조건에 대한 여러 시뮬레이션을 통해 각 조정 알고리즘의 상대적 성공을 결정하고 실제 기계에 배포할 알고리즘 모음에 대한 권장 사항을 제시할 수 있다.

참조

_[1] 논문 Theory of the alternating-gradient synchrotron http://ab-abp-rlc.we[...] 1958-01
_[2] 서적 Particle Accelerator Physics: An Introduction Oxford University Press