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| 現在の粒子および核施設 | |
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| LHC | 陽子と重イオンを加速する |
| レイル | イオンを加速する |
| スペクトラム | 陽子とイオンを加速する |
| プレス | 陽子を加速する |
| 追伸 | 陽子またはイオンを加速する |
| リニアック3 | LEIRに重イオンを注入する |
| リナック4 | イオンを加速する |
| 広告 | 反陽子を減速する |
| エレナ | 反陽子を減速する |
| イゾルデ | 放射性イオンビームを生成する |
| メディシス | 医療目的の同位元素を生産する |
陽子シンクロトロン（PS、 CPS [1]とも呼ばれる）は、CERNの粒子加速器です。これはCERNの最初のシンクロトロンであり、1959年に運用を開始しました。短期間ではありますが、PSは世界最高エネルギーの粒子加速器でした。それ以来、交差ストレージリング（ISR）とスーパープロトンシンクロトロン（SPS ）の前身として機能し、現在は大型ハドロン衝突型加速器（LHC ）加速器複合体の一部となっています。陽子に加えて、PSはアルファ粒子、酸素と硫黄の原子核、電子、陽電子、反陽子を加速してきました。[2]
現在、PSはCERNの加速器複合体の一部であり、LHCやCERNの他の多くの実験施設の陽子を加速しています。負の水素イオン源を使用して、イオンは最初に線形加速器 Linac 4で160 MeVのエネルギーまで加速されます。次に、水素イオンから両方の電子が剥ぎ取られ、1つの陽子を含む核だけが残ります。これは陽子シンクロトロンブースター（PSB）に注入され、陽子を2 GeVまで加速します。その後、PSがビームを25 GeVまで押し上げます。[3]次に、陽子はスーパープロトンシンクロトロンに送られ、LHCに注入される前に450 GeVまで加速されます。PSはまた、LHCでの衝突のために、低エネルギーイオンリング（LEIR ）からの重イオンを72 MeVのエネルギーで加速します。
背景
シンクロトロン（陽子シンクロトロン）はサイクロトロンから派生した環状粒子加速器の一種で、加速粒子ビームが固定された経路を周回します。粒子ビームを固定経路に曲げる磁場は時間とともに増加し、粒子のエネルギーの増加と同期します。粒子が固定された円形経路を周回すると、平衡軌道の周りを振動します。この現象はベータトロン振動と呼ばれます。
従来のシンクロトロンでは、循環する粒子の集束は弱集束によって達成されます。つまり、固定半径の周囲に粒子を誘導する磁場は半径とともにわずかに減少し、わずかに異なる位置にある粒子の軌道が互いに近づきます。この方法での集束の量はそれほど大きくないため、ベータトロン振動の振幅は大きくなります。弱集束には大きな真空チャンバーが必要であり、その結果、大きな磁石が必要になります。従来のシンクロトロンのコストの大半は磁石です。PS は、交番勾配原理 (強集束とも呼ばれます) を利用した CERN 初の加速器でした。四極子磁石を使用して、加速器の円周上で水平方向と垂直方向に交互に何度も集束します。理論上、粒子の集束は望むだけ強くすることができ、ベータトロン振動の振幅は望むだけ小さくすることができます。最終的な結果として、磁石のコストを削減できます。
運用履歴
予備研究
1950 年代初頭、ヨーロッパの素粒子物理学研究所の計画が具体化し始めたとき、2 つの異なる加速器プロジェクトが浮上しました。1 つは標準型で、建造が容易で比較的速く、安価であるシンクロサイクロトロンで、600 MeV の重心エネルギーでの衝突を実現します。2 つ目の装置ははるかに野心的な取り組みで、当時存在していたどの加速器よりも大きく、陽子を10 GeV のエネルギーまで加速できるシンクロトロン(PS) です。
