프로톤 싱크로트론

Proton Synchrotron
이 기사는 CERN의 입자 가속기에 관한 것이다. 양성자 싱크로트론에 대한 내용은 싱크로트론을 참조하십시오.
CERN 복합체
CERN accelerator complex (cropped 2).jpeg
현재 입자 및 핵 시설
LHC양성자 및 중이온 가속
리르가속 이온
SPS양성자와 이온 가속
PSB양성자 가속
PS양성자 또는 이온 가속
리낙 3LEIR에 중이온 주입
리낙4가속 이온
AD안티프로톤을 감속
엘레나안티프로톤을 감속
이졸데방사성 이온 빔 생성

프로토온 싱크로트론(PS, 때로는 CPS라고도[1] 함)은 CERN의 입자 가속기이다. CERN의 최초의 싱크로트론으로서 1959년에 가동을 시작했다. 짧은 기간 동안 PS는 세계에서 가장 높은 에너지 입자 가속기였다. 이후 교차저장고리(ISR)와 슈퍼프로톤 싱크로트론(SPS)의 프리 액셀러레이터 역할을 해 왔으며, 현재는 대형 하드론 충돌기(LHC) 가속기 단지에 속해 있다. PS는 양성자 외에도 알파 입자, 산소와 황핵, 전자, 양전자, 항정신병자 등을 가속시켰다.[2]

오늘날 PS는 CERN의 액셀러레이터 콤플렉스의 일부분이다. 그것은 CERN의 다른 많은 실험 시설뿐만 아니라 LHC 양성자를 가속화한다. 음의 수소 이온원을 이용하여 이온은 먼저 선형가속기 Linac 4에서 160 MeV의 에너지로 가속된다. 그런 다음 수소 이온은 두 전자를 모두 벗겨내고, 양성자를 2 GeV로 가속시키는 프로톤 싱크로트론 부스터(PSB)에 주입한 1개의 양성자를 포함하는 핵만 남게 되며, 그 다음으로는 PS가 빔을 25 GeV로 밀어낸다.[3] 그리고 나서 양자는 슈퍼 프로톤 싱크로트론으로 보내지고, 그들이 LHC에 주입되기 전에 450 GeV로 가속된다. PS는 또한 LHC에서의 충돌을 위해 72 MeV의 에너지로 LEIR(Low Energy Ion Ring)에서 중이온을 가속한다.

배경

싱크로트론(Proton Synchrotron에서와 같이)은 사이클로트론에서 내려오는 순환 입자 가속기의 일종으로 가속 입자 빔이 고정된 경로를 따라 이동한다. 입자 빔을 그것의 고정된 경로로 구부리는 자기장은 시간이 지날수록 증가하며, 입자의 증가하는 에너지와 동기화된다. 입자들이 고정된 원형 경로를 돌 때 그들은 평형 궤도를 돌게 되는데, 이것은 베타트론 진동이라고 불리는 현상이다.

기존의 싱크로트론에서 순환 입자의 초점은 약한 초점을 통해 달성된다. 즉, 고정 반지름을 중심으로 입자를 유도하는 자기장이 반지름과 함께 약간 감소하여 위치가 약간 다른 입자의 궤도가 서로 근사하게 된다. 이런 식으로 집중하는 양은 그리 크지 않고, 결과적으로 베타트론 진동 진폭은 크다. 초점을 잘 맞추지 못하면 큰 진공실이 필요하며, 결과적으로 큰 자석이 필요하다. 전통적인 싱크로트론 비용의 대부분은 자석이다. PS는 CERN에서 교배율 원리를 사용한 최초의 가속기로서, 강한 초점이라고도 불리는데, 4극 자석은 가속기 둘레를 중심으로 수평과 수직으로 여러 번 번갈아 초점하는 데 사용된다. 이론상 입자의 초점은 원하는 만큼 강해지고, 베타트론 진동의 진폭은 원하는 만큼 작아진다. 최종 결과는 자석의 비용을 줄일 수 있다는 것이다.

운영이력

예비 연구

1950년대 초에 유럽의 입자물리학 연구소에 대한 계획이 구체화되기 시작했을 때, 두 개의 다른 가속기 프로젝트가 나타났다. 한 기계는 표준형식으로 제작이 쉽고 비교적 빠르고 저렴하게 제작할 수 있도록 설계되었다: 600 MeV의 질량 중심 에너지에서 충돌을 달성하는 싱크로사이클로트론이다. 두 번째 장치는 훨씬 더 야심찬 사업이었다: 현존하는 그 어떤 것보다도 큰 가속기, 양자를 10 GeV – PS의 에너지까지 가속시킬 수 있는 싱크로트론.

