Proton Synchrotron Booster

Position des Proton Synchrotron Booster (PSB, hier als BOOSTER markiert) am CERN. Mit dem Linearbeschleuniger LINAC 2 auf 50 MeV beschleunigte Protonen werden in den PSB eingespeist und auf 1,4 GeV beschleunigt, bevor sie in den Proton Synchrotron (PS) weitergeleitet werden. Der Weg der Protonen ist mit blauen Pfeilen und der der Ionen mit grünen markiert.

Der Proton Synchrotron Booster (PSB) ist ein Synchrotron-Teilchenbeschleuniger am CERN. Er wurde 1972 in Betrieb genommen und besteht aus vier übereinander liegenden Strahlrohren, die je einen Ring mit 25 m Radius bilden. Der Proton Synchrotron Booster ist der Vorbeschleuniger des größeren Proton Synchrotron. Protonen werden mit einer Energie von 50 MeV in den PSB geleitet, wo sie auf 1,4 GeV beschleunigt und dann in das Proton Synchrotron weitergeleitet werden. Durch den Bau des PSB konnte die Zahl der Protonen im PS versechsfacht werden.

Geschichte

Baubeginn war 1968 und am 26. Mai 1972 wurden die ersten Protonen auf die damalige Maximalenergie von 800 MeV beschleunigt. Grund für den Bau des Proton Synchrotron Booster war der Bedarf einer höheren Anzahl Protonen für das Proton Synchrotron, welche durch das gewählte Design der vier übereinanderliegenden Ringe des PSB auf 10¹³ Protonen pro Puls (2,5·10¹²  pro Ring) Mitte der 1970er Jahre erhöht werden könnte; bis dahin erreichte der PS 1,6·10¹² Protonen pro Puls. Durch weitere Verbesserungen wurde schließlich die Einspeisung von insgesamt 4,25·10¹³ Protonen pro Puls durch den PSB erreicht.^[1]

Ab Anfang der 1980er Jahre wurde der PSB auch zur Beschleunigung von Deuterium-, Helium-, Schwefel- und Sauerstoff-Ionen benutzt, welche vom damaligen Linearbeschleuniger LINAC 1 in des PSB eingespeist wurden. Mit der Inbetriebnahme des speziell für Ionen ausgelegten Linearbeschleunigers LINAC 3, wurden auch im PSB schwerere Ionen wie zum Beispiel von Indium oder Blei beschleunigt. Heute wird der PSB dazu nicht mehr verwendet, da die Einspeisung von Ionen in den PS vom LINAC 3 jetzt über den Low Energy Ion Ring (LEIR) erfolgt.^[2]

1992 wurde die Maximalenergie der beschleunigten Protonen auf 1,0 GeV erhöht und Anfang 2000 auf Grund der gestiegenen Anforderungen des Large Hadron Colliders – zu dessen Vorbeschleunigerkette der PSB seit 2008 gehört – auf 1,4 GeV weiter gesteigert. Im Zusammenhang mit der Inbetriebnahme des im Bau befindlichen neuen Linearbeschleunigers LINAC 4, welcher zukünftig Teilchen mit 160 MeV (derzeit LINAC 2 mit 50 MeV) in den PSB einspeisen soll, ist ein weiterer Umbau auf eine Maximalenergie von 2,0 GeV geplant.^[1][2]

Von 1989 bis 1992 zog die Einrichtung zur Erzeugung von radioaktiven Ionenstrahlen ISOLDE (Isotope Separator On Line DEvice) zum PSB um, welche seit den 1960er Jahren vom ehemaligen Synchro-Zyklotron (SC) mit auf 600 MeV beschleunigten Protonen gespeist wurde. Heute wird dort zur Erzeugung der radioaktiven Ionenstrahlen der Protonenstrahl des PSB mit bis zu 1,4 GeV verwendet.^[2][3]

Betrieb

Der Protonenpuls des Linearbeschleunigers wird mit Hilfe von nacheinander gepulsten Magneten vertikal in sechs Teilstrahlen zerlegt, wobei der erste und letzte der ansteigenden beziehungsweise abfallenden Flanke des Protonenpulses entspricht und nicht verwendet wird. Die vier mittleren Strahlen werden dann mittels weiterer Magnete in die einzelnen vertikal übereinanderliegenden Strahlröhren geleitet. Zur Erhöhung der Protonenzahl pro Paket oder der Anzahl der Protonenpakete pro Ring wird der Vorgang mehrfach wiederholt. Früher wurden je fünf Pakete pro Ring gefüllt und heute in der Regel ein oder zwei Pakete, bei zwei bis über zehn Wiederholungen pro Paket.^[2]

Nach der 1,2 Sekunden dauernden Beschleunigung und zusätzlichen räumlichen Synchronisation der Protonenpakete – diese liegen dann in allen Strahlröhren genau übereinander – werden diese wieder mit Hilfe von speziellen gepulsten Magneten nacheinander so ausgekoppelt, dass pro Umlauf die vorhandenen Protonenpakete eines Rings extrahiert werden. Die gesamte Auskopplung von vier Ringen erfolgt bei 1,4 GeV so innerhalb von 2291,2 ns (vierfache Umlaufzeit von 572,8 ns). Je nach Anforderung an die Paketanzahl und Abfolge werden auch nur einzelne Ringe zur Beschleunigung benutzt oder mehr als vier Protonenpakete aus zwei Füllungen mit je einem Protonenpaket pro Ring in den PS eingespeist (so z. B. für den LHC 4+2 Pakete).^[2][4]

Literatur

• Michael Benedikt (Hrsg.) u. a.: LHC design report. Volume III: The Injector Chain. CERN, Genf 2004, ISBN 92-9083-239-8 (online; PDF).
• K. Hanke: Past and present operation of the CERN PS Booster. (PDF; 7,7 MB) In: International Journal of Modern Physics A. Vol. 28, No. 13, 2013, S. 1330019(1–25), doi:10.1142/S0217751X13300196.

Weblinks

• PSB machine layout. Von Sven De Man, CERN AB-ABP Group, 2008.
• Proton Synchrotron Booster (PSB). Auf lhc-facts.ch.
• Photos vom PSB. Auf dem CERN Document Server (CERN Photo Lab).

Einzelnachweise