Стохастическое охлаждение представляет собой метод управления фазовым пространством пучка заряженных частиц в ускорителях. В отличие от традиционных методов охлаждения, таких как кулоновское или электронное охлаждение, стохастическое охлаждение оперирует измерением случайных флуктуаций частиц в пучке и последующей коррекцией их отклонений с помощью обратной связи.
Ключевым элементом является способность регистрировать индивидуальные частичные отклонения пучка и мгновенно воздействовать на них, снижая разброс импульсов и координат частиц. Это позволяет уменьшить поперечные и продольные размеры пучка без значительных потерь энергии.
Система состоит из трёх основных компонентов:
Детектор (Pickup): Улавливает текущие параметры частиц пучка — координаты, отклонения по энергии, фазе и др. Сигналы, полученные с детектора, содержат информацию о микрофлуктуациях пучка.
Система обработки сигнала (Signal Processor): Преобразует сигнал с детектора в корректирующий импульс. Включает фильтры, усилители и фазовые задержки для синхронизации воздействия на пучок. Основная задача — выделить полезный сигнал на фоне шума, не усиливая случайные флуктуации.
Корректор (Kicker): Электромагнитное или электростатическое устройство, которое воздействует на частицы пучка, корректируя их координаты или импульс в соответствии с сигналом. Корректор располагается на некотором расстоянии от детектора, чтобы сигнал успел пройти обработку и прийти к частицам в нужный момент.
Время охлаждения. Параметр, характеризующий скорость уменьшения разброса частиц. Время охлаждения зависит от амплитуды флуктуаций, усиления системы и длины петли обратной связи. Формально можно выразить как:
$$ \tau \sim \frac{N}{G^2} $$
где N — число частиц в пучке, G — коэффициент усиления системы.
Диапазон частот. Система должна охватывать диапазон частот, соответствующих размаху импульсов частиц. Недооценка этого диапазона приводит к неполному охлаждению, а его превышение может усиливать шум.
Шумовые ограничения. Системы стохастического охлаждения чувствительны к электроническому шуму. Для обеспечения эффективного охлаждения необходимо поддерживать низкий уровень фона и точную синхронизацию сигнала с прохождением пучка через корректор.
Продольное охлаждение направлено на уменьшение разброса энергии частиц. Сигнал с детектора фиксирует отклонение по скорости или фазе, а корректор воздействует на частицу, изменяя её импульс.
Поперечное охлаждение уменьшает разброс координат частиц в поперечной плоскости. Детектор измеряет отклонение частицы от идеальной орбиты, а корректор создает электромагнитное поле, смещающее частицу к центру пучка.
Поперечное и продольное охлаждение могут быть организованы отдельно или совместно, в зависимости от конструкции ускорителя и требуемой степени сжатия пучка.
Преимущества:
Ограничения: