美國田納西大學諾克斯維爾分校的一個研究小組,在美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)裏使用散裂中子源(SNS)直線加速器(linac)的複製品,首次對高能加速器中的粒子流進行了全面的六維(6D)測量。

本次測量的細節發表在近期《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。這將讓科學家們更好地認識全世界現有的和正在計劃建造的加速器,並將提升加速器的性能。

ORNL加速器研究部門主管兼德州大學(UT)教授Sarah Cousineau表示,他們的目標是更好地了解粒子流的物理特性,以改進加速器的工作方式。而與之相關的部份工作是在6D空間中全面描述或測量粒子流。這在以前還從未做過。

6D空間與3D類似,但在x、y和z軸上包含有3個額外的座標,以追蹤目標的運動或速度。「我們立刻發現,粒子流在6D空間中的複雜結構,你在5D以下是看不到的—一層又一層,複雜地糾結在一起,」 Cousineau說。「測量也揭示出,粒子流的結構與其強度直接有關,隨著強度的增加,結構就變得更為複雜。」

作為提高SNS功率輸出的努力的一部份,ORNL的物理學家使用粒子流測試設備來調試新的射頻四極場,這是位於直線加速器前端組件上的第一個加速元件。在美國國家科學基金會(NSF)的資助下,UT使用的粒子流測試設備具備了最先進的6D測試性能。科學家們的最終目標是建立整個粒子流的模型,包括減少所謂的束暈,也就是儅粒子到達粒子流外部頂端後被丟失而造成的粒子損失。他們表示,目前最直接的挑戰是要找到有足夠能力的軟件工具,以分析6D測量在35小時內產生的大約500萬個數據點。Cousineau認為,粒子流的6D測量研究,在幫助科學家們分析是否需要建造能達到數百兆瓦級的加速器這一問題上,起到了關鍵作用。他們將在接下來的十年裏對此展開研究,而SNS比世界上的其它任何設施都更適合於這項工作。◇