Proton Synchrotron - Proton Synchrotron
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| Lista das atuais instalações de partículas e nucleares no CERN | |
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| LHC | Acelera íons de hidrogênio negativos |
| LEIR | Colide prótons ou íons pesados |
| SPS | Acelera íons |
| PSB | Acelera prótons ou íons |
| PS | Acelera prótons ou íons |
| Linac | Acelera prótons ou íons |
| Linac-2 | Injeta prótons em PS |
| Linac-3 | Injeta prótons em PS |
| Linac4 | Acelera íons |
| DE ANÚNCIOS | Desacelera antiprótons |
| ELENA | Desacelera antiprótons |
| ISOLDE | Produz feixes de íons radioativos |
O Proton Synchrotron ( PS, às vezes também conhecido como CPS) é um acelerador de partículas no CERN . É o primeiro síncrotron do CERN , iniciando sua operação em 1959. Por um breve período, o PS foi o acelerador de partículas com maior energia do mundo . Desde então, serviu como um pré-acelerador para os anéis de armazenamento de interseção ( ISR ) e o Síncrotron de superprótons ( SPS ), e atualmente faz parte do complexo acelerador Large Hadron Collider ( LHC ). Além de prótons , o PS acelerou partículas alfa , núcleos de oxigênio e enxofre , elétrons , pósitrons e antiprótons .
Hoje, o PS faz parte do complexo de aceleradores do CERN. Ele acelera prótons para o LHC, bem como para uma série de outras instalações experimentais no CERN. Usando uma fonte de íons de hidrogênio negativa, os íons são primeiro acelerados à energia de 160 MeV no acelerador linear Linac 4 . O íon hidrogênio é então despojado de ambos os elétrons, deixando apenas o núcleo contendo um próton, que é injetado no Booster Síncrotron de Prótons ( PSB ), que acelera os prótons para 2 GeV, seguido pelo PS, que empurra o feixe para 25 GeV . Os prótons são então enviados para o Síncrotron do Super Próton e acelerados para 450 GeV antes de serem injetados no LHC. O PS também acelera íons pesados do Anel Iônico de Baixa Energia ( LEIR ) a uma energia de 72 MeV, para colisões no LHC.
Fundo
O síncrotron (como no Síncrotron de Prótons ) é um tipo de acelerador de partículas cíclico , descido do ciclotron , no qual o feixe de partículas em aceleração viaja em torno de um caminho fixo. O campo magnético que curva o feixe de partículas em seu caminho fixo aumenta com o tempo e é sincronizado com o aumento da energia das partículas. À medida que as partículas percorrem o caminho circular fixo, elas oscilarão em torno de sua órbita de equilíbrio , um fenômeno denominado oscilações do betatron .
Em um síncrotron convencional a focalização das partículas circulantes é obtida por focalização fraca : o campo magnético que guia as partículas ao redor do raio fixo diminui ligeiramente com o raio, fazendo com que as órbitas das partículas com posições ligeiramente diferentes se aproximem. A quantidade de foco desta forma não é muito grande e, conseqüentemente, as amplitudes das oscilações do betatron são grandes. A focalização fraca requer uma grande câmara de vácuo e, conseqüentemente, grandes ímãs. A maior parte do custo de um síncrotron convencional são os ímãs. O PS foi o primeiro acelerador do CERN que fez uso do princípio do gradiente alternado , também chamado de foco forte: ímãs quadrupolo são usados para focar alternadamente na horizontal e na vertical muitas vezes em torno da circunferência do acelerador. A focalização da partícula pode, em teoria, tornar-se tão forte quanto se deseja, e a amplitude das oscilações do betatron tão pequena quanto desejada. O resultado líquido é que você pode reduzir o custo dos ímãs.
Histórico operacional
Estudos preliminares
Quando, no início da década de 1950, os planos para um laboratório europeu de física de partículas começaram a tomar forma, surgiram dois projetos diferentes de aceleradores. Uma das máquinas deveria ser do tipo padrão, fácil, relativamente rápida e barata de construir: o sincrociclotron , realizando colisões com uma energia de centro de massa de 600 MeV. O segundo dispositivo era um empreendimento muito mais ambicioso: um acelerador maior do que qualquer outro existente, um síncrotron que poderia acelerar prótons até uma energia de 10 GeV - o PS.