1952년 5월까지 Odd Dahl을 책임지고 디자인 그룹을 설립했다.[4] 그 그룹의 다른 멤버들 중에는 롤프 위더외, 프랭크 케네스 고워드, 존 아담스가 포함되어 있었다. 미국 브룩헤이븐 국립 연구소에 있는 코스모트론을 방문한 후, 이 단체는 값싸고 높은 에너지 기계를 만드는 새로운 아이디어를 알게 되었다: 교대형 집중력. 그 아이디어는 매우 매력적이어서 10 GeV 싱크로트론에 대한 연구가 중단되었고, 새로운 아이디어를 구현하는 기계에 대한 연구가 시작되었다.[5] 이 원리를 사용하면 약한 포커스를 사용하여 10 GeV 가속기와 동일한 비용으로 30 GeV 가속기를 만들 수 있다.[5] 단, 초점이 강할수록 자석의 정렬 정밀도가 높아진다. 이는 액셀러레이터 건설에 심각한 문제가 있음을 입증했다.

건설 기간의 두 번째 문제는 "전환 에너지"라고 불리는 에너지에서의 기계들의 행동이었다. 이 시점에서 입자 속도의 상대적 증가는 더 큰 것에서 더 작은 것으로 변화하여 베타트론 진동의 진폭이 0으로 가고 빔의 안정성이 상실된다. 이것은 점프, 즉 가속도의 갑작스런 변화에 의해 해결되었는데, 그 결과 펄스 4배는 양자를 훨씬 더 빠르게 전환 에너지 레벨을 통과하게 했다.

PS는 1953년 10월, 반경 72m의 25 GeV 에너지의 싱크로트론과 1억 2천만 스위스 프랑의 예산으로 승인되었다.[6] 초점 강도는 12 cm 폭과 8 cm 높이의 진공 챔버를 필요로 하며, 자석은 총 질량이 약 4000 톤이었다. 달은 1954년 10월 이 프로젝트의 책임자로서 사임하고 존 아담스로 교체되었다. 1959년 8월에 PS는 첫 빔을 위한 준비가 되었고 11월 24일에 기계는 24 GeV의 빔 에너지에 도달했다.[4]

1960–1976: ISR에 대한 고정 대상 및 사전 가속기

28 GeV 프로토온 싱크로트론의 항공 시야. 1965년 28 GeV 양성자 싱크로트론의 지하 고리. 왼쪽, 남북 실험장. 오른쪽 상단, 동쪽 홀의 일부. 오른쪽 아래, 주 발전기실과 냉각 콘덴서.

1965년 말까지 PS는 거미줄의 빔 선들의 중심이었습니다. 내부 표적이 중성미자 실험과 뮤온 저장고리를 제공하는 5개의 2차 빔을 생산하는 사우스홀(메이린 사이트), 내부 표적이 2개의 버블 챔버(80cm 수소 새클레이, 중액 CERN)를 먹인 노스홀(메이린 사이트), 196년에 이스트홀(메이린 사이트)을 이용할 수 있게 되자 양성자를 공급했다.3, PS의 양자는 내부 표적에 부딪혀 CERN 2m 버블 챔버에 정전기 분리기로 필터링된 2차 빔과 추가 실험을 했다.[7]

교차 저장 링(ISR)의 건설과 함께 1965년에 PS의 개선 프로그램이 결정되어 가가멜과 빅 유럽 버블 챔버 실험의 공간도 마련되었다. PS의 주입 에너지는 1972년에 작동하게 된 800 MeV 4 링 부스터 - 프로톤 싱크로트론 부스터 (PSB)를 건설함으로써 상승되었다.[7]

1976-1991: SPS/SppS 및 REAR에 대한 사전 가속기

1976년 슈퍼 프로토온 싱크로트론(SPS)은 PS의 새로운 클라이언트가 되었다. When SPS started to operate as a proton–antiproton collider — the SppS — the PS had the double task of producing an intense 26 GeV/c proton beam for generating antiprotons at 3.5 GeV/c to be stored in the Antiproton Accumulator (AA), and then accelerating the antiprotons to 26 GeV/c for transfer to the SPS.

현재 PSB에 사용되고 있는 선형 가속기는 1978년 리낙 2에 의해 교체되어 강도가 더욱 높아졌다.[7] 이 기간 동안 광이온의 가속도가 현장에 들어왔다. 리낙 2로 대체된 리낙 1은 PS에서 가속된 중수체를 가속할 수 있는 장비를 갖추고 ISR로 옮겨져 양성자 또는 중수자와 충돌했다.

