Impulsor del Sincrotrón de Protones

Archiu:CERN accelerator complex (cropped 2).jpeg

Conjunt d'acceleradors, impulsors i punts de colisió de el LHC, a on és possible ubicar el lloc concret dins de el LHC de l'Impulsor del Sincrotrón de Protones (PSB), que en el diagrama apareix en el nom Booster

El Impulsor del Sincrotón de Protones (PSB) és el primer i el més chicotet dels acceleradors circulares de protonés (un sincrotrón) dins del conjunt d'acceleradors del gran complex d'injecció del CERN, que proporciona fas de protones al Gran Colisionador de Hadrones. Conté quatre anells superposts en un radi de 25 metros cada u que reben protones en una energia de 50 MeV del accelerador llineal Linac4 para, posteriorment, impulsar-los fins a 1,4 GeV, llests per a ser injectats en el Sincrotón de Protones (PS). Ans que es construïra el PSB en 1972, el fes de protones del Linac1 s'injectava directament en el sincrotrón de protones (PS), pero l'aument de l'energia d'injecció proporcionada pel reforç que implementa l'Impulsor de Protones permet injectar més cantitat en el PS i oferir una major lluminositat al final de la cadena de l'accelerador.

Antecedents històrics

1964-1968: Planificació i començ de la construcció

Archiu:Artist's impression of the Proton Synchrotron Booster.png

Impressió artística de l'Impulsor del Sincrotrón de Protones

Ans que el PSB entrara en funcionament en 1972, l'accelerador llineal Linac1 entregava els protones directament al Sincrotrón de Protones (PS), proporcionant a el PS protones a energies de 50 megaelectonvoltios, que després eren accelerats per el PS fins a 25 gigaelectronvoltios a intensitat de fes d'aproximadament de 10¹² protones per pols. No obstant, en el desenroll de nous experiments (principalment en el ISR dels anells d'almagasenament que es creuen), les intensitat requerides dels fas de l'orde de 10¹³ protones per pols varen excedir la capacitat inicial d'esta configuració. Per lo tant, es varen discutir diferents enfocaments sobre cóm aumentar l'energia dels fas ans que els protones entraren en el PS de el LHC.

Es varen fer diferents sugerències per a este nou injector de el PS, com, per eixemple, un atre accelerador llineal o cinc anells de sincrotrón que es creuarien inspirats en la forma dels anells olímpics. Finalment, es va decidir optar per una configuració de quatre anells de sincrotrón apilats verticalment un sobre un atre en un radi de 25 metros cada u, que es va propondre en 1964. En este disseny especial, seria possible alcançar les intensitat requerides d'una cantitat de més de 10¹³ protones per pols.

En 1967, el presupost del programa d'actualisació general per a poder montar l'Impulsor del Sincrotrón de Protones es va estimar en 69,5 millons de francs suïssos (preus de 1968). Més de la mitat d'esta suma es va dedicar directament a la construcció de l'Impulsor del Sincrotón de Protones, que va començar un any despuix, en 1968.

1972–1974: Primera estructura i posada en marcha

Archiu:Injection and transfer lines of the Proton Synchrotron Booster.jpg

Llínees d'injecció i de transferència de l'Impulsor del Sincrotrón de Protones

Els primers fas de protones en el PSB es varen accelerar l'1 de maig de 1972 i l'energia nominal de 800 MeV es va alcançar el 26 de maig. En octubre de 1973, es va conseguir alcançar la meta d'una intensitat intermija de 5,2 x 10¹² protones per fes entregats a el PS. En total, es va tardar al voltant de dos anys en conseguir l'intensitat requerida del disseny originalment planejat de 10¹³ protones per pols.

1973–1978: Actualisació a Linac2

Durant els primers anys de funcionament, va quedar clar que l'accelerador llineal Linac1, la principal font de protones de el CERN en eixe moment, no podia seguir el ritme dels alvanços tècnics de les noves màquines dins del complex de l'accelerador. Per això, en 1963 es va decidir construir un nou accelerador llineal, que més vesprada es cridaria Linac2. Esta nova màquina proporcionaria protones en la mateixa energia que abans (50 MeV), pero en corrents de fas més altes de fins a 150 mAh i una duració de pols més llarga de 200 μs. La construcció de Linac2 va començar en decembre de 1973 i es va completar en 1978.

Mentres, l'accelerador Linac1 va seguir funcionant com a font de ions fins a 1992.

1988: Actualisació a 1 GeV

Despuix de més de dèu anys de funcionament, l'aument constant de l'intensitat del fes va exigir també un aument de l'energia d'eixida de el PSB. Per lo tant, en sol menuts ajusts d'hardware, el PSB es va actualisar a 1 GeV en 1988.

Década de 1980 a 2003: acceleració de ions

Des de principis de la década de 1980 fins a 2003, l'Impulsor del Sincrotrón de Protones també es va usar per a accelerar ions llaugers com l'oxigen o partícules alfa, que varen ser entregats per Linac1. En acabant de que Linac3 com un accelerador llineal principal de ions va entrar en funcionament, el PSB també va accelerar ions pesats com el plom i l'indi, un metal poc abundant a mig camí entre l'alumini i el zinc.

