Кіріспе
CERN-дегі бөлшектерді жылдамдатушы CERN-дегі алғашқы синхротронды жылдамдатушы Протондық синхротрон (PS, кейде CPS деп те аталады) - CERN-дегі бөлшектерді жылдамдатушы. Бұл 1959 жылы іске қосылған CERN-дің алғашқы синхротроны. Біршама уақыт бойы PS әлемдегі ең жоғары энергиялы бөлшектер үдеуіші болды. Ол содан бері қиылысатын сақтау сақиналары (ISR) және супер протондық синхротрон (SPS) үшін алдын ала жеделдетуші ретінде қызмет етті және қазіргі уақытта Үлкен адрондық коллайдер (LHC) жеделдетуші кешенінің бөлігі болып табылады. Протоннан басқа, ПС-де альфа бөлшектер, оттегі мен күкірт ядролары, электрондар, позитрондар және антипротондар жылдамдатылады. Бүгінде ПС CERN-дің акселератор кешенінің бір бөлігі болып табылады. Ол LHC үшін протонды жылдамдатады, сондай-ақ CERN-дегі басқа да тәжірибелік қондырғылар. Теріс сутегі иондары көзін пайдаланып, иондар алдымен Linac 4 сызықтық үдеткішінде 160 MeV энергиясына дейін жеделдетіледі. Сутегі ионы екі электронынан да айырылып, тек бір протоны бар ядроны қалдырады, ол протондар 2 ГеВ-қа дейін жылдамдатылатын Протондық синхротрондар бустеріне (PSB) енгізіледі, содан кейін PS, сәулені 25 ГеВ-қа дейін итеріп жібереді. Содан кейін протондар Super Proton Synchrotron-ға жіберіледі және LHC-ге енгізілгенге дейін 450 GeV жылдамдыққа дейін жылдамдатылады. PS сонымен қатар LHC-дегі соқтығысулар үшін 72 MeV энергиясы бар төмен энергиялы иондық сақинадан (LEIR) ауыр иондарды жылдамдатады.
CERN's first synchrotron accelerator
The Proton Synchrotron (PS, sometimes also referred to as CPS) is a particle accelerator at CERN. It is CERN's first synchrotron, beginning its operation in 1959. For a brief period the PS was the world's highest energy particle accelerator. It has since served as a pre accelerator for the Intersecting Storage Rings (ISR) and the Super Proton Synchrotron (SPS), and is currently part of the Large Hadron Collider (LHC) accelerator complex. In addition to protons, PS has accelerated alpha particles, oxygen and sulfur nuclei, electrons, positrons, and antiprotons. Today, the PS is part of CERN's accelerator complex. It accelerates protons for the LHC as well as a number of other experimental facilities at CERN. Using a negative hydrogen ion source, the ions are first accelerated to the energy of 160 MeV in the linear accelerator Linac 4. The hydrogen ion is then stripped of both electrons, leaving only the nucleus containing one proton, which is injected into the Proton Synchrotron Booster (PSB), which accelerates the protons to 2 GeV, followed by the PS, which pushes the beam to 25 GeV. The protons are then sent to the Super Proton Synchrotron, and accelerated to 450 GeV before they are injected into the LHC. The PS also accelerates heavy ions from the Low Energy Ion Ring (LEIR) at an energy of 72 MeV, for collisions in the LHC.
Өмірбаян
Синхротрон (протон синхротрон сияқты) - циклді бөлшектер үдеушісінің бір түрі, циклотроннан шыққан, үдеуші бөлшектер сәулесі белгіленген жолмен жүреді. Бөлшектер сәулесін өзінің белгіленген жолына бұратын магнит өрісі уақыт өте келе артады және бөлшектердің энергиясының өсуіне сәйкес келеді. Бөлшектер тұрақты шеңберлік жолмен жүргенде олар тепе-теңдік орбитасы бойынша тербеліседі, бұл құбылыс бетатрон тербелісі деп аталады. Әдеттегі синхротронның айналымдағы бөлшектердің фокусқа қойылуы әлсіз фокусқа қою арқылы жүзеге асырылады: тұрақты радиус бойынша бөлшектерді бағыттайтын магнит өрісі радиуспен бірге сәл төмендейді, бұл сәл әртүрлі орбиталы бөлшектердің орбиталарының бір-біріне жақындауына әкеледі. Бұл бағыттағы фокус мөлшері өте үлкен емес, сондықтан бетатрон тербелістерінің амплитудасы үлкен. Әлсіз фокус үлкен вакуумдық камераны және содан кейін үлкен магниттерді қажет етеді. Әдеттегі синхротронның көп бөлігі магниттерге кетеді. ПС - CERN-дегі бірінші акселератор, ол ауыспалы градиент принципімен жұмыс істеді, оны күшті фокус деп те атайды: төртполюсті магниттер акселератордың айналасына көлденең және тік бағытта бірнеше рет ауыспалы түрде фокус қою үшін қолданылады. Теориялық тұрғыдан алғанда, бөлшектің фокус етуі қалағанша күшті болуы мүмкін, ал бетатрондық тербелістердің амплитудасы қалағанша кішірек болуы мүмкін. Нәтижесінде магниттердің құнын азайтуға болады.