1982년 항정신병동기의 감속과 저장을 위한 저에너지 항정신병동 링(LEAR)이 가동되자 PS는 항정신병동감속기의 새로운 역할을 재개했다. 그것은 AA에서 180 MeV까지 항트로톤을 감속하여 REAR에 주입했다. 이 기간 동안 PS 콤플렉스는 진정으로 "대동성 입자 공장"[7]이라는 별명을 얻었다. 1996년까지 PS는 정기적으로 SPS 고정 표적 실험을 위해 이온을 가속하고, 동부 홀 또는 AA의 대척탄 생산을 위한 양성자, REAR를 위한 양성자를 감속하며, 나중에 LEP(Large Electron-Positron Collider)를 위한 전자와 양전자를 가속할 것이다.

1991-2001: 사전 가속기와 LEP 연결

PS는 오랜 작동 동안 양성자 밀도를 여러 번 증가시켰다.

LEP에 렙톤을 제공하기 위해서는 PS 콤플렉스에 LIL-V 전자 선형가속기, LIL-W 전자 및 양전자 선형가속기, EPA(Electron-Positron Acumulator) 저장 링 등 3개의 기계가 더 추가되어야 했다. PS를 25 GeV 양성자 싱크로트론에서 3.5 GeV 렙톤 싱크로트론으로 수정하려면 소량의 추가 하드웨어를 추가해야 했다.

이 기간 중 무거운 이온을 1차 빔으로 SPS North 실험 홀(Prevessin 현장)에 전달해야 하는 수요도 증가했다. 황과 산소 이온 모두 큰 성공을 거두며 가속되었다.

2001–오늘: 사전 가속기 - LHC

LEP 인젝터로 작동이 종료된 후 PS는 LHC 인젝터로 준비하고 새로운 고정 표적 실험을 위해 새로운 작동 기간을 시작했다. 클라우드 실험과 같은 새로운 실험이 동부 지역에서 실행되기 시작했다. PS 단지는 또한 AA 지역이 안티프로톤 감속기와 그것의 실험 구역으로 대체되면서 리모델링되었다.

PSB와 Linac 2의 에너지를 증가시킴으로써 PS는 2000년과 2001년에 기록적인 강도를 달성했다. 2005년 PS 전체가 정지되었다: 방사선 손상이 주 자석의 노화를 야기했다. 당초 수명이 10년 미만인 것으로 추정됐던 자석은 추정치를 4배 이상 초과해 리퍼레이션 프로그램을 거쳤다. 터널을 비우고 자석을 새로 단장하고 기계를 재정비했다. 2008년에 PS는 LHC의 사전 가속기로서 작동하기 시작했다. 동시에 이온 작동이 변경됨: REAR가 저장 링(Low Energy Ion Ring, LEIR)으로 변환되었으며 PSB가 이온 인젝터 역할을 중단함.

시공 및 운영

PS는 온도가 ± 1°로 제어되는 터널 안에 만들어진다. 둘레 628m에는 공칭 길이 4.4m의 자석 단위 100개, 1.6m의 짧은 직선 구간 80개, 3m의 직선 구간 20개가 있으며,[7] 직선 구간 16개에는 가속공, 4중 보정 렌즈 20개, 6중 보정 렌즈 세트와 8중 렌즈 20개가 있다. 다른 직선 구간은 빔 관측소와 주입 장치, 표적 및 분사 자석을 위해 예약된다.

자석의 정렬이 무엇보다 중요하기 때문에 유닛은 직경 200m의 콘크리트 자유 부유 링에 장착된다.[5] 추가 예방책으로 콘크리트 링에는 강철 파이프가 주물되어 있는데, 물이 링을 통과하여 자석의 온도를 일정하게 유지한다.

발견 및 발견

PS의 양성자 빔에 의해 생성된 중성미자 빔을 사용하여, 가가멜레 실험은 1973년에 중립 전류를 발견했다.

참조

  1. ^ Standley, P. H. (1966). The CPS improvement programme.
  2. ^ "The Proton Synchrotron". CERN. Retrieved 11 August 2017.
  3. ^ "Accelerators". CERN. Retrieved 11 August 2017.
  4. ^ a b Mersits, Ulrike (1990). "The Construction of the 28 GeV Proton Synchrotron and the first six years of its scientific exploration". In Hermann, A.; Krige, J.; Mersits, U.; Pestre, D. (eds.). History of CERN, Vol. II. Amsterdam: North-Holland. pp. 139–269.
  5. ^ a b c Bakker, C. J., ed. (1960). CERN's 25 GeV Proton Synchrotron. Geneva: CERN.
  6. ^ Minutes of the Session: Seventh Session, Geneva, 29-30 October 1953 (PDF). Rome: CERN. 1954. Retrieved 11 August 2017.
  7. ^ a b c d e Gilardoni, S.; Manglunki, D., eds. (2011). "The origins and the evolution of the CERN Proton Synchrotron". Fifty Years of the CERN Proton Synchrotron. Geneva: CERN. pp. 1–33. Retrieved 16 August 2017.

외부 링크