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.
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.
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.