Proton synkrotron

Den här artikeln handlar om partikelacceleratorn vid CERN. För ämnet protonsynkrotroner, se Synkrotron .

CERN -komplex

Nuvarande partikel- och kärnkraftsanläggningar
LHC	Accelererar protoner och tunga joner
LEIR	Accelererar joner
SPS	Accelererar protoner och joner
PSB	Accelererar protoner
PS	Accelererar protoner eller joner
Linac 3	Injicerar tunga joner i LEIR
Linac4	Accelererar joner
AD	Bromsar antiprotoner
ELENA	Bromsar antiprotoner
ISOLDE	Producerar radioaktiva jonstrålar

Protonsynkrotronen ( PS, ibland även kallad CPS) är en partikelaccelerator vid CERN . Det är CERN:s första synkrotron , som började sin verksamhet 1959. Under en kort period var PS världens högsta energipartikelaccelerator . Den har sedan dess fungerat som en föraccelerator för Intersecting Storage Rings ( ISR ) och Super Proton Synchrotron ( SPS ), och är för närvarande en del av Large Hadron Collider ( LHC ) acceleratorkomplexet. Förutom protoner har PS accelererade alfapartiklar , syre- och svavelkärnor , elektroner , positroner och antiprotoner .

Idag är PS en del av CERNs acceleratorkomplex. Det accelererar protoner för LHC såväl som ett antal andra experimentanläggningar vid CERN. Med hjälp av en negativ vätejonkälla accelereras jonerna först till energin 160 MeV i linjäracceleratorn Linac 4 . Vätejonen avlägsnas sedan från båda elektronerna, vilket bara lämnar kärnan som innehåller en proton, som injiceras i Proton Synchrotron Booster ( PSB ), som accelererar protonerna till 2 GeV, följt av PS, som skjuter strålen till 25 GeV . Protonerna skickas sedan till Super Proton Synchrotron och accelereras till 450 GeV innan de injiceras i LHC. PS accelererar också tunga joner från lågenergijonringen ( LEIR ) med en energi på 72 MeV, för kollisioner i LHC.

Bakgrund

Synkrotronen (som i Proton Synchrotron ) är en typ av cyklisk partikelaccelerator , som härstammar från cyklotronen , i vilken den accelererande partikelstrålen färdas runt en fast bana. Det magnetiska fältet som böjer partikelstrålen till sin fasta bana ökar med tiden och synkroniseras med partiklarnas ökande energi. När partiklarna färdas runt den fasta cirkulära banan kommer de att svänga runt sin jämviktsbana , ett fenomen som kallas betatronoscillationer.

I en konventionell synkrotron uppnås fokuseringen av de cirkulerande partiklarna genom svag fokusering : magnetfältet som styr partiklarna runt den fasta radien minskar något med radien, vilket gör att partiklarnas banor med något olika positioner närmar sig varandra. Mängden fokusering på detta sätt är inte särskilt stor, och följaktligen är amplituderna för betatronoscillationerna stora. Svag fokusering kräver en stor vakuumkammare, och följaktligen stora magneter. Det mesta av kostnaden för en konventionell synkrotron är magneterna. PS var den första acceleratorn vid CERN som använde sig av alternerande gradientprincipen , även kallad stark fokusering: fyrpolsmagneter används för att omväxlande fokusera horisontellt och vertikalt många gånger runt acceleratorns omkrets. Fokuseringen av partikeln kan i teorin bli så stark som man önskar, och amplituden på betatronsvängningarna så liten som man önskar. Nettoresultatet är att du kan minska kostnaden för magneterna.

Verksamhetshistoria

Förstudier

När tidigt på 1950-talet planerna på ett europeiskt laboratorium för partikelfysik började ta form uppstod två olika acceleratorprojekt. En maskin skulle vara av standardtyp, lätt och relativt snabb och billig att bygga: synkrocyklotronen, som uppnådde kollisioner vid en massacentrumenergi på 600 MeV. Den andra enheten var ett mycket mer ambitiöst företag: en accelerator större än någon annan då existerande, en synkrotron som kunde accelerera protoner upp till en energi på 10 GeV – PS.

