วงแหวนเก็บอนุภาค เป็น เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมชนิดหนึ่งซึ่งสามารถรักษาลำแสงอนุภาค แบบต่อเนื่องหรือแบบพัลส์ให้หมุนเวียน ได้ โดยทั่วไปเป็นเวลาหลายชั่วโมง การเก็บ อนุภาคชนิด ใดชนิดหนึ่ง ขึ้นอยู่กับมวลโมเมนตัมและโดยปกติประจุของอนุภาคที่จะเก็บ วงแหวนเก็บอนุภาคส่วนใหญ่จะ^เก็บอิเล็กตรอนโพซิตรอนหรือโปรตอน^{[ 1} ]

วงแหวนเก็บอิเล็กตรอนส่วนใหญ่มักใช้สำหรับเก็บอิเล็กตรอนที่แผ่รังสีซินโครตรอนมีสิ่งอำนวยความสะดวกที่ใช้ระบบวงแหวนเก็บอิเล็กตรอนมากกว่า 50 แห่ง และใช้สำหรับการศึกษาต่างๆ ในสาขาเคมีและชีววิทยา วงแหวนเก็บอิเล็กตรอนยังสามารถใช้ในการผลิตลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูงแบบโพลาไรซ์ผ่านปรากฏการณ์โซโคลอฟ-เทอร์นอฟ ได้อีกด้วย การใช้งานที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดของวงแหวนเก็บอิเล็กตรอนคือการใช้ในเครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องชนอนุภาคซึ่งลำแสงอนุภาคที่เก็บไว้สองลำที่หมุนสวนทางกันจะถูกนำมาชนกัน ณ ตำแหน่งที่กำหนด จากนั้นปฏิสัมพันธ์ระดับอะตอมที่เกิดขึ้นจะ ถูกศึกษาในเครื่องตรวจจับอนุภาค โดยรอบ ตัวอย่างของสิ่งอำนวยความสะดวกดังกล่าว ได้แก่LHC , LEP , PEP-II , KEKB , RHIC , TevatronและHERA

วงแหวนเก็บประจุเป็น ซินโครตรอนชนิดหนึ่งในขณะที่ซินโครตรอนแบบดั้งเดิมทำหน้าที่เร่งอนุภาคจากสถานะพลังงานต่ำไปสู่สถานะพลังงานสูงโดยอาศัยโพรงเร่งอนุภาคความถี่วิทยุ วงแหวนเก็บประจุจะเก็บอนุภาคไว้ที่พลังงานคงที่ และโพรงเร่งอนุภาคความถี่วิทยุจะใช้เพื่อทดแทนพลังงานที่สูญเสียไปจากการแผ่รังสีซินโครตรอนและกระบวนการอื่นๆ เท่านั้น

Gerard K. O'Neillเสนอให้ใช้แหวนเก็บประจุเป็นส่วนประกอบพื้นฐานสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคในปี พ.ศ. 2499 ประโยชน์สำคัญของแหวนเก็บประจุในบริบทนี้คือ แหวนเก็บประจุสามารถสะสมฟลักซ์ลำแสงสูงจากเครื่องเร่งอนุภาคแบบฉีดที่ให้ฟลักซ์ต่ำกว่ามาก^{[ 2 ]}

ต้องออกแรงกระทำต่ออนุภาคในลักษณะที่จำกัดการเคลื่อนที่ของอนุภาคให้เป็นเส้นทางเกือบเป็นวงกลม ซึ่งอาจทำได้โดยใช้สนามไฟฟ้าสถิตแบบไดโพลหรือสนามแม่เหล็กแบบไดโพล แต่เนื่องจากวงแหวนเก็บอนุภาคส่วนใหญ่เก็บ อนุภาคที่มี ประจุในระดับสัมพัทธภาพจึงพบว่าการใช้สนามแม่เหล็กที่สร้างจากแม่เหล็กไดโพล นั้นเหมาะสมที่สุด อย่างไรก็ตาม มีการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคไฟฟ้าสถิตเพื่อเก็บอนุภาคพลังงานต่ำมาก และอาจใช้สนามควอดรูโพลเพื่อเก็บ นิวตรอน (ที่ไม่มีประจุ) ได้แต่สิ่งเหล่านี้ค่อนข้างหายาก

