El Proton Synchrotron Booster ( PSB ) es el primer y más pequeño acelerador circular de protones (un sincrotrón ) en la cadena del acelerador en el complejo de inyección CERN , que también proporciona rayos al Gran Colisionador de Hadrones . [1] Contiene cuatro anillos superpuestos con un radio de 25 metros, que reciben protones con una energía de50 MeV del acelerador lineal Linac 2 y acelerarlos hasta1.4 GeV , listo para ser inyectado en el Sincrotrón de Protones (PS). Antes de que se construyera el PSB en 1972, Linac 1 se inyectaba directamente en el sincrotrón de protones, pero la mayor energía de inyección proporcionada por el propulsor permitió que se inyectaran más protones en el PS y una mayor luminosidad al final de la cadena del acelerador.
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Antecedentes históricos
1964-1968: planificación e inicio de la construcción
Antes de que el PSB entrara en funcionamiento en 1972, los protones se entregaban directamente al Sincrotrón de protones (PS) mediante el acelerador lineal Linac 1 , proporcionando al PS protones de 50 MeV, que luego eran acelerados por el PS a 25 GeV a intensidades de haz de aprox. 10 12 protones por pulso. [2] Sin embargo, con el desarrollo de nuevos experimentos (principalmente en el ISR de Anillos de Almacenamiento Intersectantes ), las intensidades de haz demandadas en el orden de 10 13 protones por pulso excedieron las capacidades de esta configuración. Por lo tanto, se discutieron diferentes enfoques sobre cómo aumentar la energía del haz antes de que los protones entren en el PS.
Se hicieron diferentes sugerencias para este nuevo inyector PS, por ejemplo, otro acelerador lineal o cinco anillos de sincrotrón que se cruzan inspirados en la forma de los anillos olímpicos . [3] Finalmente, se decidió optar por una configuración de cuatro anillos de sincrotrón apilados verticalmente con un radio de 25 metros, que se propuso en 1964. [4] Con este diseño especial, sería posible alcanzar las intensidades de aspiración de más de 10 13 protones por pulso.
En 1967, el presupuesto del programa de actualización general se estimó en 69,5 millones de francos suizos (precios de 1968). Más de la mitad de esta suma se dedicó a la construcción de la PSB, que se inició un año después, en 1968. [4]
1972 - 1974: Primera viga y puesta en marcha
Los primeros haces de protones en el PSB se aceleraron el 1 de mayo de 1972 y la energía nominal de 800 MeV se alcanzó el 26 de mayo. En octubre de 1973, la meta de intensidad intermedia de 5,2 Se alcanzaron 10 12 protones por pulso entregados al PS. En total, se necesitaron alrededor de dos años para lograr la intensidad de diseño de 10 13 protones por pulso.
1973-1978: Actualización a Linac 2
Durante los primeros años de funcionamiento, quedó claro que el acelerador lineal Linac 1 , la principal fuente de protones del CERN en ese momento, no podía mantenerse al día con los avances técnicos de las otras máquinas dentro del complejo de aceleradores. Por ello, en 1963 se decidió construir un nuevo acelerador lineal, que más tarde se llamaría Linac 2 . Esta nueva máquina proporcionaría protones con la misma energía que antes (50 MeV), pero con corrientes de haz más altas de hasta 150 mA y una duración de pulso más larga de 200 μs. [5] La construcción del Linac 2 comenzó en diciembre de 1973 y se completó en 1978.
Linac 1 siguió funcionando como fuente de iones ligeros hasta 1992.
1988: Actualización a 1 GeV
Después de más de diez años de funcionamiento, el aumento constante de la intensidad del haz también exigió un aumento de la energía de salida de la PSB. Por lo tanto, con solo pequeños ajustes de hardware, el PSB se actualizó a 1 GeV en 1988. [6]
Década de 1980-2003: Aceleración de iones
Desde principios de la década de 1980 hasta 2003, el PSB también se utilizó para acelerar iones ligeros como oxígeno o partículas alfa , que fueron entregados por Linac 1 . Después de que Linac 3 como acelerador lineal de iones dedicado entró en funcionamiento, el PSB también aceleró iones pesados como el plomo y el indio .
A partir de 2006, el anillo de iones de baja energía (LEIR) se hizo cargo de la antigua tarea de PSB de acelerar los iones. [7]
1992: Conexión al experimento ISOLDE
Hasta 1992, la única máquina que utilizaba los protones de salida del PSB era el PS. Esto cambió en 1992, cuando el Separador de masa de isótopos en línea (ISOLDE) se convirtió en el segundo receptor de protones de PSB. [8] Antes, ISOLDE había obtenido protones del Synchro-Cyclotron , pero esta máquina había llegado al final de su vida útil a fines de la década de 1980. Así, en 1989 se decidió conectar ISOLDE a la PSB.
1999: Preparación para el LHC y actualización a 1.4 GeV
Con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el horizonte, era necesaria otra actualización del PSB a 1.4 GeV. Esta actualización implicó ajustes más severos del hardware que la actualización anterior a 1 GeV, porque se habían alcanzado los límites de los parámetros de diseño de PSB. En 2000, se completó la actualización.