I maj 1952 bildades en designgrupp med Odd Dahl som ansvarig. Andra medlemmar i gruppen var bland andra Rolf Widerøe , Frank Kenneth Goward och John Adams . Efter ett besök på Cosmotron vid Brookhaven National Laboratory i USA, fick gruppen veta en ny idé för att tillverka billigare och mer energieffektiva maskiner: alternerande gradientfokusering . Idén var så attraktiv att studien av en 10 GeV synkrotron lades ner och en studie av en maskin som implementerade den nya idén inleddes. Med denna princip skulle en 30 GeV accelerator kunna byggas för samma kostnad som en 10 GeV accelerator med svag fokusering. Men ju starkare fokusering desto högre precision krävs för inriktning av magneter. Detta visade sig vara ett allvarligt problem i konstruktionen av gaspedalen.

Ett andra problem under byggtiden var maskinens beteende vid en energi som kallas "övergångsenergi". Vid denna punkt ändras den relativa ökningen av partikelhastigheten från att vara större till att vara mindre, vilket gör att amplituden för betatronoscillationen går till noll och förlust av stabilitet i strålen. Detta löstes genom ett hopp , eller en plötslig förskjutning i accelerationen, där pulsade fyrdubblar fick protonerna att passera övergångsenerginivån mycket snabbare.

PS godkändes i oktober 1953, som en synkrotron på 25 GeV energi med en radie på 72 meter och en budget på 120 miljoner schweiziska franc . Den valda fokuseringsstyrkan krävde en vakuumkammare på 12 cm bredd och 8 cm höjd, med magneter på cirka 4000 ton total massa. Dahl avgick som chef för projektet i oktober 1954 och ersattes av John Adams . I augusti 1959 var PS klar för sin första stråle, och den 24 november nådde maskinen en strålenergi på 24 GeV.

1960–1976: Fixed-target och pre-accelerator till ISR

Flygfoto av 28 GeV Proton Synchrotron. Den underjordiska ringen av 28 GeV protonsynkrotronen 1965. Till vänster, södra och norra experimenthallarna. Överst till höger, en del av Östra hallen. Nederst till höger, huvudgeneratorrummet och kylkondensorerna.

I slutet av 1965 var PS:en centrum för ett spindelnät av strållinjer: Den levererade protoner till South Hall ( Meyrin-platsen ) där ett internt mål producerade fem sekundära strålar, som tjänade ett neutrinoexperiment och en myonlagringsring ; North Hall (Meyrin-platsen) där två bubbelkammare ( 80 cm väte Saclay , tung flytande CERN) matades av ett internt mål; när East Hall (Meyrin-platsen) blev tillgänglig 1963 träffade protoner från PS ett internt mål som producerade en sekundär stråle som filtrerades av elektrostatiska separatorer till CERN 2 m bubbelkammaren och ytterligare experiment.

Tillsammans med konstruktionen av Intersecting Storage Rings (ISR) beslutades ett förbättringsprogram för PS 1965, vilket också gav plats för experimenten Gargamelle och Big European Bubble Chamber . Insprutningsenergin hos PS höjdes genom att konstruera en 800 MeV fyrringsbooster - Proton Synchrotron Booster (PSB) - som togs i bruk 1972.

1976–1991: Pre-accelerator till SPS/Sp p S och LEAR

1976 blev Super Proton Synchrotron (SPS) en ny kund till PS. När SPS började fungera som en proton – antiprotonkolliderare – Sp p S – hade PS den dubbla uppgiften att producera en intensiv 26 GeV/c protonstråle för att generera antiprotoner vid 3,5 GeV/c för att lagras i antiprotonackumulatorn ( AA) ) och accelererar sedan antiprotonerna till 26 GeV/c för överföring till SPS.