Алдын ала зерттеулер
1950 жылдардың басында Еуропаның бөлшектер физикасы зертханасының жоспары қалыптаса бастағанда, екі түрлі акселератор жобалары пайда болды. Бір машина стандартты типте, оңай және салыстырмалы түрде тез және арзан болуы керек еді: синхроциклотроны, 600 МеВ массалық энергия орталығында соқтығысуды жүзеге асырады. Екінші құрылғы әлдеқайда амбициялық іс болды: сол кездегі кез келген басқадан үлкен жылдамдатушы, протонды 10 ГеВ энергиясына дейін жылдамдатуға болатын синхротрон. 1952 жылдың мамырында дизайн тобы құрылды, оны Одд Даль басқарды. Топтың басқа мүшелері арасында Ролф Видере, Фрэнк Кеннет Говард және Джон Адамс болды. АҚШ-тағы Брукхейвен ұлттық зертханасындағы Космотронда болған сапарынан кейін топ арзан және қуатты машиналар жасаудың жаңа идеясын білді: ауыспалы градиентті фокустау. Бұл идея соншалықты тартымды болды, 10 ГеВ синхротронды зерттеу тоқтатылды, ал жаңа идеяны іске асыратын машинаны зерттеу басталды. Бұл принципті қолдану арқылы 30 ГеВ акселераторды 10 ГеВ акселератормен бірдей бағаға, әлсіз фокуспен жасауға болады. Таңдалған фокустық беріктік үшін 12 см ені мен 8 см биіктігі бар вакуумдық камера қажет болды, оның жалпы массасы 4000 тонна шамасында магниттер болды. 1954 жылдың қазан айында Даль жобаның басшысы лауазымынан кетіп, оның орнына Джон Адамс тағайындалды. 1959 жылдың тамызында PS алғашқы сәулесін шығаруға дайын болды, ал 24 қарашада машинаның сәуле энергиясы 24 ГеВ-қа жетті. 1965 жылы ҚМЖ-ны жақсарту бағдарламасы бекітілді, сонымен қатар Гаргамель және Үлкен Еуропалық Бульбаша камерасы эксперименттері үшін орын жасалды. PS инъекциялық энергиясы 800 MeV төрт сақиналы бустерді 1972 жылы іске қосылған Протондық синхротрондар бустерін (PSB) құрастыру арқылы көтерілді.
1976-1991: SPS/SpS және LEAR-ға дейінгі жеделдетуші
1976 жылы суперпротондық синхротрон (СПС) PS-тің жаңа клиенті болды. SPS протондар-антипротондық коллайдер ретінде жұмыс істей бастағанда, SpS-ның екі міндеті болды: антипротонды 3,5 ГеВ/с жылдамдықпен антипротонды өндіру үшін 26 ГеВ/с қарқынды протондық сәуле шығару және антипротонды 26 ГеВ/с жылдамдыққа дейін жылдамдату. 1978 жылы PSB-ге қызмет көрсететін сызықтық үдеуші Linac 2-ге ауыстырылды, бұл интенсивтіліктің одан әрі артуына әкелді. Осы кезеңде жарық иондарының жылдамдауы пайда болды. Linac 1 Linac 2 арқылы ауыстырылды, ол PS-де жеделдетілген деутерондарды жылдамдатуға жабдықталды және олар протон немесе деутерондармен соқтығысқан ISR-ге көшірілді. 1982 жылы антипротонды баяулау және сақтау үшін төмен энергиялы антипротонды сақина (LEAR) іске қосылғанда, ПС антипротонды баяулаушының жаңа рөлін қайтадан алды. Ол антипротонды АА-дан 180 МЕВ-қа дейін баяулатады және оларды LEAR-ға енгізеді. Осы кезеңде ПС кешені "арнайы бөлшектер фабрикасы" деген лақап атқа ие болды. 1996 жылға дейін PS тұрақты түрде SPS тұрақты мақсатты эксперименттері үшін иондарды, Шығыс залында немесе АА-да антипротон өндірісі үшін протондарды жылдамдатты, LEAR үшін протондарды баяулады, ал кейіннен Үлкен электронды позитронлы коллайдер (LEP) үшін электрондар мен позитрондарды жылдамдатты.