แม่เหล็กไดโพลเพียงอย่างเดียวให้การโฟกัสที่อ่อนแอเท่านั้นและวงแหวนเก็บประจุที่ประกอบด้วยองค์ประกอบแม่เหล็กประเภทนี้เพียงอย่างเดียวจะทำให้ขนาดลำแสงของอนุภาคค่อนข้างใหญ่ การสลับแม่เหล็กไดโพลกับ แม่เหล็ก ควอดรูโพลและเซ็กซ์ทูโพล ที่จัดเรียงอย่างเหมาะสม สามารถสร้าง ระบบ โฟกัสที่แข็งแกร่งซึ่งสามารถให้ขนาดลำแสงที่เล็กลงได้มาก โครงสร้างแลตติส FODOและChasman-Greenเป็นตัวอย่างง่ายๆ ของระบบโฟกัสที่แข็งแกร่ง แต่ยังมีอีกมากมาย

แม่เหล็กไดโพลและควอดรูโพลเบี่ยงเบนพลังงานของอนุภาคต่างกันในปริมาณที่ต่างกัน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เรียกว่าโครมาติ ซิตี้ โดยเปรียบเทียบกับทัศนศาสตร์ เชิงฟิสิกส์ การกระจายตัวของพลังงานที่มีอยู่โดยธรรมชาติในลำแสงอนุภาคที่เก็บไว้ในทางปฏิบัติ จึงทำให้เกิดการกระจายตัวของการโฟกัสตามแนวขวางและแนวยาว รวมถึงมีส่วนทำให้เกิดความไม่เสถียรของลำแสงอนุภาคต่างๆแม่เหล็กเซ็กซ์ทูโพล (และแม่เหล็กที่มีลำดับสูงกว่า) ถูกนำมาใช้เพื่อแก้ไขปรากฏการณ์นี้ แต่ในทางกลับกันก็ทำให้เกิด การเคลื่อนที่ แบบไม่เชิงเส้นซึ่งเป็นหนึ่งในปัญหาหลักที่นักออกแบบวงแหวนเก็บประจุต้องเผชิญ

เนื่องจากกลุ่มอนุภาคจะเดินทางเป็นระยะทางหลายล้านกิโลเมตร (โดยพิจารณาว่าพวกมันจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสงเป็นเวลาหลายชั่วโมง) ก๊าซที่เหลืออยู่ในท่อลำแสงจะทำให้เกิดการชนกันมากมาย ซึ่งจะทำให้ขนาดของกลุ่มอนุภาคเพิ่มขึ้น และการกระจายพลังงานก็เพิ่มขึ้นด้วย ดังนั้นสุญญากาศ ที่ดีกว่า จึงทำให้พลศาสตร์ของลำแสงดีขึ้น นอกจากนี้ เหตุการณ์การกระเจิงมุมกว้างเพียงครั้งเดียวจากก๊าซที่เหลืออยู่หรือจากอนุภาคอื่นๆ ในกลุ่มอนุภาค ( ปรากฏการณ์ทูเช็ก ) สามารถผลักดันอนุภาคออกไปไกลมากจนสูญหายไปที่ผนังของภาชนะสุญญากาศของเครื่องเร่งอนุภาค การสูญเสียอนุภาคอย่างค่อยเป็นค่อยไปนี้เรียกว่าอายุการใช้งานของลำแสง และหมายความว่าต้องเติมอนุภาคชุดใหม่เข้าไปในวงแหวนเก็บอนุภาคเป็นระยะๆ