Linjäracceleratorn , som nu tjänar PSB, ersattes 1978 av Linac 2 , vilket ledde till en ytterligare ökning av intensiteten. Under denna period kom acceleration av ljusjoner in på scenen. Linac 1, som ersattes av Linac 2, var utrustad för att accelerera deuteroner som accelererades i PS, och överfördes till ISR där de kolliderade med protoner eller deuteroner.

När Low Energy Antiproton Ring ( LEAR ), för retardation och lagring av antiprotoner, togs i bruk 1982, återtog PS den nya rollen som en antiprotondecelerator. Det bromsade antiprotoner från AA till 180 MeV och injicerade dem i LEAR. Under denna period fick PS-komplexet verkligen sitt smeknamn "mångsidig partikelfabrik". Fram till 1996 skulle PS regelbundet accelerera joner för SPS-experiment med fasta mål, protoner för East Hall eller antiprotonproduktion vid AA, bromsa protoner för LEAR och senare accelerera elektroner och positroner för Large Electron-Positron Collider ( LEP ) .

1991–2001: Pre-accelerator till LEP

Under sin långa drift har PS ökat sin protondensitet många gånger

För att tillhandahålla leptoner till LEP behövde ytterligare tre maskiner läggas till PS-komplexet: LIL-V elektronlinjäraccelerator, LIL-W elektron- och positronacceleratorn och EPA-lagringsringen (Electron-Positron Accumulator). En blygsam mängd ytterligare hårdvara behövde läggas till för att modifiera PS från en 25 GeV protonsynkrotron till en 3,5 GeV leptonsynkrotron.

ökade också efterfrågan på tyngre joner som skulle levereras som en primär stråle till SPS North experimenthall ( Prévessin site) . Både svavel- och syrejoner accelererades med stor framgång.

2001–idag: Pre-accelerator till LHC

Efter avslutad drift som LEP-injektor startade PS en ny driftperiod som förberedelse som LHC-injektor och för nya experiment med fasta mål. Nya experiment började köras i det östliga området, som CLOUD-experimentet . PS-komplexet gjordes också om när AA-området ersattes av Antiproton Decelerator och dess experimentområde.

Genom att öka energin hos PSB och Linac 2 uppnådde PS rekordintensiteter 2000 och 2001. Under hela 2005 stängdes PS: strålningsskador hade orsakat åldrande av huvudmagneterna. Magneterna, som ursprungligen beräknades ha en livslängd på mindre än 10 år, hade överskridit uppskattningen med mer än en faktor fyra och genomgick ett renoveringsprogram. Tunneln tömdes, magneter renoverades och maskinen justerades om. 2008 började PS fungera som en föraccelerator till LHC. Samtidigt förändrades jondriften: LEAR omvandlades till en lagringsring — Low Energy Ion Ring (LEIR) — och PSB slutade vara en joninjektor.

Konstruktion och drift

PS:n är byggd i en tunnel, där temperaturen regleras till ± 1°. Runt omkretsen, 628 meter, finns 100 magnetenheter på 4,4 m nominell längd, 80 korta raka sektorer på 1,6 m och 20 raka sektorer på 3 m. Sexton långa raka sektioner är utrustade med accelerationskaviteter, 20 korta med fyrfaldiga korrigeringslinser och 20 korta med uppsättningar sextuppel- och octupletlinser. Andra raka sektioner är reserverade för strålobservationsstationer och injektionsanordningar, mål och utstötningsmagneter.

Eftersom inriktningen av magneterna är av största vikt är enheterna monterade på en fritt flytande ring av betong, 200 meter i diameter. Som en ytterligare försiktighetsåtgärd har betongringen ingjutna stålrör, där vatten passerar genom ringen för att hålla en konstant temperatur i magneterna.

Fynd och upptäckter

Med hjälp av en neutrinostråle producerad av en protonstråle från PS upptäckte Gargamelle-experimentet neutrala strömmar 1973.

externa länkar

• Media relaterade till Proton Synchrotron på Wikimedia Commons