Protonen-Synchrotron-Booster - Proton Synchrotron Booster
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| Liste der aktuellen Teilchen- und Nuklearanlagen am CERN | |
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| LHC | Beschleunigt negative Wasserstoffionen |
| LEIR | kollidiert mit Protonen oder schweren Ionen |
| SPS | Beschleunigt Ionen |
| PSB | Beschleunigt Protonen oder Ionen |
| PS | Beschleunigt Protonen oder Ionen |
| Linac | Beschleunigt Protonen oder Ionen |
| Linac-2 | Injiziert Protonen in PS |
| Linac-3 | Injiziert Protonen in PS |
| Linac4 | Beschleunigt Ionen |
| ANZEIGE | Verlangsamt Antiprotonen |
| ELENA | Verlangsamt Antiprotonen |
| ISOLDE | Erzeugt radioaktive Ionenstrahlen |
Das Proton Synchrotron Booster ( PSB ) ist der erste und kleinste Kreisprotonenbeschleunigers (ein Synchrotron ) in der Beschleunigerkette am CERN Injektionsanlage, die auch zum Strahlen liefert Large Hadronen - Speicherring . Es enthält vier übereinanderliegende Ringe mit einem Radius von 25 Metern, die Protonen mit einer Energie von . aufnehmen50 MeV vom Linearbeschleuniger Linac 2 und beschleunigen sie auf bis zu1,4 GeV , bereit zur Injektion in das Protonen-Synchrotron (PS). Bevor der PSB 1972 gebaut wurde, injizierte Linac 1 direkt in das Protonen-Synchrotron, aber die vom Booster bereitgestellte erhöhte Injektionsenergie ermöglichte die Injektion von mehr Protonen in das PS und eine höhere Leuchtkraft am Ende der Beschleunigerkette.
Historischer Hintergrund
1964 - 1968: Planung und Baubeginn
Bevor die PSB 1972 ihren Betrieb aufnahm, wurden die Protonen vom Linearbeschleuniger Linac 1 direkt an das Protonen-Synchrotron (PS) geliefert und versorgten die PS mit Protonen von 50 MeV, die dann von der PS auf 25 GeV bei Strahlintensitäten von . beschleunigt wurden ca. 10 12 Protonen pro Puls. Mit der Entwicklung neuer Experimente (hauptsächlich am Intersecting Storage Rings ISR) überstiegen jedoch die geforderten Strahlintensitäten in der Größenordnung von 10 13 Protonen pro Puls die Möglichkeiten dieses Aufbaus. Daher wurden verschiedene Ansätze diskutiert, die Strahlenergie bereits vor dem Eintritt der Protonen in die PS zu erhöhen.
Für diesen neuen PS-Injektor wurden verschiedene Vorschläge gemacht, zum Beispiel ein weiterer Linearbeschleuniger oder fünf sich kreuzende Synchrotronringe, inspiriert von der Form der olympischen Ringe . Schließlich wurde beschlossen , für eine Einrichtung von vier vertikal gestapelt gehen Synchrotronringen mit einem Radius von 25 Metern, die im Jahr 1964 Mit diesem speziellen Design vorgeschlagen wurden, wäre es möglich, die angestrebten Intensitäten von mehr als 10 zu erreichen 13 Protonen pro Impuls.
1967 wurde das Budget des gesamten Aktualisierungsprogramms auf 69,5 Mio. CHF (Preise von 1968) geschätzt. Mehr als die Hälfte dieser Summe wurde für den Bau des PSB aufgewendet, mit dem ein Jahr später, 1968, begonnen wurde.
1972 - 1974: Erster Balken und Inbetriebnahme
Die ersten Protonenstrahlen im PSB wurden am 1. Mai 1972 beschleunigt und am 26. Mai die Nennenergie von 800 MeV erreicht. Im Oktober 1973 wurde das mittlere Intensitätsziel von 5,2 10 12 Protonen pro an das PS abgegebenem Puls erreicht. Insgesamt dauerte es rund zwei Jahre, um die Designintensität von 10 13 Protonen pro Puls zu erreichen.
1973 - 1978: Update auf Linac 2
In den ersten Betriebsjahren stellte sich heraus, dass der Linearbeschleuniger Linac 1 , damals die primäre Protonenquelle des CERN, nicht mit den technischen Fortschritten der anderen Maschinen innerhalb des Beschleunigerkomplexes mithalten konnte. Daher wurde 1963 beschlossen, einen neuen Linearbeschleuniger zu bauen, der später als Linac 2 bezeichnet werden sollte . Diese neue Maschine würde Protonen mit der gleichen Energie wie bisher (50 MeV) liefern, jedoch mit höheren Strahlströmen von bis zu 150 mA und einer längeren Pulsdauer von 200 μs. Der Bau von Linac 2 begann im Dezember 1973 und wurde 1978 abgeschlossen.
Linac 1 diente bis 1992 als Quelle für leichte Ionen.
1988: Upgrade auf 1 GeV
Nach mehr als zehn Jahren Betrieb erforderte die stetige Erhöhung der Strahlintensität auch eine Erhöhung der Ausgangsenergie des PSB. Daher wurde der PSB mit nur geringfügigen Hardwareanpassungen 1988 auf 1 GeV aufgerüstet.
1980er - 2003: Beschleunigende Ionen
Von Anfang der 1980er Jahre bis 2003 wurde der PSB auch verwendet, um leichte Ionen wie Sauerstoff oder Alpha-Teilchen zu beschleunigen , die von Linac 1 geliefert wurden . Nachdem Linac 3 als dedizierter Ionen-Linearbeschleuniger in Betrieb genommen wurde, wurden auch schwere Ionen wie Blei und Indium vom PSB beschleunigt.