การฉีดอนุภาคเข้าไปในวงแหวนเก็บประจุสามารถทำได้หลายวิธี ขึ้นอยู่กับการใช้งานของวงแหวนเก็บประจุ วิธีที่ง่ายที่สุดคือการใช้แม่เหล็กไดโพลแบบพัลส์ ( แม่เหล็กกระตุ้นการฉีด ) หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้น เพื่อบังคับทิศทางของขบวนอนุภาคที่เข้ามาให้เข้าสู่เส้นทางลำแสงที่ถูกเก็บไว้ แม่เหล็กกระตุ้นจะถูกปิดก่อนที่ขบวนอนุภาคจะถูกเก็บกลับมายังจุดฉีด ทำให้เกิดลำแสงที่ถูกเก็บไว้ วิธีนี้บางครั้งเรียกว่าการฉีดแบบรอบเดียว

การฉีดแบบหลายรอบช่วยให้สามารถสะสมลำแสงอนุภาคขาเข้าจำนวนมากได้ เช่น เมื่อต้องการกระแสไฟฟ้าสะสมขนาดใหญ่ สำหรับอนุภาคเช่นโปรตอนซึ่งไม่มีการลดทอนลำแสงอย่างมีนัยสำคัญ พัลส์ที่ฉีดแต่ละครั้งจะถูกวางไว้ที่จุดใดจุดหนึ่งในปริภูมิเฟสตามแนวขวางหรือตามแนวยาวของลำแสง ที่เก็บไว้ โดยต้องระมัดระวังไม่ให้ลำแสงที่ฉีดไปก่อนหน้านี้ถูกดีดออก โดยใช้การจัดเรียงการเบี่ยงเบนลำแสงและการสั่นแบบสอดคล้องกันในลำแสงที่เก็บไว้อย่างระมัดระวัง หากมีการลดทอนลำแสงอย่างมีนัยสำคัญ เช่นการลดทอนของอิเล็กตรอนเนื่องจากรังสีซินโครตรอนพัลส์ที่ฉีดอาจถูกวางไว้ที่ขอบของปริภูมิเฟสแล้วปล่อยให้ลดทอนในปริภูมิเฟสตามแนวขวางเข้าไปในลำแสงที่เก็บไว้ก่อนที่จะฉีดพัลส์ต่อไป เวลาการลดทอนโดยทั่วไปจากรังสีซินโครตรอนคือหลายสิบมิลลิวินาที ทำให้สามารถสะสมพัลส์ได้หลายพัลส์ต่อวินาที

หากจำเป็นต้องแยกอนุภาคออก (เช่น ในระบบเร่งอนุภาคแบบต่อเนื่อง) อาจทำการแยกอนุภาคแบบรอบเดียวได้ในลักษณะเดียวกับการฉีดอนุภาค นอกจากนี้ยังสามารถใช้การแยกอนุภาคแบบเรโซแนนซ์ได้อีกด้วย

อนุภาคจะต้องถูกจัดเก็บไว้เป็นจำนวนรอบที่มาก ซึ่งอาจมากกว่า 10 พันล้านรอบ ความเสถียรในระยะยาวนี้เป็นเรื่องท้าทาย และจำเป็นต้องผสมผสานการออกแบบแม่เหล็กเข้ากับรหัสติดตาม^{[ 3 ]}และเครื่องมือวิเคราะห์เพื่อทำความเข้าใจและเพิ่มประสิทธิภาพความเสถียรในระยะยาว

ในกรณีของวงแหวนเก็บอิเล็กตรอน การลดทอนการแผ่รังสีช่วยลดปัญหาเสถียรภาพโดยการให้การเคลื่อนที่ที่ไม่ใช่แฮมิลโทเนียนซึ่งนำอิเล็กตรอนกลับไปยังวงโคจรที่ออกแบบไว้ในลำดับของการหมุนหลายพันรอบ เมื่อรวมกับการแพร่กระจายจากความผันผวนของพลังงานโฟตอนที่แผ่รังสี จะทำให้เกิดการกระจายลำแสงที่สมดุลขึ้น สามารถดู^{[ 4 ]}สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับหัวข้อเหล่านี้

• รายชื่อสิ่งอำนวยความสะดวกด้านรังสีซินโครตรอน

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับวงแหวนจัดเก็บพลังงานในวิกิมีเดียคอมมอนส์