Протонный синхротронный ускоритель

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

Линии инжекции и передачи протонного синхротронного ускорителя

Поверхность над ракетой-носителем PS в ЦЕРН. Кольцевой ускоритель виден как круглое здание, возвышающееся над землей.

Протонный синхротронный ускоритель в туннеле

Впечатление художника от протонного синхротронного ускорителя

Протонный синхротронный ускоритель ( PSB ) — первый и самый маленький круговой ускоритель протонов ( синхротрон ) в цепочке ускорителей инжекционного комплекса ЦЕРН , который также обеспечивает лучами Большой адронный коллайдер . Он содержит четыре наложенных друг на друга кольца радиусом 25 метров, которые принимают протоны с энергией 160 МэВ от линейного ускорителя Linac4 и ускоряют их до 2,0 ГэВ , готовые к инжекции в протонный синхротрон (ПС). До того, как PSB был построен в 1972 году, Linac 1 инжектировался непосредственно в протонный синхротрон, но увеличенная энергия инжекции, обеспечиваемая ускорителем, позволяла вводить больше протонов в PS и повышать светимость в конце цепочки ускорителей.

PSB не только действует как инжектор протонов для PS, но также поставляет протоны с энергией 1,4 ГэВ в действующий масс-сепаратор изотопов (ISOLDE), единственную экспериментальную установку, напрямую связанную с PSB.

Историческая справка

1964–1968: Планирование и начало строительства.

До ввода PSB в эксплуатацию в 1972 году протоны напрямую доставлялись в Протонный синхротрон (PS) с помощью линейного ускорителя Linac 1 , снабжая PS протонами с энергией 50 МэВ, которые затем ускорялись PS до 25 ГэВ при интенсивности пучка примерно 10 ¹² протонов за импульс. Однако с развитием новых экспериментов (в основном на « Пересекающихся накопительных кольцах » ISR) требуемые интенсивности пучков порядка 10 ¹³ протонов за импульс превышали возможности этой установки. Поэтому обсуждались разные подходы к тому, как увеличить энергию пучка еще до входа протонов в ПС.

Были сделаны различные предложения по поводу этого нового инжектора PS, например, еще один линейный ускоритель или пять пересекающихся колец синхротрона, вдохновленные формой олимпийских колец . В конце концов, было решено использовать установку из четырех вертикально расположенных колец синхротрона радиусом 25 метров, предложенную в 1964 году. Благодаря этой специальной конструкции стало возможным достичь желаемой интенсивности более 10 ¹³ протонов за импульс.

В 1967 году бюджет общей программы обновления оценивался в 69,5 миллионов швейцарских франков (цены 1968 года). Более половины этой суммы было направлено на строительство ОПС, которое началось годом позже, в 1968 году.

1972–1974: Первый луч 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 была достигнута промежуточная целевая интенсивность 5,2. $\times$ 10 ¹² протонов за импульс, доставленный в ПС. В общей сложности на достижение проектной интенсивности в 10 тонн ушло около двух лет. ¹³ протонов за импульс.

1973–1978: Обновление Linac 2.

В первые годы работы стало ясно, что линейный ускоритель Linac 1 , основной источник протонов ЦЕРН в то время, не мог идти в ногу с техническими достижениями других машин ускорительного комплекса. Поэтому в 1963 году было решено построить новый линейный ускоритель, который позже 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. Строительство Linac 2 началось в декабре 1973 года и завершилось в 1978 году.

Linac 1 продолжал работать в качестве источника легких ионов до 1992 года.

1988: Обновление до 1 ГэВ

После более чем десяти лет эксплуатации постоянное увеличение интенсивности пучка потребовало и увеличения выходной энергии ПСБ. Таким образом, после незначительных аппаратных изменений PSB был повышен до 1 ГэВ в 1988 году.

1980–2003 гг.: Ускорение ионов.

С начала 1980-х годов до 2003 года PSB также использовался для ускорения легких ионов, таких как кислород или альфа-частицы , которые доставлялись с помощью Linac 1 . После того, как Linac 3 в качестве специального линейного ускорителя ионов был введен в эксплуатацию, тяжелые ионы, такие как свинец и индий PSB также ускорял .

С 2006 года низкоэнергетическое ионное кольцо (LEIR) взяло на себя прежнюю задачу PSB по ускорению ионов.