Ab 2006 übernahm der Low Energy Ion Ring (LEIR) die bisherige Aufgabe der PSB, Ionen zu beschleunigen.
1992: Anschluss an ISOLDE-Experiment
Bis 1992 war die PS die einzige Maschine, die die Ausgangsprotonen des PSB nutzte. Dies änderte sich 1992, als der On-Line Isotope Mass Separator (ISOLDE) der zweite Empfänger von PSB-Protonen wurde. ISOLDE hatte zuvor Protonen aus dem Synchro-Cyclotron gewonnen , aber diese Maschine hatte Ende der 1980er Jahre das Ende ihrer Lebensdauer erreicht. So wurde 1989 beschlossen, ISOLDE an das PSB anzuschließen.
1999: Vorbereitung für den LHC und Upgrade auf 1,4 GeV
Mit dem Large Hadron Collider (LHC) am Horizont war eine weitere Aufrüstung des PSB auf 1,4 GeV notwendig. Dieses Upgrade implizierte stärkere Anpassungen der Hardware als das vorherige Upgrade auf 1 GeV, da die Grenzen der Designparameter von PSB erreicht waren. Im Jahr 2000 wurde die Aufrüstung abgeschlossen.
2010 - 2026: Zukünftige Upgrades für den High Luminosity Large Hadron Collider
2010 wurde der Grundstein für ein weiteres Upgrade des LHC gelegt: der High Luminosity Large Hadron Collider .
Die viel höhere erforderliche Strahlintensität macht es erforderlich, die Ausgangsenergie des PSB auf 2,0 GeV zu erhöhen. Dies wird in den Folgejahren durch den Austausch und die Aktualisierung verschiedener Schlüsselgeräte des PSB, beispielsweise der Hauptstromversorgung, des Hochfrequenzsystems, der Transferleitung zum PS und des Kühlsystems, umgesetzt.
Darüber hinaus wird die Eingangsenergie des PSB erhöht: Linac 4 , der derzeit in Betrieb genommen wird, wird eine Ausgangsstrahlenergie von 160 MeV bereitstellen und Linac 2 bis 2020 ersetzen . Linac 4 wird es dem PSB ermöglichen, einen qualitativ hochwertigeren Strahl für den LHC unter Verwendung von Wasserstoff Anionen (H - Ionen) als nackte Protonen (H + -Ionen). Eine Abziehfolie am PSB-Injektionspunkt wird die Elektronen von den Wasserstoffanionen abstreifen und so Protonen erzeugen, die sich als Strahlbündel in den vier PSB-Ringen ansammeln. Diese Protonenpakete werden dann am Ausgang des PSB rekombiniert und weiter entlang der CERN-Injektorkette transportiert.
Einrichtung und Bedienung
Das PSB ist Teil des Beschleunigerkomplexes des CERN. Zum Zeitpunkt der Errichtung war der Meyrin- Campus gerade vergrößert worden und umfasste nun auch französisches Territorium. Das Zentrum der PSB-Ringe liegt direkt an der Grenze zwischen Frankreich und der Schweiz. Aufgrund der unterschiedlichen Vorschriften der Länder bezüglich Bebauung an der Grenze wurde beschlossen, das Hauptgebäude der PSB unterirdisch zu bauen. Die einzige sichtbare PSB-Infrastruktur befindet sich auf der Schweizer Seite. Der PSB besteht aus vier vertikal gestapelten Ringen mit einem Radius von 25 Metern. Jeder Ring ist in 16 Perioden mit zwei Dipolmagneten pro Periode und einer Triplet-Fokussierungsstruktur aus drei Quadrupolmagneten (Fokussierung, Defokussierung, Fokussierung) unterteilt. Jede Magnetstruktur besteht aus vier übereinander gestapelten Einzelmagneten für die vier Ringe, die sich ein Joch teilen.
Da der PSB aus vier Ringen besteht, im Gegensatz zu nur einer Beamline in Linac 2 und einem Ring in der PS, ist eine spezielle Konstruktion erforderlich, um die Protonenstrahlen ein- und auszukoppeln. Der von Linac 2 kommende Protonenstrahl wird durch den sogenannten Protonenverteiler vertikal in vier verschiedene Strahlen aufgespalten: Der Strahl durchläuft eine Reihe von gepulsten Magneten, die nacheinander Teile des einfallenden Strahls in verschiedene Winkel ablenken. Dies führt dazu, dass vier Beamlets die vier Ringe füllen, sowie die steigende und fallende Flanke des Protonenpulses, die nach dem Protonenverteiler abgeladen werden.
Ebenso werden die vier Beamlets wieder zusammengeführt, nachdem sie vom PSB beschleunigt wurden. Mit einer Reihe unterschiedlicher magnetischer Strukturen werden die Strahlen der vier Ringe auf eine vertikale Ebene gebracht und dann auf die PS gerichtet.
Im Jahr 2017 wurden 1,51 10 20 Protonen vom PSB beschleunigt. 61,45% davon wurden an ISOLDE geliefert und nur ein kleiner Teil von 0,084% wurde vom LHC verwendet.
Ergebnisse und Entdeckungen
Das einzige direkte Experiment, das von PSB-Protonen gespeist wird, ist der On-Line Isotope Mass Separator (ISOLDE). Dort werden die Protonen verwendet, um verschiedene Arten von niederenergetischen radioaktiven Kernen zu erzeugen. Mit ihnen werden verschiedenste Experimente von der Kern- und Atomphysik über die Festkörperphysik bis hin zu den Lebenswissenschaften durchgeführt.