1991-2001: LEP-ке дейінгі жеделдетуші
LEP-ке лептондарды беру үшін PS кешеніне тағы үш машина қосылды: LIL V электронды сызықтық жеделдетуші, LIL W электронды және позитронды сызықтық жеделдетуші және EPA (Электронды позитронды аккумулятор) сақтау сақинасы. PS-ді 25 GeV протондық синхротрондан 3,5 GeV лептондар синхротронына өзгерту үшін қосымша жабдықтың кішігірім мөлшерін қосу керек болды. Осы кезеңде SPS Солтүстік тәжірибе залына (Превесин учаскесі) негізгі сәуле ретінде жеткізілетін ауыр иондарға сұраныс да өсті. Күкірт пен оттегі иондарының жылдамдығы өте жоғары болды.
2001 бүгінгі күні: LHC-ге дейінгі жеделдетуші
LEP инжекторы ретінде жұмыс аяқталғаннан кейін PS LHC инжекторы ретінде және жаңа тұрақты мақсатты эксперименттерге дайындық үшін жаңа жұмыс кезеңін бастады. Шығыс аймақта жаңа эксперименттер жүргізіле бастады, мысалы, CLOUD эксперименті. АА аймағы Антипротондық баяулатқышпен және оның тәжірибелік аймағымен ауыстырылған кезде ПС кешені де қайта құрылды. PSB және Linac 2 энергиясын арттыру арқылы 2000 және 2001 жылдары PS рекордтық қарқындылыққа қол жеткізді. 2005 жылы PS-ны тоқтатты: сәулелену зақымдануы негізгі магниттердің ескіруіне себеп болды. Алғашында 10 жылдан аз өмір сүретін магниттер, бұл шамадан төрт есе артық болды және жөндеу бағдарламасына өтті. Туннельді тазартып, магниттерді жаңартып, машинаны қайта орнатты. 2008 жылы PS LHC-ге алдын ала жеделдетуші ретінде жұмыс істей бастады. Сонымен қатар иондық операция өзгерді: LEAR сақтау сақинасына айналды төмен энергиялы иондық сақина (LEIR) және PSB иондық инжектор болудан қалды.
Құрылыс және пайдалану
PS температурасы ± 1°-ға дейін бақыланатын туннельге салынған. 628 метрлік шеңбердің айналасында 4,4 м номиналды ұзындығы бар 100 магнит бірлігі, 1,6 м 80 қысқа тік секторы және 3 м 20 тура секторы бар. 16 ұзақ тік секторы жеделдету қуыстарымен жабдықталған, 20 қысқалары төрт еселік түзету линзаларымен және 20 қысқалары алты және сегіз еселік линзалармен жабдықталған. Басқа түзу қималар сәуле бақылау станциялары мен инъекциялық құрылғылар, нысаналар және экзекциялық магниттер үшін қалдырылған. Магниттердің орналасуы өте маңызды болғандықтан, бірліктер диаметрі 200 метр бетонның еркін жүзетін сақинасына орнатылады. Қосымша сақтық шарасы ретінде бетон сақинаға болат құбырлар құйылады, онда су сақина арқылы өтеді, бұл магниттерде тұрақты температураны сақтайды.
Табылдылар мен жаңалықтар
ПС-тен протондық сәулемен шығарылған нейтрино сәулесін пайдалана отырып, Гаргамель эксперименті 1973 жылы бейтарап тоқтарды тапты.