1952年5月までに、オッド・ダールを責任者とする設計グループが設立された。 [4]グループの他のメンバーには、ロルフ・ヴィデロー、フランク・ケネス・ゴワード、ジョン・アダムスなどがいた。米国のブルックヘブン国立研究所のコスモトロンを訪れたあと、グループはより安価で高エネルギーの機械を作るための新しいアイデア、交番勾配集束を知った。このアイデアは非常に魅力的だったため、10 GeVシンクロトロンの研究は中止され、新しいアイデアを実装する機械の研究が開始された。[5]この原理を使うと、弱い集束を使う10 GeV加速器と同じコストで30 GeV加速器を建設できる。[5]しかし、集束が強くなるほど、磁石の位置合わせにより高い精度が求められる。これが加速器の建設において深刻な問題となった。
建設期間中の 2 番目の問題は、「遷移エネルギー」と呼ばれるエネルギーでの機械の動作でした。この時点で、粒子速度の相対的な増加が、大きい状態から小さい状態に変化し、ベータトロン振動の振幅がゼロになり、ビームの安定性が失われます。これは、ジャンプ、つまり加速度の突然の変化によって解決され、パルス四重極によって陽子が遷移エネルギー レベルをはるかに速く通過するようになりました。
PSは1953年10月に、半径72メートル、25GeVのエネルギーを持つシンクロトロンとして、1億2000万スイスフランの予算で承認されました。[6]選択された集束強度には、幅12cm、高さ8cmの真空チャンバーと、総質量約4000トンの磁石が必要でした。ダールは1954年10月にプロジェクト責任者を辞任し、ジョン・アダムスが後任となりました。1959年8月までにPSは最初のビームの準備ができ、11月24日にマシンは24GeVのビームエネルギーに達しました。[4]
1960～1976年: 固定目標および加速器前置装置からISRへ
1965年末までに、PSは蜘蛛の巣のようなビームラインの中心地となっていた。PSは南ホール（メイランサイト）に陽子を供給し、そこでは内部ターゲットが5本の二次ビームを生成し、ニュートリノ実験とミューオン貯蔵リングに利用されていた。北ホール（メイランサイト）では、内部ターゲットから2つのバブルチェンバー（80 cm水素サクレー、CERN重液体）に陽子が供給されていた。1963年に東ホール（メイランサイト）が利用可能になると、PSからの陽子が内部ターゲットに当たり、静電分離器でフィルタリングされた二次ビームを生成し、CERN 2 mバブルチェンバーと追加の実験に送られた。[7]
1965年に交差貯蔵リング（ISR）の建設と並行してPSの改良計画が決定され、ガルガメル実験とビッグヨーロッパバブルチェンバー実験のためのスペースも確保された。PSの入射エネルギーは、800MeVの4リングブースターであるプロトンシンクロトロンブースター（PSB）の建設によって増加し、1972年に運用が開始された。[7]
1976–1991: プレアクセラレータからSPS/SppSとリア
1976 年、スーパープロトンシンクロトロン(SPS) が PS の新しいクライアントになりました。SPS が陽子-反陽子衝突型加速器 ( Sp p S)として運用を開始したとき、 PS には 26 GeV/c の強力な陽子ビームを生成して3.5 GeV/c の反陽子を生成し、反陽子蓄積装置( AA )に蓄積するとともに、反陽子を 26 GeV/c まで加速して SPS に転送するという 2 つの役割がありました。
現在PSBで使用されている線形加速器は1978年にLinac 2に置き換えられ、強度がさらに増加しました。[7]この期間中に軽イオンの加速が登場しました。Linac 2に置き換えられたLinac 1は、 PSで加速された重陽子を加速し、ISRに転送して陽子または重陽子と衝突させるための装置でした。
1982年に反陽子の減速と貯蔵を目的とした低エネルギー反陽子リング（LEAR ）が稼働を開始すると、PSは反陽子減速器という新たな役割を再開した。PSはAAからの反陽子を180MeVまで減速し、LEARに注入した。この期間中、PS複合施設はまさに「多目的粒子工場」というニックネームにふさわしいものとなった。 [7] 1996年まで、PSはSPS固定ターゲット実験用のイオン、イーストホール用の陽子、またはAAでの反陽子生成を定期的に加速し、LEAR用の陽子を減速し、後に大型電子陽電子衝突型加速器（LEP）用の電子と陽電子を加速した。
1991–2001: プレアクセラレータからLEPへ
