Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Fizica aplicată (Fizica tehnologică) – Fizica acceleratorilor

Fizica aplicată (Fizica tehnologică) – Fizica acceleratorilor

postat în: Fizica 2

lhc

Fizică aplicată (sau fizica tehnologică) este fizica destinată a fi folosită pentru o anumită utilizare tehnologică sau practică. Acesta este de obicei considerată ca o punte sau o conexiune între fizică și inginerie.

Noţiunea de „aplicată” se distinge de cea de „pură” printr-o combinație subtilă de factori, cum ar fi motivația și atitudinea cercetătorilor și natura relației cu tehnologia sau ştiinţa. De obicei fizica aplicată diferă de inginerie prin aceea că un fizician tehnolog nu poate proiecta ceva anume, ci mai degrabă foloseşte fizica sau efectuaează cercetări de fizică, cu scopul de a dezvolta noi tehnologii sau a rezolva unele probleme de inginerie. Această abordare este similară cu cea de matematică aplicată. Cu alte cuvinte, fizică aplicată este înrădăcinată în adevărurile fundamentale și conceptele de bază ale științelor fizice, dar se referă la utilizarea acestor principii științifice în dispozitive și sisteme practice.

Fizicienii tehnologi pot fi, de asemenea, interesaţi în utilizarea fizicii pentru cercetare științifică. De exemplu, domeniul fizicii acceleratorilor poate contribui la cercetare în fizica teoretică, permițând proiectarea și construcția de acceleratoare de energie înaltă.

Fizica acceleratorilor

Fizica acceleratorilor este o ramură a fizicii aplicate care se ocupă cu proiectarea, construirea și operarea acceleratoarelor de particule. Ca atare, se poate circumscrie ca studiul al mișcării, manipulării și observării fasciculelor de particule încărcate relativiste și a interacțiunii acestora cu structurile acceleratoarelor prin câmpuri electromagnetice.

De asemenea, fizica acceleratorilor are legături şi cu alte domenii:

  • Inginerie microundelor (pentru structurile de accelerare/deflecţie în gama de frecvențe radio).
  • Optica, cu accent pe optica geometrică (focalizarea și curbarea fasciculelor), și fizica laserilor (interacțiune laser-particule).
  • Informatica, cu un accent pe procesarea semnalului digital; de exemplu, pentru manipularea automată a fasciculului de particule.

Experimentele efectuate cu acceleratoare de particule nu sunt considerate ca făcând parte din fizica acceleratoarelor, dar fac parte (în funcție de obiectivele experimentelor) din, de exemplu, fizica particulelor, fizica nucleară, fizica materialelor condensate sau fizica materialelor. Tipurile de experimente efectuate la un anumit accelerator sunt determinate de caracteristicile fasciculului de particule generate cum ar fi energia medie, tipul de particule, intensitatea, și dimensiunile.

Accelerarea și interacțiunea particulelor cu structuri RF

Deși este posibil să se accelereze particulele încărcate folosind câmpuri electrostatice, ca într-un multiplicator de tensiune Cockcroft-Walton, această metodă are limitele date de arcul electric la tensiuni înalte. Mai mult decât atât, datorită câmpurilor electrostatice conservative, tensiunea maximă limitează energia cinetică aplicabilă particulelor.

Pentru a evita această problemă, acceleratoarele de particule liniare funcționează utilizând câmpuri variabile în timp. Pentru a controla acest câmp prin intermediul unor structuri macroscopice tubulare prin care trec particulelec (restricții de lungimi de undă), frecvența acestor câmpuri de accelerație este situată în regiunea de radiofrecvență a spectrului electromagnetic.

Spaţiul din jurul unui fascicul de particule este evacuat pentru a preveni împrăștierea cu atomi de gaz, necesitând să fie izolat într-o cameră de vid (sau conductă de fascicul). Datorită câmpurilor electromagnetice puternice care urmează fasciculul, este posibil ca acesta să interacționeze cu orice impedanță electrică din pereții conductei fasciculului. Acest lucru se poate realiza sub forma unei impedanțe rezistive (adică, rezistivitatea finită a materialului conducteii fasciculului) sau o impedanță inductivă/capacitivă (datorită schimbărilor geometrice în secțiune transversală a conductei de fascicul).

Aceste impedanțe vor induce o deformare puternică a câmpului electromagnetic a fasciculului care poate interacționa cu particulele mai târziu. Deoarece această interacțiune poate avea efecte negative, este studiată pentru a determina amploarea acestuia, precum și a stabili orice acțiuni care ar putea fi luate pentru a o atenua.

Dinamica fluxului

Datorită vitezei mare a particulelor, şi a forței Lorentz rezultate pentru câmpuri magnetice, ajustările pe direcția fasciculului sunt controlate în principal de câmpurile magnetostatice care deviază particulele. În cele mai multe concepte de accelerație (cu excepția structurilor compacte, cum ar fi ciclotronul sau betatronul), acestea sunt aplicate de către electromagneți dedicaţi cu diferite proprietăți și funcții. Un pas important în dezvoltarea acestor tipuri de acceleratori a fost înțelegerea focalizării puternice. Magneții bipolari sunt folosiţi pentru a ghida fasciculul prin structură, în timp ce magneții cuadrupolari sunt folosiţi pentru focalizarea fasciculului, iar magneții sextupolari pentru corectarea efectelor de dispersie.

