프로토온 싱크로트론 부스터

CERN 복합체

현재 입자 및 핵 시설
LHC	양성자 및 중이온 가속
리르	가속 이온
SPS	양성자와 이온 가속
PSB	양성자 가속
PS	양성자 또는 이온 가속
리낙 3	LEIR에 중이온 주입
리낙4	가속 이온
AD	안티프로톤을 감속
엘레나	안티프로톤을 감속
이졸데	방사성 이온 빔 생성

프로토온 싱크로트론 부스터(PSB)는 CERN 주입 단지 내 가속기 체인에 있는 최초 및 최소 원형 양성자 가속기( 싱크로트론)로, 대형 하드론 충돌기에도 빔을 공급한다.^[1] 반경 25m의 중첩 링 4개가 들어 있는데, 선형가속기 리낙 2로부터 50MeV의 에너지로 양성자를 받아 최대 1.4GeV까지 가속해 프로톤 싱크로트론(PS)에 주입할 수 있다. 1972년 PSB가 건설되기 전에는 리낙 1이 프로토온 싱크로트론에 직접 주입되었지만, 부스터에 의해 공급된 주입 에너지의 증가로 더 많은 양성자가 PS에 주입될 수 있었고 가속기 체인의 끝부분에서 더 높은 광도를 얻을 수 있었다.

역사적 배경

1964 - 1968: 건설 계획 및 시작

1972년 PSB가 작동하기 전에, 양자는 선형 가속기 Linac 1에 의해 프로토온 싱크로트론(PS)에 직접 전달되어 PS에 50 MeV의 양성자를 제공하였고, PS에 의해 펄스당 약 10개의¹² 양성자의 빔 강도에서 25 GeV로 가속되었다.^[2] 그러나 새로운 실험이 개발되면서(주로 교차 저장 링 ISR에서), 펄스당 10개의¹³ 양성자 순서로 요구되는 빔 강도는 이 설정의 기능을 초과했다. 따라서 양자가 PS에 들어가기 전에 이미 빔 에너지를 증가시키는 방법에 대한 다른 접근법이 논의되었다.

이 새로운 PS 인젝터에 대한 다른 제안이 제시되었다. 예를 들어, 또 다른 선형 가속기 또는 올림픽 링의 형태에서 영감을 받은 5개의 교차 싱크로트론 링과 같은 것이다.^[3] 결국 1964년 제안된 반지름 25m의 수직 적층 싱크로트론 고리 4개를 설치하기로 했다.^[4] 이 특별한 설계로, 맥박당 10개¹³ 이상의 열망 강도에 도달할 수 있을 것이다.

1967년, 전체 업데이트 프로그램의 예산은 6950만 CHF(1968년 가격)로 추정되었다. 이 금액의 절반 이상이 1년 후인 1968년에 시작된 PSB 건설에 투입되었다.^[4]

1972 - 1974: 첫 번째 빔 및 시동

PSB의 첫 양성자 빔은 1972년 5월 1일에 가속되었고, 공칭 에너지인 800 MeV는 5월 26일에 도달했다. 1973년 10월, PS에 전달된 펄스당 10개의$$¹² 양성자 5.2 $\cdot {\displaystyle }$ ${\displaystyle \cdot }$의 중간 강도 목표에 도달했다. 펄스당 10개의¹³ 양성자의 설계 강도를 달성하는 데는 총 2년 정도가 소요되었다.

1973 - 1978: Linac 2로 업데이트

작동 첫 해 동안, CERN의 1차 양성자 소스였던 선형 가속기 Linac 1이 가속기 단지 내에 있는 다른 기계의 기술적 진보를 따라갈 수 없다는 것이 분명해졌다. 따라서, 1963년에 새로운 선형 가속기를 건설하기로 결정되었는데, 후에 리낙 2라고 불리게 된다. 이 새로운 기계는 양성자에게 이전과 동일한 에너지를 제공하지만 최대 150mA의 높은 빔 전류와 200μs의 긴 펄스 지속시간을 제공한다.^[5] 린낙 2호 공사는 1973년 12월에 착공하여 1978년에 완공되었다.

Linac 1은 1992년까지 광이온의 공급원으로 계속 작동했다.

1988: 1 GeV로 업그레이드

10년 이상 작동한 후 빔 강도의 지속적인 증가는 PSB의 출력 에너지의 증가를 요구하기도 했다. 따라서, 사소한 하드웨어 조정만으로 PSB는 1988년에 1 GeV로 업그레이드되었다.^[6]

1980년대 - 2003년: 가속 이온

1980년대 초반부터 2003년까지 PSB는 리낙 1이 납품한 산소나 알파 입자 같은 빛 이온을 가속하는 데도 사용되었다. 전용 이온 선형가속기로서의 리낙3가 작동된 후 PSB에 의해 납과 인듐과 같은 중이온도 가속되었다.

2006년부터 저에너지 이온링(LEIR)이 PSB의 이전 이온 가속화 과제를 이어받았다.^[7]

1992: ISOLDE 실험과의 연결

1992년까지 PSB의 출력 양성자를 사용한 기계는 PS뿐이었다. 이는 1992년 온라인 동위원소 질량 분리기(ISOLDE)가 PSB 양성자의 두 번째 수신자가 되면서 바뀌었다.^[8] 이전에, ISOLDE는 싱크로-사이클로트론으로부터 양성자를 얻었지만, 이 기계는 1980년대 말에 수명이 다했다. 따라서 1989년에 ISOLDE를 PSB에 연결하는 것이 결정되었다.

