Протонный синхротронный ускоритель - Википедия - Proton Synchrotron Booster

ЦЕРН ускорительный комплекс
Cern-accelerator-complex.svg
Список текущей частицы
ускорители в ЦЕРНе
Linac 3Ускоряет ионы
ОБЪЯВЛЕНИЕЗамедляется антипротоны
LHCСталкивается протоны или тяжелые ионы
LEIRУскоряет ионы
PSBУскоряет протоны или ионы
PSУскоряет протоны или ионы
СПСУскоряет протоны или ионы
Линии инжекции и передачи протонного синхротронного ускорителя
Поверхность над ускорителем PS в ЦЕРНе. Кольцевой ускоритель выглядит как круглое здание, возвышающееся над землей.
Бустер протонного синхротрона в своем туннеле
Впечатление художника о протонном синхротронном ускорителе

В Протонный синхротронный ускоритель (PSB) - первый и самый маленький кольцевой протон ускоритель (а синхротрон ) в цепи ускорителя на ЦЕРН инжекционный комплекс, который также обеспечивает лучи для Большой адронный коллайдер.[1] Он содержит четыре наложенных друг на друга кольца радиусом 25 метров, которые принимают протоны с энергией 50 МэВ от линейный ускоритель Linac 2 и ускорить их до 1.4 ГэВ, готовы к введению в Протонный синхротрон (PS). До того, как PSB был построен в 1972 году, Linac 1 вводился непосредственно в протонный синхротрон, но увеличенная энергия инжекции, обеспечиваемая бустером, позволяла вводить больше протонов в PS и увеличивать яркость в конце цепи ускорителя.

Историческое прошлое

1964-1968: Планирование и начало строительства

До того, как PSB заработал в 1972 году, протоны доставлялись непосредственно в Протонный синхротрон (PS) линейным ускорителем Linac 1, снабжая ПС протонами с энергией 50 МэВ, которые затем ускорялись ПС до 25 ГэВ при интенсивности пучка прибл. 1012 протонов за импульс.[2] Однако с развитием новых экспериментов (в основном на Пересекающиеся кольца для хранения ISR), требуемые интенсивности пучка порядка 1013 протонов в импульсе превышали возможности этой установки. Поэтому обсуждались различные подходы к увеличению энергии пучка еще до попадания протонов в ПС.

Были сделаны разные предложения для этого нового инжектора PS, например, другой линейный ускоритель или пять пересекающихся колец синхротрона, вдохновленные формой Олимпийские кольца.[3] В конце концов, было решено использовать четыре вертикально расположенных синхротрон кольца радиусом 25 метров, предложенные в 1964 году.[4] Благодаря этой специальной конструкции стало возможным достичь желаемой интенсивности более 1013 протонов за импульс.

В 1967 году бюджет общей программы обновления оценивался в 69,5 миллионов швейцарских франков (в ценах 1968 года). Более половины этой суммы было потрачено на строительство общественного транспорта, которое началось годом позже, в 1968 году.[4]

1972 - 1974: Первая балка и пуск.

Первые пучки протонов в PSB были ускорены 1 мая 1972 года, а номинальная энергия 800 МэВ была достигнута 26 мая. В октябре 1973 года цель промежуточной интенсивности составила 5,2. 1012 протонов за импульс, доставленный на ПС. В общей сложности потребовалось около двух лет, чтобы достичь проектной интенсивности 1013 протонов за импульс.

1973 - 1978: обновление до Linac 2

Уже в первые годы эксплуатации выяснилось, что линейный ускоритель Linac 1, Основной источник протонов в ЦЕРН в то время, не мог идти в ногу с техническими достижениями других машин в составе ускорительного комплекса. Поэтому в 1963 году было решено построить новый линейный ускоритель, который впоследствии будет называться Linac 2. Эта новая машина будет обеспечивать протоны той же энергией, что и раньше (50 МэВ), но с более высокими токами пучка до 150 мА и большей длительностью импульса 200 мкс.[5] Строительство Linac 2 началось в декабре 1973 г. и было завершено в 1978 г.

Linac 1 продолжал работать как источник легких ионов до 1992 г.

1988: повышение до 1 ГэВ

После более чем десяти лет эксплуатации постоянное увеличение интенсивности пучка также потребовало увеличения выходной энергии PSB. Таким образом, с незначительными аппаратными изменениями PSB был повышен до 1 ГэВ в 1988 году.[6]

1980-е - 2003 годы: ускоряющиеся ионы

С начала 1980-х до 2003 года PSB также использовался для ускорения легких ионов, таких как кислород или же альфа-частицы, которые были доставлены Linac 1. После Linac 3 по мере ввода в эксплуатацию специального линейного ускорителя ионов, а также тяжелых ионов, таких как вести и индий были ускорены ОВО.

С 2006 г. Кольцо с ионами низкой энергии (LEIR) взяла на себя прежнюю задачу PSB по ускорению ионов.[7]

1992: Подключение к эксперименту ISOLDE

До 1992 года единственной машиной, которая использовала выходные протоны от PSB, была PS. Это изменилось в 1992 году, когда Оперативный изотопный масс-сепаратор (ISOLDE) стал вторым получателем протонов PSB.[8] Ранее ISOLDE получал протоны из Синхро-циклотрон, но к концу 80-х эта машина подошла к концу. Таким образом, в 1989 году было решено подключить ISOLDE к PSB.