1992: Участие в эксперименте ISOLDE

До 1992 года единственной машиной, использовавшей выходные протоны из PSB, была PS. Ситуация изменилась в 1992 году, когда оперативный масс-сепаратор изотопов (ISOLDE) стал вторым получателем протонов PSB. Раньше ISOLDE получала протоны от синхро-циклотрона , но к концу 1980-х годов срок службы этой машины подошел к концу. Таким образом, в 1989 году было принято решение подключить ИЗОЛЬДЕ к ОВО.

1999: Подготовка к БАКу и модернизация до 1,4 ГэВ.

Поскольку на горизонте появился Большой адронный коллайдер (БАК), возникла необходимость еще одной модернизации PSB до 1,4 ГэВ. Эта модернизация подразумевала более серьезные корректировки аппаратуры, чем предыдущая модернизация до 1 ГэВ, поскольку были достигнуты пределы проектных параметров PSB. В 2000 году модернизация была завершена.

2010–2026: Будущие модернизации Большого адронного коллайдера высокой светимости.

В 2010 году был заложен краеугольный камень еще одной модернизации БАК: Большого адронного коллайдера высокой светимости .

Гораздо более высокая требуемая интенсивность пучка привела к необходимости увеличения выходной энергии PSB до 2,0 ГэВ. Это было реализовано во время длительного останова 2 (2019–2020 гг.) путем замены и обновления различного ключевого оборудования ОЭС, например основного источника питания, радиочастотной системы, линии передачи к ПС и системы охлаждения.

Кроме того, была увеличена входная энергия PSB: Linac4 обеспечивает энергию выходного пучка 160 МэВ, заменяя Linac2 . Linac4 позволяет PSB обеспечивать луч более высокого качества для LHC за счет использования водорода анионов ( H ⁻ ионы), а не голые протоны (H ⁺ ионы). Обдирающая фольга в точке инжекции PSB будет отрывать электроны от анионов водорода, создавая таким образом протоны, которые накапливаются в виде сгустков лучей в четырех кольцах PSB. Эти сгустки протонов затем рекомбинируются на выходе PSB и далее передаются по цепочке инжекторов ЦЕРН.

Настройка и работа

PSB является частью ускорительного комплекса ЦЕРН. К моменту постройки кампус Мейрен только что был расширен и теперь охватывает и территорию Франции. Центр колец PSB находится прямо на границе Франции и Швейцарии. Из-за различий в правилах стран в отношении построек на границе было решено построить основное сооружение ОПС под землей. Единственная видимая инфраструктура общественного вещания расположена на швейцарской стороне. ОПС состоит из четырех вертикально расположенных колец радиусом 25 метров. Каждое кольцо разделено на 16 периодов с двумя дипольными магнитами на период и тройной фокусирующей структурой, состоящей из трех квадрупольных магнитов (фокусировка, дефокусировка, фокусировка). Каждая магнитная структура состоит из четырех отдельных магнитов для четырех колец, расположенных друг над другом, имеющих общее ярмо.

Поскольку PSB состоит из четырех колец в отличие от только одного канала в Linac 2 и одного кольца в PS, необходима специальная конструкция для входа и выхода протонных пучков. Луч протонов, поступающий из Linac 2, разделяется по вертикали на четыре разных луча с помощью так называемого распределителя протонов: луч проходит через серию импульсных магнитов, которые последовательно отклоняют части входящего луча на разные углы. В результате четыре бимлета заполняют четыре кольца, а также нарастающий и спадающий фронт протонного импульса, который сбрасывается после распределителя протонов.

Аналогичным образом, четыре бимлета снова объединяются после того, как они были ускорены PSB. С помощью ряда различных магнитных структур лучи от четырех колец выводятся на один вертикальный уровень и затем направляются в сторону ПС.

В 2017 году 1,51 × 10 ²⁰ протоны были ускорены PSB. 61,45% из них были доставлены в ISOLDE, и лишь небольшая часть в 0,084% была использована БАКом.

Результаты и открытия

Единственный прямой эксперимент, в котором используются протоны PSB, - это действующий массовый сепаратор изотопов (ISOLDE). Там протоны используются для создания различных типов низкоэнергетических радиоактивных ядер. С их помощью проводятся самые разнообразные эксперименты - от ядерной и атомной физики до физики твердого тела и наук о жизни. В 2010 году MEDICIS , которая использует оставшиеся протоны от мишеней ISOLDE для производства радиоизотопов, пригодных для медицинских целей. в рамках ISOLDE была запущена установка

Внешние ссылки

• PS Booster Machine: макет и фотографии
• PS Booster на сервере документов ЦЕРН
• PS Booster на INSPIRE HEP
• Официальное мероприятие ЦЕРН по случаю 40-летия PSB