Em maio de 1952, um grupo de design foi criado com Odd Dahl no comando. Outros membros do grupo foram, entre outros, Rolf Widerøe , Frank Kenneth Goward e John Adams . Depois de uma visita ao Cosmotron no Laboratório Nacional de Brookhaven nos Estados Unidos, o grupo aprendeu uma nova ideia para fazer máquinas mais baratas e de alta energia: foco em gradiente alternado . A ideia era tão atraente que o estudo de um síncrotron de 10 GeV foi abandonado e o estudo de uma máquina implementando a nova ideia foi iniciado. Usando este princípio, um acelerador de 30 GeV poderia ser construído pelo mesmo custo que um acelerador de 10 GeV usando foco fraco. No entanto, quanto mais forte for o foco, maior será a precisão do alinhamento dos ímãs necessária. Isso se revelou um problema sério na construção do acelerador.
Um segundo problema no período de construção foi o comportamento das máquinas a uma energia chamada "energia de transição". Neste ponto, o aumento relativo na velocidade da partícula muda de maior para menor, fazendo com que a amplitude da oscilação do betatron vá para zero e perda de estabilidade no feixe. Isso foi resolvido por um salto , ou uma mudança repentina na aceleração, na qual quádruplos pulsados fizeram os prótons atravessarem o nível de energia de transição muito mais rápido.
O PS foi aprovado em outubro de 1953, como um síncrotron de 25 GeV de energia com um raio de 72 metros e um orçamento de 120 milhões de francos suíços . A força de focagem escolhida exigia uma câmara de vácuo de 12 cm de largura e 8 cm de altura, com ímãs de cerca de 4000 toneladas de massa total. Dahl renunciou ao cargo de chefe do projeto em outubro de 1954 e foi substituído por John Adams . Em agosto de 1959, o PS estava pronto para seu primeiro feixe, e em 24 de novembro a máquina atingiu uma energia de feixe de 24 GeV.
1960-1976: Alvo fixo e pré-acelerador para ISR
No final de 1965, o PS era o centro de uma teia de aranha de linhas de feixe: fornecia prótons para o Salão Sul ( local de Meyrin ), onde um alvo interno produzia cinco feixes secundários, servindo a um experimento de neutrino e a um anel de armazenamento de múon ; o North Hall (sítio Meyrin) onde duas câmaras de bolhas ( 80 cm de hidrogênio Saclay , CERN líquido pesado) foram alimentadas por um alvo interno; quando o East Hall (local de Meyrin) se tornou disponível em 1963, os prótons do PS atingiram um alvo interno, produzindo um feixe secundário filtrado por separadores eletrostáticos para a câmara de bolha de 2 m do CERN e experimentos adicionais.
Junto com a construção dos anéis de armazenamento de interseção (ISR), um programa de melhoria para o PS foi decidido em 1965, também abrindo espaço para os experimentos Gargamelle e a Big European Bubble Chamber . A energia de injeção do PS foi aumentada pela construção de um impulsionador de quatro anéis de 800 MeV - o Proton Synchrotron Booster (PSB) - que se tornou operacional em 1972.
1976-1991: Pré-acelerador para SPS / Sp p S e LEAR
Em 1976 o Super Proton Synchrotron (SPS) tornou-se um novo cliente do PS. Quando o SPS começou a operar como um colisor de prótons - antiprótons - o Sp p S - o PS tinha a dupla tarefa de produzir um intenso feixe de prótons de 26 GeV / c para gerar antiprótons a 3,5 GeV / c para serem armazenados no Acumulador de Antiprótons ( AA ) e, em seguida, acelerando os antiprótons para 26 GeV / c para transferência para o SPS.