1999: Подготовка к LHC и модернизация до 1,4 ГэВ

С Большой адронный коллайдер (LHC) на горизонте потребовалось еще одно обновление PSB до 1,4 ГэВ. Это обновление потребовало более серьезных настроек оборудования, чем предыдущее обновление до 1 ГэВ, поскольку были достигнуты пределы проектных параметров PSB. В 2000 году модернизация была завершена.

2010-2026: Будущие обновления Большого адронного коллайдера высокой светимости

В 2010 году был заложен краеугольный камень еще одной модернизации LHC: Большой адронный коллайдер высокой светимости.[9]

Намного более высокая требуемая интенсивность пучка требует увеличения выходной энергии PSB до 2,0 ГэВ. Это будет реализовано в течение следующих лет путем замены и обновления различного ключевого оборудования PSB, например, основного источника питания, радиочастотной системы, линии передачи к PS и системы охлаждения.

Дополнительно будет увеличена входная энергия PSB: Linac 4, вводимый в эксплуатацию, обеспечит энергию выходного пучка 160 МэВ и заменит Linac 2 к 2020 году. Linac 4 позволит PSB предоставлять луч более высокого качества для LHC, используя водород анионы (ЧАС− ионы), а не голые протоны (H+ ионы). Снятие фольги в точке инжекции PSB оторвет электроны от анионов водорода, создавая протоны, которые накапливаются в виде пучков пучков в четырех кольцах PSB. Эти протонные сгустки затем рекомбинируются на выходе из PSB и далее передаются по цепи инжектора CERN.

Настройка и работа

PSB является частью ускорительного комплекса CERN. К моменту его постройки Мейрин кампус был только что расширен, теперь он охватывает и территорию Франции. Центр колец PSB находится прямо на границе между Францией и Швейцарией. Из-за различных правил, действующих в странах в отношении зданий на границе, было решено построить основное сооружение общественного транспорта под землей. Единственная видимая инфраструктура PSB расположена на швейцарской стороне. PSB состоит из четырех вертикально расположенных колец радиусом 25 метров. Каждое кольцо разделено на 16 периодов с двумя дипольными магнитами на период и триплетной фокусирующей структурой, состоящей из трех квадрупольных магнитов (фокусировка, дефокусировка, фокусировка).[10] Каждый магнит Конструкция состоит из четырех одиночных магнитов для четырех колец, установленных друг на друга и имеющих одно ярмо.

Поскольку PSB состоит из четырех колец в отличие от только одного канала в Linac 2 и одно кольцо в PS, необходима специальная конструкция для входа и выхода протонных пучков. Протонный луч, поступающий из Linac 2, разделяется по вертикали на четыре разных луча с помощью так называемого протонного распределителя: луч проходит через серию импульсных магнитов, которые последовательно отклоняют части входящего луча на разные углы. Это приводит к тому, что четыре бимлета заполняют четыре кольца, а также нарастающий и спадающий фронт протонного импульса, которые сбрасываются после протонного распределителя.[2]

Точно так же четыре бимлета снова объединяются после того, как они были ускорены PSB. С помощью ряда различных магнитных структур лучи от четырех колец переводятся на один вертикальный уровень и затем направляются в сторону PS.

В 2017 году 1,51 1020 протоны были ускорены PSB. 61,45% из них были доставлены в ISOLDE, и лишь небольшая часть 0,084% была использована LHC.[11]

Результаты и открытия

Единственный прямой эксперимент, питаемый протонами PSB, - это Оперативный изотопный масс-сепаратор (ИЗОЛЬДА). Там протоны используются для создания различных типов низкоэнергетических радиоактивных ядер.[12] С их помощью проводится широкий спектр экспериментов, от ядерной и атомной физики до физики твердого тела и наук о жизни.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «ЦЕРН - Дивизион ПС - Проект LHC-PS» Проверено 9 июля 2018 г.
  2. ^ а б "Клаус Ханке: Прошлое и настоящее CERN PS Booster (2013)" Проверено 10 июля 2018 г.
  3. ^ "С. Гилардони, Д. Манглюки: Пятьдесят лет протонному синхротрону ЦЕРН Vol. II (2013)" Проверено 10 июля 2018 г.
  4. ^ а б "Исследование усовершенствования второй ступени CMS: бустерный синхротрон на 800 МэВ (1967)" Проверено 10 июля 2018 г.
  5. ^ "Э. Болтезер и другие: Новый 50-МэВ LINAC в ЦЕРНе (1979)" Проверено 10 июля 2018 г.
  6. ^ "Годовой отчет ЦЕРН 1988 Том II (на французском языке), стр. 104" Проверено 11 июля 2018 г.
  7. ^ «Белочицкий и др .: Ввод в эксплуатацию LEIR (2006 г.)" Проверено 11 июля 2018 г.
  8. ^ "CERN ISOLDE Website: History" Проверено 10 июля 2018 г.
  9. ^ "К. Карли: Материалы семинара по производительности LHC в Шамони 2010" Проверено 10 июля 2018 г.
  10. ^ «Обзор машины PBS: набросок периода 1» Проверено 10 июля 2018 г.
  11. ^ «Годовой отчет ЦЕРН за 2017 год, стр. 23» Проверено 11 июля 2018 г.
  12. ^ "CERN Website: ISOLDE Facility" Проверено 10 июля 2018 г.

внешняя ссылка