發現在一定的能量範圍，粒子在躍遷附近的運動，極易產生不穩定性

2020-10-20 科學之美

加速帶電粒子束的作用就像光與顯微鏡那樣照亮被觀察的物體。光束越強，科學家就越容易檢查他們正在觀察的物體。但是強度是有代價的：光束越強，就越容易出現不穩定。一種類型的不穩定性發生在加速粒子通過圓形機器平均能量達到其轉換值時，轉折點發生在粒子以相同的速率繞環旋轉時，即使它們並不都攜帶相同的能量，事實上它們表現出一定的能量範圍，粒子在躍遷能量附近的特定運動使它們極易產生集體不穩定性。

這些特殊的不穩定性被觀察了幾十年，但沒有得到充分的理解。事實上是被曲解了，現在在發表的一篇研究論文中，新提出了一個關於這些不穩定性的新理論。將這一理論應用於費米實驗室助推器加速器，預測了過渡區不穩定性的主要特徵，提出了更好抑制不穩定性的方法。新的測量證實了預測，並且計劃在不久的將來進行更詳細的實驗束流研究。

加速高強度光束是費米實驗室科學計劃的關鍵部分，對粒子束行為的堅實理論理解，使實驗者能夠更好地操縱加速器參數以抑制不穩定性。這促使費米實驗室基礎物理實驗所需的高強度光束，它也適用於任何運行循環加速器的實驗或機構。束流質子通過電磁場相互作用，電磁場有兩種，其中一個被稱為庫侖場。

這些是局部的，並且它們本身不能驅動不穩定。第二種是尾流場。尾流場由粒子輻射，並跟隨在它們後面，有時遠遠地在後面。當粒子偏離光束路徑時，尾流場向後平移此偏離，在粒子留下的尾跡中。即使是很小的偏離路徑也不能逃脫被這些電磁場帶向後的情況，如果光束足夠強，它們的尾流會使它們不穩定。在新理論中提出了一個緊湊的數學模型，有效地考慮了這兩種場，意識到當它們足夠強大時，它們都是重要的，因為它們通常是接近過渡能量。

這種巨大的放大發生在CERN的質子同步加速器上，如果不以這樣或那樣的方式抑制，這种放大可能會增長，直到光束接觸到真空室壁而丟失。現在在費米實驗室助推器的測量，證實了那裡存在類似的不穩定性；計劃在不久的將來進行更多的測量，以檢查提出緩解這種不穩定性的新方法。這些現象被稱為橫向對流不穩定，它們如何產生的發現，為更好地理解和處理強質子束的理論、數值和實驗方法打開了新大門。

博科園｜研究/來自：費米國家加速器實驗室

參考期刊《Physical Review Accelerators and Beams》

DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.22.034202

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