Протонный синхротронный ускоритель ( PSB ) — первый и самый маленький кольцевой протонный ускоритель ( синхротрон ) в цепочке ускорителей в инжекционном комплексе ЦЕРНа , который также поставляет пучки в Большой адронный коллайдер . [1] Он содержит четыре наложенных друг на друга кольца радиусом 25 метров, которые принимают протоны с энергией160 МэВ от линейного ускорителя Linac4 и разогнать их до2,0 ГэВ , готовый к инжекции в протонный синхротрон (ПС). До того, как в 1972 году был построен ПСБ, Linac 1 инжектировал непосредственно в протонный синхротрон, но увеличенная энергия инжекции, обеспечиваемая бустером, позволила инжектировать больше протонов в ПС и получить более высокую светимость в конце цепочки ускорителей.
PSB не только выполняет функцию инжектора протонов для PS, но и поставляет протоны с энергией 1,4 ГэВ в масс-сепаратор изотопов (ISOLDE) — единственную экспериментальную установку, напрямую связанную с PSB.
До того, как PSB начал работать в 1972 году, протоны напрямую доставлялись в протонный синхротрон (PS) линейным ускорителем Linac 1 , снабжавшим PS протонами с энергией 50 МэВ, которые затем ускорялись PS до 25 ГэВ при интенсивности пучка приблизительно 10 12 протонов на импульс. [2] Однако с развитием новых экспериментов (в основном на ISR с пересекающимися накопительными кольцами ) требуемые интенсивности пучка порядка 10 13 протонов на импульс превысили возможности этой установки. Поэтому обсуждались различные подходы к увеличению энергии пучка еще до того, как протоны попадут в PS.
Были высказаны различные предложения относительно этого нового инжектора PS, например, еще один линейный ускоритель или пять пересекающихся синхротронных колец, вдохновленных формой олимпийских колец . [3] В конечном итоге было решено остановиться на установке из четырех вертикально расположенных синхротронных колец с радиусом 25 метров, что было предложено в 1964 году. [4] Благодаря этой специальной конструкции стало возможным достичь желаемых интенсивностей более 1013 протонов за импульс.
В 1967 году бюджет общей программы обновления оценивался в 69,5 млн швейцарских франков (цены 1968 года). Более половины этой суммы было выделено на строительство PSB, которое началось годом позже, в 1968 году. [4]
Первые протонные пучки в PSB были ускорены 1 мая 1972 года, а номинальная энергия 800 МэВ была достигнута 26 мая. В октябре 1973 года была достигнута промежуточная цель интенсивности 5,2 · 1012 протонов за импульс, доставленный в PS. В общей сложности потребовалось около двух лет, чтобы достичь проектной интенсивности 1013 протонов за импульс.
В первые годы работы стало ясно, что линейный ускоритель Linac 1 , основной источник протонов ЦЕРНа в то время, не в состоянии идти в ногу с техническим прогрессом других машин в ускорительном комплексе. Поэтому в 1963 году было решено построить новый линейный ускоритель, который позже был назван Linac 2. Эта новая машина должна была обеспечивать протоны с той же энергией, что и прежде (50 МэВ), но с более высокими токами пучка до 150 мА и большей длительностью импульса 200 мкс. [5] Строительство Linac 2 началось в декабре 1973 года и было завершено в 1978 году.
Линак-1 продолжал работать как источник легких ионов вплоть до 1992 года.
После более чем десяти лет эксплуатации постоянное увеличение интенсивности пучка также потребовало увеличения выходной энергии PSB. Поэтому, с небольшими аппаратными корректировками, PSB был модернизирован до 1 ГэВ в 1988 году. [6]
С начала 1980-х годов и до 2003 года PSB также использовался для ускорения легких ионов, таких как кислород или альфа-частицы , которые доставлялись Linac 1. После того, как Linac 3 вступил в строй как специализированный линейный ускоритель ионов, PSB также ускорял тяжелые ионы, такие как свинец и индий .