LEP にレプトンを供給するために、PS 複合施設にさらに 3 つのマシンを追加する必要がありました。LIL-V 電子線形加速器、LIL-W 電子および陽電子線形加速器、EPA (電子陽電子蓄積装置) ストレージ リングです。PS を 25 GeV 陽子シンクロトロンから 3.5 GeV レプトン シンクロトロンに変更するには、適度な量の追加ハードウェアを追加する必要がありました。
この期間中、SPS 北実験ホール (プレヴェッサン サイト)に一次ビームとして供給されるより重いイオンの需要も増加しました。硫黄イオンと酸素イオンの両方が大きな成功を収めて加速されました。
2001年～現在: 加速器前段階からLHCまで
LEP入射器としての運用終了後、PSはLHC入射器としての準備と新しい固定ターゲット実験のために新たな運用期間を開始しました。CLOUD実験などの新しい実験が東エリアで開始されました。AAエリアが反陽子減速器とその実験エリアに置き換えられた際に、PS複合施設も改造されました。
PSB と Linac 2 のエネルギーを増大させることで、PS は 2000 年と 2001 年に記録的な強度を達成しました。2005 年中、PS は停止されました。放射線による損傷により、メインの磁石が老朽化していたためです。当初、寿命が 10 年未満と見積もられていた磁石の寿命は、その見積を 4 倍以上上回っていたため、改修プログラムが実施されました。トンネルは空にされ、磁石が改修され、機械が再調整されました。2008 年、PS は LHC の前段加速器として稼働を開始しました。同時に、イオンの運用も変更されました。LEAR はストレージ リング (低エネルギー イオン リング(LEIR)) に改造され、PSB はイオン インジェクターとしての機能を停止しました。
建設と運営
PSはトンネル内に建設されており、温度は±1°に制御されています。628メートルの円周には、公称長さ4.4メートルの磁石ユニットが100個、長さ1.6メートルの短い直線セクターが80個、長さ3メートルの直線セクターが20個あります。[7] 16の長い直線セクションには加速空洞が装備されており、20の短いセクションには4重補正レンズが装備され、20の短いセクションには6重レンズと8重レンズのセットが装備されています。その他の直線セクションは、ビーム観測ステーションと入射装置、ターゲット、および排出磁石用に予約されています。
磁石の配置は極めて重要であるため、ユニットは直径200メートルのコンクリート製の浮遊リング上に設置されています。[5]さらに予防策として、コンクリート製のリングには鋼管が鋳造されており、水がリング内を流れることで磁石内の温度が一定に保たれます。
調査結果と発見
ガルガメル実験では、PS からの陽子ビームによって生成されたニュートリノビームを使用して、 1973 年に中性電流を発見しました。
参考文献
- ^ Standley, PH (1966). CPS改善プログラム。
- ^ 「陽子シンクロトロン」。CERN 。 2017年8月11日閲覧。
- ^ 「加速器」。CERN 。 2017年8月11日閲覧。
- ^ ab Mersits, Ulrike (1990)。「28 GeV 陽子シンクロトロンの建設と科学的探査の最初の 6 年間」。Hermann, A.、Krige, J.、Mersits, U.、Pestre, D. (編)。CERNの歴史、第 II 巻。アムステルダム: 北ホラント。pp. 139–269。
- ^ abc Bakker, CJ編 (1960). CERNの25 GeV陽子シンクロトロン。ジュネーブ：CERN。
- ^ 会議議事録：第7回会議、ジュネーブ、1953年10月29日〜30日（PDF）。ローマ：CERN。1954年。 2017年8月11日閲覧。
- ^ abcde Gilardoni, S.; Manglunki, D., eds. (2011). 「CERN 陽子シンクロトロンの起源と進化」。CERN 陽子シンクロトロンの 50 年。ジュネーブ: CERN。pp. 1–33。2017年8 月 16 日閲覧。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズの陽子シンクロトロン関連メディア