O acelerador linear , que agora serve ao PSB, foi substituído em 1978 pelo Linac 2 , levando a um novo aumento de intensidade. Durante este período, a aceleração dos íons de luz entrou em cena. O Linac 1, que foi substituído pelo Linac 2, foi equipado para acelerar deuterons que foram acelerados no PS e transferido para o ISR onde colidiram com prótons ou deuterons.
Quando o Anel Antipróton de Baixa Energia ( LEAR ), para desaceleração e armazenamento de antiprótons, entrou em operação em 1982, o PS retomou o novo papel de desacelerador antiprótono. Ele desacelerou os antiprótons do AA para 180 MeV e os injetou no LEAR. Durante este período, o complexo PS ganhou o apelido de "fábrica de partículas versátil". Até 1996, o PS regularmente acelerava íons para experimentos de alvo fixo SPS, prótons para o Salão Leste ou produção de antiprótons em AA, desacelerava prótons para LEAR e, mais tarde, acelerava elétrons e pósitrons para o Grande Colisor Eletron-Pósitron ( LEP ).
1991–2001: Pré-acelerador para LEP
Para fornecer léptons ao LEP, mais três máquinas tiveram que ser adicionadas ao complexo PS: o acelerador linear de elétrons LIL-V, o acelerador linear de elétrons e pósitrons LIL-W e o anel de armazenamento EPA (Acumulador de elétron-pósitron). Uma quantidade modesta de hardware adicional teve que ser adicionada para modificar o PS de um síncrotron de prótons de 25 GeV para um síncrotron de leptons de 3,5 GeV.
Durante este período, a demanda por íons mais pesados a serem entregues como um feixe primário para o corredor experimental SPS Norte ( site Prévessin ) também aumentou. Os íons de enxofre e oxigênio foram acelerados com grande sucesso.
2001 – hoje: Pré-acelerador para LHC
Após o término da operação como injetor LEP, o PS iniciou um novo período de operação em preparação como injetor LHC e para novos experimentos de alvo fixo. Novos experimentos começaram a ser executados na área leste, como o experimento CLOUD . O complexo PS também foi remodelado quando a área AA foi substituída pelo Desacelerador Antiproton e sua área experimental.
Ao aumentar a energia do PSB e do Linac 2, o PS atingiu intensidades recordes em 2000 e 2001. Durante todo o ano de 2005, o PS foi desligado: danos por radiação causaram o envelhecimento dos ímãs principais. Os ímãs, originalmente estimados para ter uma vida útil de menos de 10 anos, excederam a estimativa em mais de um fator de quatro e passaram por um programa de reforma. O túnel foi esvaziado, os ímãs recondicionados e a máquina realinhada. Em 2008, o PS passou a operar como pré-acelerador do LHC. Simultaneamente, a operação iônica mudou: LEAR foi convertido em um anel de armazenamento - o Anel Iônico de Baixa Energia (LEIR) - e o PSB deixou de ser um injetor de íons.
Construção e operação
O PS é construído em um túnel, no qual a temperatura é controlada a ± 1 °. Em torno da circunferência, 628 metros, existem 100 unidades magnéticas de 4,4 m de comprimento nominal, 80 setores retos curtos de 1,6 me 20 setores retos de 3 m. Dezesseis seções retas longas são equipadas com cavidades de aceleração, 20 curtas com lentes de correção quádruplas e 20 curtas com conjuntos de lentes sêxtuplas e óctuplas. Outras seções retas são reservadas para estações de observação de feixe e dispositivos de injeção, alvos e ímãs de ejeção.
Como o alinhamento dos imãs é de suma importância, as unidades são montadas em um anel de concreto flutuante livre, com 200 metros de diâmetro. Como precaução adicional, o anel de concreto possui tubos de aço fundidos nele, por onde a água passa pelo anel para manter uma temperatura constante nos ímãs.
Descobertas e descobertas
Usando um feixe de neutrino produzido por um feixe de prótons de PS, o experimento Gargamelle descobriu correntes neutras em 1973.
Referências
links externos
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Mídia relacionada ao Proton Synchrotron no Wikimedia Commons