С 2006 года Низкоэнергетическое ионное кольцо (LEIR) взяло на себя прежнюю задачу PSB по ускорению ионов. [7]
До 1992 года единственной машиной, которая использовала выходные протоны из PSB, была PS. Это изменилось в 1992 году, когда On-Line Isotope Mass Separator (ISOLDE) стал вторым получателем протонов PSB. [8] До этого ISOLDE получал протоны из синхроциклотрона , но эта машина достигла конца своего срока службы к концу 1980-х годов. Таким образом, в 1989 году было решено подключить ISOLDE к PSB.
С приближением Большого адронного коллайдера (БАК) потребовалась еще одна модернизация PSB до 1,4 ГэВ. Эта модернизация подразумевала более серьезные корректировки оборудования, чем предыдущая модернизация до 1 ГэВ, поскольку были достигнуты пределы проектных параметров PSB. В 2000 году модернизация была завершена.
В 2010 году был заложен краеугольный камень для еще одной модернизации LHC: Большого адронного коллайдера высокой светимости . [9]
Значительно более высокая требуемая интенсивность пучка потребовала увеличения выходной энергии PSB до 2,0 ГэВ. Это было реализовано во время Long Shutdown 2 (2019–2020) путем замены и обновления различного ключевого оборудования PSB, например, основного источника питания, радиочастотной системы, линии передачи к PS и системы охлаждения.
Кроме того, входная энергия PSB была увеличена: Linac4 обеспечивает выходную энергию пучка 160 МэВ, заменяя Linac2 . Linac4 позволяет PSB обеспечивать более качественный пучок для LHC, используя анионы водорода (ионы H− ) , а не голые протоны (ионы H + ). Обдирочная фольга в точке инжекции PSB будет обдирать электроны с анионов водорода, тем самым создавая протоны, которые накапливаются в виде пучков пучка в четырех кольцах PSB. Затем эти протонные пучки рекомбинируют на выходе PSB и далее передаются по цепочке инжекторов CERN.
PSB является частью ускорительного комплекса ЦЕРНа. К моменту его строительства кампус Мейрен был только что расширен, теперь охватывая также территорию Франции. Центр колец PSB находится прямо на границе между Францией и Швейцарией. Из-за различий в правилах стран относительно зданий на границе было решено построить основную конструкцию PSB под землей. Единственная видимая инфраструктура PSB расположена на швейцарской стороне. PSB состоит из четырех вертикально сложенных колец с радиусом 25 метров. Каждое кольцо разделено на 16 периодов с двумя дипольными магнитами на период и триплетной фокусирующей структурой, состоящей из трех квадрупольных магнитов (фокусирующих, дефокусирующих, фокусирующих). [10] Каждая магнитная структура состоит из четырех одиночных магнитов для четырех колец, сложенных друг на друга, с общим ярмом.
Поскольку PSB состоит из четырех колец в отличие от только одного пучкового канала в Linac 2 и одного кольца в PS, необходима специальная конструкция для соединения протонных пучков в и из. Протонный пучок, поступающий из Linac 2, разделяется вертикально на четыре различных пучка так называемым распределителем протонов: пучок проходит через ряд импульсных магнитов, которые последовательно отклоняют части входящего пучка на разные углы. Это приводит к заполнению четырех колец четырьмя пучками, а также к восходящему и нисходящему фронту протонного импульса, которые сбрасываются после распределителя протонов. [2]
Аналогично, четыре бимлета снова объединяются после того, как они были ускорены PSB. С помощью серии различных магнитных структур лучи из четырех колец выводятся на один вертикальный уровень и затем направляются к PS.
В 2017 году1,51 × 1020 протонов были ускорены PSB. 61,45% из них были доставлены в ISOLDE, и только небольшая часть в 0,084% была использована LHC. [ 11]
Единственный прямой эксперимент, который питается протонами PSB, — это масс-сепаратор изотопов On-Line (ISOLDE). Там протоны используются для создания различных типов низкоэнергетических радиоактивных ядер. [12] С их помощью проводится широкий спектр экспериментов, начиная от ядерной и атомной физики до физики твердого тела и наук о жизни. В 2010 году в рамках ISOLDE был инициирован объект MEDICIS , который использует оставшиеся протоны от мишеней ISOLDE для производства радиоизотопов, пригодных для медицинских целей. [13]
