加速带电粒子束的作用就像光与显微镜那样照亮被观察的物体。光束越强，科学家就越容易检查他们正在观察的物体。但是强度是有代价的：光束越强，就越容易出现不稳定。一种类型的不稳定性发生在加速粒子通过圆形机器平均能量达到其转换值时，转折点发生在粒子以相同的速率绕环旋转时，即使它们并不都携带相同的能量，事实上它们表现出一定的能量范围，粒子在跃迁能量附近的特定运动使它们极易产生集体不稳定性，这些特殊的不稳定性被观察了几十年，但没有得到充分的理解。

事实上是被曲解了，现在在发表的一篇研究论文中，新提出了一个关于这些不稳定性的新理论。将这一理论应用于费米实验室助推器加速器，预测了过渡区不稳定性的主要特征，提出了更好抑制不稳定性的方法。新的测量证实了预测，并且计划在不久的将来进行更详细的实验束流研究。加速高强度光束是费米实验室科学计划的关键部分，对粒子束行为的坚实理论理解，使实验者能够更好地操纵加速器参数以抑制不稳定性。这促使费米实验室基础物理实验所需的高强度光束，它也适用于任何运行循环加速器的实验或机构。

束流质子通过电磁场相互作用，电磁场有两种，其中一个被称为库仑场。这些是局部的，并且它们本身不能驱动不稳定。第二种是尾流场。尾流场由粒子辐射，并跟随在它们后面，有时远远地在后面。当粒子偏离光束路径时，尾流场向后平移此偏离，在粒子留下的尾迹中。即使是很小的偏离路径也不能逃脱被这些电磁场带向后的情况，如果光束足够强，它们的尾流会使它们不稳定。在新理论中提出了一个紧凑的数学模型，有效地考虑了这两种场，意识到当它们足够强大时，它们都是重要的，因为它们通常是接近过渡能量。

这种巨大的放大发生在CERN的质子同步加速器上，如果不以这样或那样的方式抑制，这种放大可能会增长，直到光束接触到真空室壁而丢失。现在在费米实验室助推器的测量，证实了那里存在类似的不稳定性；计划在不久的将来进行更多的测量，以检查提出缓解这种不稳定性的新方法。这些现象被称为横向对流不稳定，它们如何产生的发现，为更好地理解和处理强质子束的理论、数值和实验方法打开了新大门。

博科园｜研究/来自：费米国家加速器实验室

参考期刊《Physical Review Accelerators and Beams》

DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.22.034202

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