2010 - 2026: Actualizaciones futuras para el Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad
En 2010, se colocó la piedra angular para otra actualización del LHC: el Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad . [9]
La intensidad de haz requerida mucho más alta hace que sea necesario aumentar la energía de salida del PSB a 2.0 GeV. Esto se implementará a lo largo de los años siguientes mediante el intercambio y actualización de varios equipos clave de la PSB, por ejemplo, la fuente de alimentación principal, el sistema de radiofrecuencia, la línea de transferencia a la PS y el sistema de refrigeración.
Además, se incrementará la energía de entrada de la PSB: Linac 4 , actualmente en servicio, proporcionará una energía de haz de salida de 160 MeV y reemplazará a Linac 2 en 2020. Linac 4 permitirá que la PSB proporcione un haz de mayor calidad para el LHC utilizando aniones de hidrógeno ( iones H - ) en lugar de protones desnudos ( iones H + ). Una lámina de separación en el punto de inyección de PSB eliminará los electrones de los aniones de hidrógeno, creando así protones que se acumulan como haces de haces en los cuatro anillos de PSB. Estos racimos de protones luego se recombinan a la salida de la PSB y se transfieren a lo largo de la cadena de inyectores del CERN.
Configuración y operación
El PSB es parte del complejo de aceleradores del CERN. Cuando se construyó, el campus de Meyrin acababa de ser ampliado y ahora también cubre territorio francés. El centro de los anillos de PSB se encuentra directamente en la frontera entre Francia y Suiza. Debido a las diferentes regulaciones de los países con respecto a los edificios en la frontera, se decidió construir la construcción principal de la PSB bajo tierra. La única infraestructura visible de PSB se encuentra en el lado suizo. El PSB consta de cuatro anillos apilados verticalmente con un radio de 25 metros. Cada anillo está seccionado en 16 períodos con dos imanes dipolo por período y una estructura de enfoque triplete compuesta por tres imanes cuadrupolos (enfoque, desenfoque, enfoque). [10] Cada estructura de imán consta de cuatro imanes individuales para los cuatro anillos apilados uno encima del otro, compartiendo un yugo.
Dado que el PSB consta de cuatro anillos en contraste con solo una línea de luz en Linac 2 y un anillo en el PS, es necesaria una construcción especial para acoplar los haces de protones hacia adentro y hacia afuera. El haz de protones procedente de Linac 2 se divide verticalmente en cuatro haces diferentes mediante el llamado distribuidor de protones: el haz viaja a través de una serie de imanes pulsados, que desvían sucesivamente partes del haz entrante en diferentes ángulos. Esto da como resultado cuatro haces que llenan los cuatro anillos, así como el borde ascendente y descendente del pulso de protones, que se descargan después del distribuidor de protones. [2]
De manera similar, las cuatro vigas se fusionan nuevamente después de haber sido aceleradas por el PSB. Con una serie de estructuras magnéticas diferentes, los rayos de los cuatro anillos se llevan a un nivel vertical y luego se dirigen hacia el PS.
En 2017, 1,51 10 20 protones fueron acelerados por el PSB. El 61,45% de ellos se entregaron a ISOLDE y el LHC utilizó solo una pequeña fracción del 0,084%. [11]
Resultados y descubrimientos
El único experimento directo alimentado por los protones de PSB es el Separador de masa de isótopos en línea (ISOLDE). Allí, los protones se utilizan para crear diferentes tipos de núcleos radiactivos de baja energía. [12] Con estos, se llevan a cabo una amplia variedad de experimentos que van desde la física nuclear y atómica hasta la física del estado sólido y las ciencias de la vida.
Referencias
- ^ "CERN - División PS - Proyecto LHC-PS" Consultado el 09 de julio de 2018
- ^ a b "Klaus Hanke: Pasado y presente del CERN PS Booster (2013)" Obtenido el 10 de julio de 2018
- ^ "S Gilardoni, D. Mangluki: Cincuenta años del CERN Proton Synchrotron Vol. II (2013)" Obtenido el 10 de julio de 2018
- ^ a b " The Second Stage CMS Improvement Study: 800 MeV Booster Synchrotron (1967)" Obtenido el 10 de julio de 2018
- ^ "E. Boltezer et al: The New CERN 50-MeV LINAC (1979)" Obtenido el 10 de julio de 2018
- ^ "Informe anual del CERN 1988 Vol. II (francés), página 104" Consultado el 11 de julio de 2018
- ^ "Belochitskii et al .: LEIR Commissioning (2006) " Obtenido el 11 de julio de 2018
- ^ "Sitio web de CERN ISOLDE: Historia", obtenido el 10 de julio de 2018
- ^ "C. Carli: Actas del taller de Chamonix 2010 sobre el rendimiento del LHC " Consultado el 10 de julio de 2018
- ^ "Descripción general de la máquina PBS: bosquejo del período 1", obtenido el 10 de julio de 2018
- ^ "Informe anual del CERN 2017, página 23", recuperado el 11 de julio de 2018
- ^ "Sitio web del CERN: Instalación de ISOLDE", obtenido el 10 de julio de 2018
enlaces externos
- PS Booster Machine: diseño y fotografías
- PS Booster en CERN Document Server
- PS Booster en INSPIRE HEP
- Evento oficial del CERN en el 40 aniversario de la PSB