加速器物理学

加速器物理学是应用物理学的一个分支，涉及设计、建造和操作粒子加速器。 因此，它可以被描述为对相对论带电粒子束的运动、操纵和观察及其通过电磁场与加速器结构相互作用的研究。

它还与其他领域相关：

• 微波工程（用于射频范围内的加速/偏转结构）。
• 光学，侧重于几何光学（光束聚焦和弯曲）和激光物理学（激光-粒子相互作用）。
• 计算机技术，侧重于数字信号处理； 例如，用于粒子束的自动操作。
• 等离子体物理学，用于描述强光束。

用粒子加速器进行的实验不被视为加速器物理学的一部分，而是属于（根据实验目的）例如粒子物理学、核物理学、凝聚态物理学或材料物理学。 在特定加速器设施上进行的实验类型取决于生成的粒子束的特性，例如平均能量、粒子类型、强度和尺寸。

虽然可以使用静电场来加速带电粒子，但这种方法在高压下会因电击穿而受到限制。 此外，由于静电场是保守的，xxx电压限制了适用于粒子的动能。

为了避免这个问题，线性粒子加速器使用时变场进行操作。 为了使用粒子通过的中空宏观结构（波长限制）来控制该场，此类加速场的频率位于电磁频谱的射频区域。

粒子束周围的空间被抽空以防止气体原子散射，因此需要将其封闭在真空室（或束管）中。 由于束流后的强电磁场，它可能会与束流管壁上的任何电阻抗相互作用。 这可以是电阻阻抗（即束管材料的有限电阻率）或电感/电容阻抗（由于束管横截面的几何变化）的形式。

这些阻抗会引起尾场（光束电磁场的强烈扭曲），可以与后来的粒子相互作用。 由于这种相互作用可能会产生负面影响，因此对其进行研究以确定其强度，并确定可能采取的任何措施来减轻它。

由于粒子的高速度，以及由此产生的磁场洛伦兹力，对光束方向的调整主要由使粒子偏转的静磁场控制。 在大多数加速器概念中（不包括回旋加速器或电子感应加速器等紧凑型结构），这些都是由具有不同特性和功能的专用电磁铁应用的。 开发这些类型的加速器的一个重要步骤是对强聚焦的理解。 偶极磁铁用于引导光束通过结构，四极磁铁用于光束聚焦，六极磁铁用于校正色散效应。

加速器精确设计轨道（或设计轨道）上的粒子仅经历偶极场分量，而具有横向位置偏差 x ( s ) {\displaystyle x(s)} 的粒子被重新聚焦到设计轨道。 对于初步计算，忽略所有高于四极的场分量，非齐次希尔微分方程

d 2 d s 2 x ( s ) + k ( s ) x ( s ) = 1 ρ Δ p p

可以用作近似值，其中

一个非恒定的聚焦力 k ( s ) ，包括强聚焦和弱聚焦效应与设计光束冲量的相对偏差 Δ p / p轨迹曲率半径 ρ  ，以及设计路径长度 s

从而将系统识别为参数振荡器。 然后可以使用射线传输矩阵分析计算加速器的射束参数； 例如，四极场类似于几何光学中的透镜，在光束聚焦方面具有相似的特性。

一般运动方程源自相对论哈密顿力学，几乎在所有情况下都使用近轴近似。 即使在强非线性磁场的情况下，并且没有近轴近似，李变换也可用于构造积分器。