Введение

Ускоритель частиц в CERN Первый синхротронный ускоритель CERN Протонный синхротрон (PS, иногда также называемый CPS) - ускоритель частиц в CERN. Это первый синхротрон ЦЕРНа, начавший работу в 1959 году. В течение короткого периода времени PS был самым высокоэнергетичным ускорителем частиц в мире. С тех пор он служил предварительным ускорителем для пересекающихся кольцов хранения (ISR) и суперпротонного синхротрона (SPS), и в настоящее время является частью комплекса ускорителей Большого адронного коллайдера (LHC). В дополнение к протонам, PS ускорил альфа-частицы, ядра кислорода и серы, электроны, позитроны и антипротоны. Сегодня ПС является частью ускорителя CERN. Он ускоряет протоны для БАК, а также для ряда других экспериментальных объектов в ЦЕРНе. Используя отрицательный источник ионов водорода, ионы сначала ускоряются до энергии 160 MeV в линейном ускорителе Linac 4. Затем ион водорода лишается обоих электронов, оставляя только ядро, содержащее один протон, который вводится в протоновый синхротронный бустер (PSB), который ускоряет протоны до 2 ГеВ, а затем PS, который подталкивает луч до 25 ГеВ. Протоны затем отправляются в суперпротонный синхротрон и ускоряются до 450 ГеВ, прежде чем они будут введены в БАК. PS также ускоряет тяжелые ионы из низкоэнергетического ионного кольца (LEIR) при энергии 72 МеВ для столкновений в БАК.

Предыстория

Синхротрон (как и протонный синхротрон) - это тип циклического ускорителя частиц, происходящий от циклотрона, в котором ускоряющийся пучок частиц движется по фиксированному пути. Магнитное поле, которое изгибает пучок частиц в его фиксированный путь, увеличивается со временем и синхронизируется с увеличением энергии частиц. По мере того, как частицы движутся по фиксированному круговому пути, они будут колебаться вокруг своей равновесной орбиты, явление называется бетатронными колебаниями. В обычном синхротроне фокусировка циркулирующих частиц достигается слабой фокусировкой: магнитное поле, которое направляет частицы вокруг фиксированного радиуса, немного уменьшается с радиусом, в результате чего орбиты частиц с немного разными положениями приближаются друг к другу. Объем фокусировки таким образом не очень велик, и, следовательно, амплитуды колебаний бетатрона велики. Слабое фокусирование требует большой вакуумной камеры, и, следовательно, больших магнитов. Большая часть стоимости обычного синхротрона - это магниты. PS был первым ускорителем в CERN, который использовал принцип чередующегося градиента, также называемый сильным фокусированием: квадропольные магниты используются для чередующегося фокусирования горизонтально и вертикально вокруг окружности ускорителя. Фокусирование частицы может в теории стать настолько сильным, насколько это желательно, а амплитуда колебаний бетатрона настолько маленькой, насколько это желательно. В итоге можно снизить стоимость магнитов.

Предварительные исследования

Когда в начале 1950-х годов начали формироваться планы создания европейской лаборатории физики частиц, появились два различных проекта ускорителей. Одна машина должна была быть стандартного типа, легкой и относительно быстрой и дешевой в постройке: синхроциклотрона, достигающего столкновений в центре энергии массы 600 МеВ. Второе устройство было гораздо более амбициозным: ускоритель больше, чем любой другой, существующий в то время, синхротрон, который мог ускорять протоны до энергии 10 ГеВ PS. К маю 1952 года была создана группа дизайнеров под руководством Одда Даля. Другими членами группы были, среди прочих, Рольф Видеро, Фрэнк Кеннет Говард и Джон Адамс. После посещения космотрона в Брукхейвенской национальной лаборатории в США группа узнала о новой идее по созданию более дешевых и высокоэнергетических машин: чередующемся градиентном фокусировании. Идея была настолько привлекательной, что исследование синхротрона 10 ГеВ было прекращено, и было начато исследование машины, реализующей новую идею. Используя этот принцип, ускоритель 30 ГеВ может быть построен за ту же стоимость, что и ускоритель 10 ГеВ с использованием слабого фокусирования. Для достижения выбранной концентрации требуется вакуумная камера шириной 12 см и высотой 8 см с магнитами общей массой около 4000 тонн. В октябре 1954 года Даль ушел с поста руководителя проекта и был заменен Джоном Адамсом. К августу 1959 года PS был готов к первому лучу, а 24 ноября машина достигла энергии луча 24 ГеВ. Вместе со строительством пересекающихся кольцов хранения (ISR) в 1965 году была принята программа улучшения PS, также создавая место для экспериментов Gargamelle и Большой европейской пузырьковой камеры. Энергия впрыска PS была увеличена путем построения четырехкольцевого усилителя 800 MeV - протоно-синхротронового усилителя (PSB), который стал функционировать в 1972 году.