A partir de 2006, l'anell de ions de baixa energia (LEIR) es va fer càrrec de l'antiga tasca de el PSB d'accelerar ions.

1992: Conexió a l'experiment ISOLDE

Fins a 1992, l'única màquina que utilisava els protones d'eixida de l'Impulsor del Sincrotrón de Protones era el PS. Açò va canviar en 1992, quan el Separador de masses d'isòtops en llínea (ISOLDE) es va convertir en el segon receptor de protones de PSB. Abans, ISOLDE havia obtingut protones del Sincrociclotrón, pero esta màquina havia aplegat al final de la seua vida útil a fins de la década de 1980. Aixina, en 1989 es va decidir conectar ISOLDE a el PSB.

1999: Preparació per al seu funcionament en el LHC i actualisació a 1,4 GeV

En el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en l'horisó, era necessària una atra actualisació de el PSB a 1,4 GeV. Este nou propòsit va implicar ajusts més precisos de l'hardware que l'actualisació anterior a 1 GeV, perque s'havien alcançat els llímits dels paràmetros del disseny original de PSB. En 2000, es va completar l'actualisació final.

2010–2026: Futures actualisacions per al Gran Colisionador de Hadrones d'Alta Lluminositat

Archiu:The Proton Synchrotron Booster in its tunnel.jpg

Impulsor del Sincrotrón de Protones en el seu túnel subterràneu

En 2010, es va colocar la pedra angular per a una atra actualisació de el LHC: el Gran Colisionador de Hadrones d'Alta Lluminositat.

L'intensitat del fes requerit per a esta nova tasca molt major, fa necessari aumentar l'energia d'eixida de el PSB fins a 2,0 GeV. Açò s'implementarà a lo llarc dels pròxims anys per mig de l'intercanvi i l'actualisació de varis equips claus de el PSB, per eixemple, la font d'alimentació principal, el sistema d'radiofrecuencia, la llínea de transferència de el PSB a el PS i el sistema de refrigeració.

Ademés, s'ha aumentat l'energia d'entrada de el PSB: l'accelerador Linac4 proporciona una energia de fes d'eixida de 160 MeV, en substitució de Linac2. Linac4 permet que el PSB proporcione un fes de major calitat per a el LHC per mig de l'us d'aniones d'hidrogen (ions H ⁻) en lloc de protones aïllats (ions H⁺). Una làmina de separació en el punt d'injecció de PSB elimina els electrons dels aniones d'hidrogen, creant aixina protones aïllats que s'acumulen com a arracades de fas en els quatre anells de el PSB. Estos grups de protones després es recombinan a l'eixida de el PSB i després es transferixen al complex de la cadena d'injectors de el LHC de el CERN.

Configuració i operació

Archiu:CERN accelerator complex (cropped 2).jpeg

La superfície sobre l'Impulsor en el CERN. L'accelerador en forma d'anell és visible com un edifici circular que s'eleva des del sol.

El PSB és part del complex d'acceleradors de el CERN. Quan es va construir, el campus de Meyrin en Suïssa s'acabava d'ampliar i ara també cobrix en part territori francés. El centre dels anells de el PSB es troba directament en la frontera entre França i Suïssa. Per les diferents regulacions dels països sobre els edificis en la frontera, es va decidir edificar la construcció principal de el PSB baix terra. L'única infraestructura de el PSB visible es troba en el costat suís. El PSB consta de quatre anells apilats verticalment en un radi de 25 metros. Cada anell està dividit en 16 seccions en dos imans dipolares per secció i una estructura d'enfocament triple composta per tres imans cuadripolares més precisos (en enfocament, desenfoque i enfocament). Cada estructura de cada iman consta de quatre imans individuals per als quatre anells apilats un damunt de l'atre, compartint un anell o jou comú.

Ya que el PSB consta de quatre anells, en contrast en una sola llínea de fes en l'accelerador Linac2 i també un únic anell en el PS, es necessita una construcció especial per a acoplar i sumar els fas de protones cap a dins i cap a fòra. El fes de protones procedent del Linac2 es dividix verticalment en quatre fas diferents per mig del cridat distribuïdor de protones: el fes viaja a través d'una série d'imans pulsats, que desvien successivament parts del pols entrante de protones en diferents ànguls. Açò dona com a resultat quatre fas que omplin els quatre anells, aixina com la vora ascendent i descendent del pols, que es descarreguen despuix del distribuïdor de protones.

De manera similar, els quatre fas es fusionen novament en acabant de que l'Impulsor del Sincrotrón de Protones els haja accelerat. En una série de diferents estructures magnètiques, els fas dels quatre anells es duen a un nivell vertical, es junten tots i després, ya recombinados, són dirigits cap a el PS.

En 2017, el PSB va accelerar 1,51 x 10²⁰ protones. El 61,45% d'ells varen ser entregats a ISOLDE i només una chicoteta fracció del 0,084% va ser utilisada per el LHC.