存储环

存储环是一种圆形粒子加速器，其中连续或脉冲粒子束通常可以保持循环数小时。特定粒子的存储取决于要存储的粒子的质量、动量以及通常的电荷。储存环最常储存电子、正电子或质子。存储环最常用于存储辐射同步辐射的电子。现有50多个基于电子存储环的设施，用于化学和生物学的各种研究。储存环也可用于通过索科洛夫-特诺夫效应产生极化的高能电子束。存储环最著名的应用是它们在粒子加速器和粒子对撞机中的应用，其中两个反向旋转的存储粒子束在离散位置发生碰撞。然后在周围的粒子探测器中研究产生的亚原子相互作用。此类设施的例子有LHC、LEP、PEP-II、KEKB、RHIC、Tevatron和HERA。存储环是一种同步加速器。传统的同步加速器借助射频加速腔将粒子从低能状态加速到高能状态，而存储环使粒子以恒定的能量存储，而射频腔仅用于补充通过同步加速器损失的能量辐射和其他过程。GerardK.O'Neill在1956年提出使用存储环作为对撞机的构建模块。存储环在这种情况下的一个关键好处是，存储环可以从注入加速器中积聚高光束通量，从而实现更低的射束通量。通量。

必须以这样一种方式将力施加到粒子上，即它们被约束为大致沿圆形路径移动。这可以使用偶极静电场或偶极磁场来实现，但由于大多数存储环都存储相对论性带电粒子，因此使用偶极磁体产生的磁场是最实用的。然而，静电加速器被用来储存能量非常低的粒子，四极场可以用来储存（不带电的）中子；然而，这些比较少见。仅偶极磁体仅提供所谓的弱聚焦，仅由这些磁性元件组成的存储环导致粒子具有相对较大的束尺寸。交错偶极磁体与适当排列的四极和六极磁体可以提供合适的强聚焦系统，该系统可以提供更小的光束尺寸。FODO和Chasman-Green晶格结构是强聚焦系统的简单例子，但还有很多其他的。偶极和四极磁体以不同的量偏转不同的粒子能量，这种特性与物理光学类似，称为色度。因此，任何实际存储的粒子束中固有的能量扩散将导致横向和纵向聚焦的扩散，并导致各种粒子束不稳定性。六极磁铁（和更高阶的磁铁）用于纠正这种现象，但这反过来又会导致非线性运动，这是存储环设计者面临的主要问题之一。

由于束将行进数百万公里（考虑到它们将以接近光速的速度移动数小时），光束管中的任何残留气体都会导致许多许多碰撞。这将具有增加束的大小和增加能量传播的效果。因此，更好的真空产生更好的光束动力学。此外，来自残余气体或来自束中其他粒子的单个大角度散射事件（Touschek效应）可以将粒子喷射得足够远，以至于它们丢失在加速器真空容器的壁上。这种粒子的逐渐损失称为光束寿命，这意味着必须定期向存储环注入新的粒子补充。

取决于存储环的应用，可通过多种方式将颗粒注入存储环中。最简单的方法是使用一个或多个脉冲偏转偶极磁体（注入喷射磁体）来引导进入的粒子序列到存储的光束路径上；在存储的列车返回注入点之前，启动器磁铁被关闭，从而产生存储的光束。这种方法有时被称为单圈注射。

多圈注入允许积累许多进入的粒子序列，例如，如果需要大的存储电流。对于没有明显光束阻尼的质子等粒子，每个注入的脉冲都被放置在存储的光束横向或纵向相空间中的特定点上，注意不要通过仔细安排光束偏转和存储光束中的相干振荡。如果存在显着的束阻尼，例如由于同步辐射引起的电子辐射阻尼，则可以将注入的脉冲放置在相空间的边缘，然后在注入另一个脉冲之前在横向相空间中将其阻尼到存储的束中。同步加速器辐射的典型阻尼时间是几十毫秒，如果需要提取粒子（例如在加速器链中），则可以类似于注入进行单圈提取。也可以使用共振提取。

粒子必须存储非常大的圈数，可能大于100亿圈。这种长期稳定性具有挑战性，必须将磁铁设计与跟踪代码结合起来。和分析工具，以了解和优化长期稳定性。在电子存储环的情况下，辐射阻尼通过提供非哈密顿运动将电子返回到数千圈的设计轨道来缓解稳定性问题。连同来自辐射光子能量波动的扩散，达到平衡光束分布。人们可以查看有关其中一些主题的更多详细信息。