1976-1991: предварительный ускоритель для SPS/SpS и LEAR

В 1976 году суперпротонный синхротрон (SPS) стал новым клиентом PS. Когда SPS начал работать как протоно-антипротонный коллайдер, у него была двойная задача - создать интенсивный протонный луч 26 ГеВ/с для генерации антипротонов на 3,5 ГеВ/с, которые должны были храниться в аккумуляторе антипротонов (AA), а затем ускорить антипротоны до 26 ГеВ/с для передачи в SPS. Линейный ускоритель, теперь обслуживающий PSB, был заменен в 1978 году на Linac 2, что привело к дальнейшему увеличению интенсивности. В этот период на сцену вышло ускорение световых ионов. Linac 1, который был заменен на Linac 2, был оснащен для ускорения дейтеронов, которые ускорялись в PS и передавались в ISR, где они сталкивались с протонами или дейтеронами. Когда в 1982 году начало функционировать антипротонное кольцо низкой энергии (LEAR) для замедления и хранения антипротонов, PS возобновил новую роль антипротонного замедлителя. Он замедлил антипротоны с АА до 180 МеВ и ввел их в ЛИАР. В этот период комплекс ПС действительно получил свое прозвище " универсальная фабрика частиц". До 1996 года PS регулярно ускорял ионы для экспериментов с фиксированной целью SPS, протоны для Восточного зала или производства антипротонов в AA, замедлял протоны для LEAR, а позже ускорял электроны и позитроны для Большого электронно-позитронного коллайдера (LEP).

1991-2001: предварительный ускоритель к LEP

Для обеспечения лептонов LEP, к комплексу PS должны были быть добавлены еще три машины: LIL V электронный линейный ускоритель, LIL W электронный и позитронный линейный ускоритель и кольцо хранения EPA (Электронный позитронный аккумулятор). Небольшое количество дополнительного оборудования пришлось добавить для модификации PS с протонового синхротрона 25 GeV на лептонный синхротрон 3,5 GeV. В этот период также увеличился спрос на более тяжелые ионы, которые должны были быть доставлены в качестве первичного луча в экспериментальный зал SPS North (площадка Превессин). И серные и кислородные ионы были ускорены с большим успехом.

2001 сегодня: Пре-ускоритель для LHC

После окончания эксплуатации в качестве инжектора LEP PS начал новый период эксплуатации в качестве инжектора LHC и для новых экспериментов с фиксированными целями. Новые эксперименты начали проводиться в восточной части, такие как эксперимент CLOUD. Комплекс ПС также был реконструирован, когда зона АА была заменена на антипротонный ускоритель и его экспериментальную зону. Увеличив энергию PSB и Linac 2, PS достигла рекордных интенсивностей в 2000 и 2001 годах. В течение всего 2005 года ПС была отключена: радиационное повреждение вызвало старение основных магнитов. Магниты, которые, по первоначальным оценкам, имеют срок службы менее 10 лет, превысили оценку более чем в четыре раза и прошли программу ремонта. Туннель был опустошен, магниты восстановлены, а машина перестроилась. В 2008 году PS начал работать в качестве предварительного ускорителя для LHC. Одновременно ионная операция изменилась: LEAR был преобразован в кольцо хранения - кольцо ионов низкой энергии (LEIR) - и PSB перестал быть ионным инжектором.

Строительство и эксплуатация

ПС встроен в туннель, в котором температура контролируется на ± 1°. Вокруг окружности, 628 метров, имеется 100 магнитных блоков номинальной длиной 4,4 м, 80 коротких прямых секторов длиной 1,6 м и 20 прямых секторов длиной 3 м. Шестнадцать длинных прямых секций оборудованы ускорительными полостями, 20 коротких с четырёхкратными коррекционными линзами и 20 коротких с наборами шестикратных и восьмикратных линз. Другие прямые участки предназначены для станций наблюдения за лучами и устройств впрыска, целей и излучающих магнитов. Поскольку выравнивание магнитов имеет первостепенное значение, агрегаты устанавливаются на свободно плавающее кольцо из бетона диаметром 200 метров. В качестве дополнительной меры предосторожности в бетонном кольце проложены стальные трубы, через которые проходит вода, чтобы поддерживать постоянную температуру в магнитах.

Находки и открытия

Используя пучок нейтрино, произведенный протонным пучком из PS, эксперимент Гаргамель обнаружил нейтральные токи в 1973 году.