1999: LHC 준비 및 1.4 GeV로 업그레이드

LHC(Large Hadron Collider)를 수평선에 두고 PSB를 1.4 GeV로 한 번 더 업그레이드해야 했다. PSB의 설계 매개변수의 한계에 도달했기 때문에 이 업그레이드는 이전의 1 GeV 업그레이드보다 하드웨어의 심각한 조정을 의미했다. 2000년에 업그레이드가 완료되었다.

2010 - 2026: 고밀도 대형 하드론 충돌기의 향후 업그레이드

2010년에 LHC의 또 다른 업그레이드를 위한 초석이 마련되었다: 고밀도 대형 하드론 충돌기.^[9]

요구되는 빔 강도가 훨씬 높기 때문에 PSB의 출력 에너지를 2.0 GeV로 증가시킬 필요가 있다. 이는 PSB의 다양한 핵심 장비(예: 주 전원 공급 장치, 무선 주파수 시스템, PS로의 전송 라인 및 냉각 시스템)의 교환 및 업데이트에 의해 다음 해 동안 구현될 것이다.

또한 PSB의 입력 에너지는 다음과 같이 증가한다. 현재 위탁 운영 중인 라인락 4는 160MeV의 출력 빔 에너지를 공급하고 2020년까지 라인락 2를 대체할 예정이다. 라이낙 4는 PSB가 맨 양성자(H⁺ 이온)가 아닌 수소 음이온(H⁻ 이온)을 사용하여 LHC에 더 높은 품질의 빔을 제공할 수 있게 한다. PSB 주입 지점에 있는 박리 포일은 수소 음이온에서 전자를 벗겨내고, 따라서 4개의 PSB 링에서 빔 번들로 축적되는 양자를 만들어낸다. 그런 다음 이러한 양성자 번들은 PSB의 출구에서 다시 결합되고 CERN 인젝터 체인으로 추가 전송된다.

설정 및 작동

PSB는 CERN의 액셀러레이터 콤플렉스의 일부다. 그것이 건설될 때쯤에는 메이린 캠퍼스가 막 확대되어 지금은 프랑스 영토도 커버하고 있었다. PSB 고리의 중심은 프랑스와 스위스의 국경에 바로 위치한다. 국경의 건물들에 대한 각국의 다른 규정 때문에, 그것은 지하에 PSB 주요 건설을 건설하기로 결정되었다. 눈에 보이는 유일한 PSB 인프라는 스위스 쪽에 위치해 있다. PSB는 반지름이 25m인 4개의 수직 적층 링으로 구성되어 있다. 각 고리는 주기당 2개의 쌍극자석, 3개의 4극자석(집중, 탈집중, 초점)으로 구성된 트리플트 초점 구조로 16개 시기로 분할된다.^[10] 모든 자석 구조는 네 개의 고리가 서로 위로 쌓여 하나의 멍에를 공유하는 네 개의 자석으로 이루어져 있다.

PSB는 리낙2의 빔라인 1개와 PS의 빔라인 1개만과는 대조적으로 4개의 링으로 구성되기 때문에 양성자 빔을 안팎으로 결합하는 특별한 구조가 필요하다. Linac 2에서 나오는 양성자 빔은 소위 양성자 분배기에 의해 4개의 다른 빔으로 수직으로 분할된다. 빔은 일련의 펄스 자석을 통해 이동하며, 이 자석은 들어오는 빔의 일부를 연속적으로 다른 각도로 꺾는다. 이로 인해 4개의 빔이 4개의 링을 채울 뿐만 아니라 양성자 펄스의 상승과 하강 에지를 채울 수 있으며, 양성자 분배기 이후에 버려진다.^[2]

마찬가지로, 4개의 보틀렛은 PSB에 의해 가속된 후에 다시 합쳐진다. 일련의 서로 다른 자기 구조로, 네 개의 고리에서 나온 빔을 하나의 수직 레벨로 가져온 다음 PS로 향한다.

2017년 PSB에 의해 가속화된 양성자는 1.51 $\cdot {\displaystyle }$ ${\displaystyle \cdot }$10개였으며$$²⁰, 그 중 61.45%가 ISOLDE에 전달되었으며, LHC에서 사용하는 양성자는 0.084%에 불과했다.^[11]

결과 및 발견

PSB의 양성자가 공급하는 유일한 직접 실험은 온라인 동위원소 질량 분리기(ISOLDE)뿐이다. 그곳에서 양자는 다른 종류의 저에너지 방사성 핵들을 만드는데 사용된다.^[12] 이를 통해 핵·원자물리학부터 고체상태물리학, 생명과학에 이르는 다양한 실험이 이루어진다.

참조

외부 링크

위키미디어 커먼스는 프로톤 싱크로트론 부스터와 관련된 미디어를 보유하고 있다.

• PS 부스터 머신: 레이아웃 및 사진
• CERN Document Server의 PS 부스터
• 인스파이어 헵의 PS 부스터
• PSB 40주년 공식 CERN 행사