O particulă pe traiectoria exactă proiectată (sau orbita proiectată) a acceleratorului are de-a face numai cu componentele câmpului dipolar, în timp ce particulele cu deviație de la poziția transversală sunt re-concentrate pe orbita proiectată. Pentru calcule preliminare, neglijând toate componentele de câmp mai mari decât cele cuadrupolare, o ecuație diferențială Hill poate fi folosită ca o aproximare, identificând astfel sistemul cu un oscilator parametric. Parametrii fluxului pentru accelerator pot fi apoi calculaţi folosind analiza matricei de transfer Ray. De exemplu, un câmp cuadrupolar este analog cu o lentilă în optica geometrică, având proprietăți similare în ceea ce privește fasciculul de focalizare (dar conformându-se Teoremei lui Earnshaw).

Ecuațiile generale ale mișcării provin din mecanica hamiltoniană relativistă, în aproape toate cazurile folosind aproximația Gauss. Chiar și în cazurile câmpurilor magnetice puternic neliniare, și fără aproximația Gauss, o transformare Lie poate fi folosită pentru a construi un integrator cu un grad ridicat de precizie.

Coduri de modelare

Există multe pachete software diferite disponibile pentru modelarea diferitelor aspecte ale fizicii acceleratorilor. Unul din ele trebuie să modeleze elementele care creează câmpurile electrice și magnetice, iar apoi trebuie să modeleze evoluţia particulelor încărcate în aceste câmpuri. Un cod popular pentru dinamica fluxului, proiectat de CERN, este MAD, sau Methodical Accelerator Design.

Diagnosticările fluxului

O componentă vitală a oricărui accelerator sunt dispozitivele de diagnosticare pentru diverse proprietăți ale fasciculului de particule care urmează să fie măsurat.

O mașină tipică poate folosi mai multe tipuri diferite de dispozitive de măsurare pentru măsurarea proprietăților diferite. Acestea includ (dar nu se limitează la) Beam Position Monitors (BPM) pentru a măsura poziția fluxului, ecrane (ecrane fluorescente, dispozitive Optical Transition Radiation (OTR)) pentru a crea profilul fluxului, scanere pentru a măsura secțiunea transversală, și toroizi sau TIC pentru a măsura sarcina fluxului (de exemplu, numărul de particule pe flux).

În timp ce multe dintre aceste dispozitive se bazează pe tehnologia binecunoscută, proiectarea unui dispozitiv capabil să măsoare un fascicul pentru o anumită mașină este o sarcină complexă care necesită mult expertiză. Nu numai ca necesită o înțelegere deplină a fizicii de funcționare a dispozitivului necesar, dar este de asemenea necesar să se asigure că dispozitivul este capabil să măsoare parametrii așteptaţi ai mașinii în cauză.

Succesul întregului interval de diagnosticare a fluxului stă de multe ori în succesul mașinii ca un întreg.

Toleranţele maşinii

Erori în alinierea componentelor, intensitatea câmpului, etc., sunt inevitabile în mașinile la această scară, de aceea este important să se ia în considerare toleranțele în care o mașină poate funcționa.

Inginerii vor oferi fizicienilor toleranțele preconizate pentru alinierea și fabricarea fiecărei componente pentru a permite simulări complete fizice a comportamentului preconizat al mașinii în aceste condiții. În multe cazuri, se va găsi că performanța este degradată la un nivel inacceptabil, care necesită fie re-inginerie a componentelor, fie invenția de algoritmi care să permită „reglarea” performanţei mașinii din nou la nivelul de proiectare.

Acest lucru poate necesita mai multe simulări pentru diferite condiții de eroare, pentru a determina succesul relativ al fiecărui algoritm de tuning, precum și pentru a permite recomandări pentru algoritmi pentru aparate reale.

Traducere din Wikipedia

2 Responses

  1. Nicolae Sfetcu
    |

    Buna ziua,

    Puteti folosi adresa de email nicolae@sfetcu.com.

    Cu stima,

    Nicolae Sfetcu

  2. scantei tudorel
    |

    Stimate domnule Nicolaie Sfetcu,
    Eu am postat acest film. O SIMPLA DEMONSTRATIE DESPRE FELUL CUM POATE SA FUNCTIONEZE UN TRANSFORMATOR ENERGETIC ( MOTOR MAGNETIC IN 4 TIMPI). https://www.youtube.com/watch?v=B2C7YHiQGC8 Dupa ce am primit +1 de la yutube dat de dvs. am analizat mai cu atentie ceea ce postati si cred ca sunteti un specialist in domeniul Fizicii. Am o lucrare stiintifica intitulata Modelul fizic al atomilor de Hidrogen si Heliu si as vrea sa o cititi si dvs. Aceasta prezinta cauzele care se petrec in atomi. Va rog sa-mi trimiteti o adresa de E-mail . Cu stima Scantei Tudorel tel. 0737901919

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *