Протонный синхротрон

Эта статья об ускорителе частиц в ЦЕРНе. Для темы протонных синхротронов см. Синхротрон .

ЦЕРН Комплекс

Текущие объекты по частицам и ядерному оборудованию
БАК	Ускоряет протоны и тяжелые ионы
ЛАГЕРЬ	Ускоряет ионы
СПС	Ускоряет протоны и ионы
Промсвязьбанк	Ускоряет протоны
ПС	Ускоряет протоны или ионы
Линак 3	Вводит тяжелые ионы в LEIR
Линак4	Ускоряет ионы
ОБЪЯВЛЕНИЕ	Замедляет антипротоны
ЕЛЕНА	Замедляет антипротоны
ИЗОЛЬДА	Создает пучки радиоактивных ионов.
Врачи	Производит изотопы для медицинских целей

Протонный синхротрон ( ПС, иногда также называемый CPS). ) — ускоритель частиц в ЦЕРН . ЦЕРН Это первый синхротрон с самой высокой энергией в мире , начавший свою работу в 1959 году. В течение короткого периода PS был ускорителем частиц . С тех пор он служил предварительным ускорителем для пересекающихся накопительных колец ( ISR ) и суперпротонного синхротрона ( SPS ), а в настоящее время является частью ускорительного комплекса Большого адронного коллайдера ( LHC ). Помимо протонов , ПС ускоряет альфа-частицы , ядра кислорода и серы , электроны , позитроны и антипротоны .

Сегодня ПС является частью ускорительного комплекса ЦЕРН. Он ускоряет протоны для БАКа, а также ряда других экспериментальных установок ЦЕРН. С помощью источника отрицательных ионов водорода ионы сначала ускоряются до энергии 160 МэВ в линейном ускорителе Linac 4 . Затем ион водорода лишается обоих электронов, остается только ядро, содержащее один протон, который вводится в протонный синхротронный ускоритель ( PSB ), который ускоряет протоны до 2 ГэВ, а затем в PS, который толкает луч до 25 ГэВ. . Затем протоны отправляются в суперпротонный синхротрон и ускоряются до 450 ГэВ, прежде чем они попадут в БАК. PS также ускоряет тяжелые ионы из кольца низкоэнергетических ионов ( LEIR ) с энергией 72 МэВ для столкновений на БАКе.

Фон

Синхротрон , в котором ускоряющий (как и Протонный Синхротрон ) — это разновидность циклического ускорителя частиц , произошедшего от циклотрона пучок частиц движется по фиксированной траектории. Магнитное поле , которое изгибает пучок частиц по фиксированной траектории, увеличивается со временем и синхронизируется с увеличением энергии частиц. Когда частицы движутся по фиксированной круговой траектории, они будут колебаться вокруг своей равновесной орбиты — явление, называемое бетатронными колебаниями .

В обычном синхротроне фокусировка циркулирующих частиц достигается за счет слабой фокусировки : магнитное поле, которое направляет частицы вокруг фиксированного радиуса, немного уменьшается с увеличением радиуса, в результате чего орбиты частиц с немного разными положениями приближаются друг к другу. Величина фокусировки при этом не очень велика, и, следовательно, амплитуды бетатронных колебаний велики. Слабая фокусировка требует большой вакуумной камеры и, следовательно, больших магнитов. Большую часть стоимости обычного синхротрона составляют магниты. PS был первым ускорителем в ЦЕРН, в котором использовался принцип переменного градиента , также называемый сильной фокусировкой: квадрупольные магниты используются для поочередной фокусировки по горизонтали и вертикали много раз по окружности ускорителя. Фокусировка частицы теоретически может стать сколь угодно сильной, а амплитуда бетатронных колебаний сколь угодно малой. Конечным результатом является то, что вы можете снизить стоимость магнитов.

Операционная история

Предварительные исследования

планы создания европейской лаборатории физики элементарных частиц Когда в начале 1950-х годов начали обретать форму , возникли два разных проекта ускорителей. Одна машина должна была быть стандартного типа, простой, относительно быстрой и дешевой в постройке: синхроциклотрон , обеспечивающий столкновения при энергии центра масс 600 МэВ. Второе устройство было гораздо более амбициозным проектом: ускоритель, больший, чем любой другой существовавший тогда, синхротрон , способный ускорять протоны до энергии 10 ГэВ – PS.

К маю 1952 года была создана группа дизайнеров под руководством Одда Даля . Другими членами группы были, в частности, Рольф Видеро , Фрэнк Кеннет Говард и Джон Адамс . После посещения Космотрона в Брукхейвенской национальной лаборатории в США группа узнала о новой идее создания более дешевых и высокоэнергетических машин: фокусировке с переменным градиентом . Идея была настолько привлекательной, что исследование синхротрона на 10 ГэВ было прекращено и началось исследование машины, реализующей новую идею. Используя этот принцип, можно построить ускоритель на 30 ГэВ по той же цене, что и ускоритель на 10 ГэВ, используя слабую фокусировку. Однако чем сильнее фокусировка, тем выше требуется точность юстировки магнитов. Это оказалось серьезной проблемой при строительстве ускорителя.

Второй проблемой периода строительства было поведение машин при энергии, называемой «переходной энергией». В этот момент относительное увеличение скорости частицы меняется от большей к меньшей, что приводит к обращению амплитуды бетатронных колебаний к нулю и потере устойчивости пучка. Проблема была решена с помощью скачка или внезапного изменения ускорения, при котором четверные импульсы заставляли протоны пересекать переходный энергетический уровень намного быстрее.

ПС был одобрен в октябре 1953 года как синхротрон с энергией 25 ГэВ, радиусом 72 метра и бюджетом 120 миллионов швейцарских франков . Для выбранной силы фокусировки требовалась вакуумная камера шириной 12 см и высотой 8 см с магнитами общей массой около 4000 тонн. Даль ушел с поста руководителя проекта в октябре 1954 года, и его заменил Джон Адамс . К августу 1959 года ПС был готов к первому пучку, а 24 ноября машина достигла энергии пучка 24 ГэВ.

1960–1976: фиксированная мишень и предускоритель для ISR.

Вид с воздуха на протонный синхротрон на энергию 28 ГэВ. Подземное кольцо протонного синхротрона на энергию 28 ГэВ в 1965 году. Слева, Южный и Северный экспериментальные залы. Вверху справа часть Восточного зала. Внизу справа: главный генераторный зал и конденсаторы охлаждения.

К концу 1965 года PS был центром паутины лучевых линий: он поставлял протоны в Южный зал ( площадка Мейрин ), где внутренняя мишень производила пять вторичных пучков, обслуживавших нейтринный эксперимент и кольцо хранения мюонов ; Северный зал (площадка Мейрен), где две пузырьковые камеры ( 80 см водород Сакле , тяжелая жидкость ЦЕРН) питались внутренней мишенью; Когда в 1963 году стал доступен Восточный зал (площадка Мейрин), протоны из PS попали во внутреннюю мишень, создав вторичный луч, отфильтрованный электростатическими сепараторами, в 2-метровую пузырьковую камеру ЦЕРН и в дополнительные эксперименты.

Вместе со строительством пересекающихся накопительных колец (ISR) в 1965 году была принята программа усовершенствования PS, которая также освободила место для экспериментов «Гаргамель» и « Большая европейская пузырьковая камера» . Энергия инжекции ПС была увеличена за счет строительства четырехкольцевого ускорителя на 800 МэВ — Протонного синхротронного ускорителя (ПСБ), который вступил в строй в 1972 году.

1976–1991: Преускоритель SPS/Sp p S и LEAR.

В 1976 году суперпротонный синхротрон новым клиентом ПС стал (СПС). Когда SPS начал работать как протон - антипротонный коллайдер ( Sp p S ), перед PS стояла двойная задача: создать интенсивный пучок протонов с энергией 26 ГэВ/с для генерации антипротонов с энергией 3,5 ГэВ/с для хранения в аккумуляторе антипротонов ( АА). ), а затем ускорение антипротонов до 26 ГэВ/с для передачи в ППС.

Линейный ускоритель , сейчас обслуживающий PSB, был заменен в 1978 году на Linac 2 , что привело к дальнейшему увеличению интенсивности. ускорение легких ионов В этот период на сцену выходит . Linac 1, который был заменен Linac 2, был оборудован для ускорения дейтронов , которые ускорялись в PS, и переносились в ISR, где они сталкивались с протонами или дейтронами.

Когда в 1982 году заработало кольцо низкоэнергетических антипротонов ( LEAR ) для замедления и хранения антипротонов, PS возобновил новую роль замедлителя антипротонов. Он замедлил антипротоны из АА до 180 МэВ и ввел их в LEAR. В этот период комплекс ПС действительно заслужил прозвище «универсальная фабрика частиц». До 1996 года PS регулярно ускорял ионы для экспериментов SPS с фиксированной мишенью, протоны для Восточного зала или производство антипротонов в AA, замедлял протоны для LEAR, а затем ускорял электроны и позитроны для Большого электрон-позитронного коллайдера ( LEP ).

1991–2001: Преакселератор LEP.

За время своей длительной работы ПС многократно увеличил плотность протонов.

Для обеспечения лептонами ЛЭП к комплексу ПС пришлось добавить еще три машины: линейный ускоритель электронов LIL-V, линейный ускоритель электронов и позитронов LIL-W и накопительное кольцо EPA (Electron-Positron Accumulator). Для модификации PS с протонного синхротрона на 25 ГэВ на лептонный синхротрон на 3,5 ГэВ пришлось добавить скромное количество дополнительного оборудования.

В этот период также возросла потребность в более тяжелых ионах, которые будут доставляться в качестве первичного пучка в экспериментальный зал SPS North ( площадка Превессен ). Ионы серы и кислорода были ускорены с большим успехом.

2001 – настоящее время: Преускоритель БАКа.

После окончания работы в качестве инжектора LEP PS начал новый период работы в качестве инжектора LHC и для новых экспериментов с фиксированной целью. В восточном регионе начались новые эксперименты, такие как эксперимент CLOUD . Комплекс ПС также был реконструирован: на месте зоны АА разместился Замедлитель Антипротонов и его экспериментальная зона.

За счет увеличения энергии PSB и Linac 2 ПС достигла рекордных интенсивностей в 2000 и 2001 годах. Весь 2005 год ПС была остановлена: радиационные повреждения вызвали старение основных магнитов. Магниты, срок службы которых первоначально оценивался менее 10 лет, превысил расчетный более чем в четыре раза и прошли программу восстановления. Туннель был опорожнён, магниты отремонтированы, а машина отрегулирована. В 2008 году PS начал работу в качестве предварительного ускорителя БАКа. Одновременно изменилась работа ионов: LEAR был преобразован в накопительное кольцо — Low Energy Ion Ring (LEIR) — и PSB перестал быть инжектором ионов.

Строительство и эксплуатация

ПС построена в туннеле, температура в котором регулируется с точностью до ± 1°. По окружности длиной 628 метров расположены 100 магнитных блоков номинальной длиной 4,4 м, 80 коротких прямых секторов по 1,6 м и 20 прямых секторов по 3 м. Шестнадцать длинных прямых секций снабжены ускорительными резонаторами, 20 коротких — четверными корректирующими линзами, 20 коротких — наборами шести- и восьмикратных линз. Остальные прямые участки отведены под станции наблюдения луча и инжекторные устройства, мишени и выбрасывающие магниты.

Поскольку выравнивание магнитов имеет первостепенное значение, агрегаты монтируются на свободно плавающем бетонном кольце диаметром 200 метров. В качестве дополнительной меры предосторожности в бетонное кольцо залиты стальные трубы, по которым вода проходит через кольцо, чтобы поддерживать постоянную температуру в магнитах.

Находки и открытия

Используя пучок нейтрино, созданный пучком протонов от PS, эксперимент Гаргамель обнаружил нейтральные токи в 1973 году.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с протонным синхротроном, на Викискладе?