LINAC4

Achegándonos ao LHC

LINAC4 brevemente

Linac4 (160 MeV) sustitúe ao Linac 2 (50 MeV) como inxector do PS Booster (PSB). Este acelerador lineal de 86 metros incrementa a intensidade do beam de protóns no PSB nun factor 2, o que dá lugar a un aumento significativo da luminosidade do LHC.

Linac4 (160 MeV), é a primiera etapa na cadea de aceleración do LHC, substituindo, al Linac 2 (50 MeV) como inxector do PS Booster (PSB). Este acelerador lineal de 86 metros incrementa a intensidade del beam de protóns no PSB nun factor 2, o que da lugar a un aumento significativo da luminosidade do LHC.

Inaugurado en maio de 2017, despois de dúas décadas de deseño e construción, Linac4 foi conectado ao PSB en 2019, ao comezo do Long Shutdown 2, e xa estivo en operación para experimentos de física de partículas en 2021.

En definitiva, Linac 4 reemprazou ao Linac2 como fonte de feixes de protóns para os experimentos do CERN, sendo por tanto a primeira etapa na cadea de aceleradores do LHC. (Ver máis en CERN Courier).

 

Linac 4 está localizado nun túnel a 12 metros de profundidade conectado ao PSB mediante unha liña de transferencia. O edificio en superficie alberga o equipamento de Radio Frecuencia, os suministros de potencia eléctrica, os dispositivos electrónicos e outras infraestruturas.

Bombona de Hidróxeno

Un átomo de Hidróxeno contén un protón e un electrón. Podemos arrincar ese electrón e acelerar o protón que constitúe el núcleo dese átomo. Precisamente, isto era o que acontecía no LINAC2, cando era a primeira etapa na cadea de aceleración do LHC. Realmente, sendo máis precisos, o Linac non é exactamente a primeira etapa, pois necesítase unha fonte de partículas cargadas e un sistema previo de inxección que introduza esas partículas no Linac.. 

No canto de crear protóns desde átomos de H, podemos engadir un electrón obtendo un ión hidruro H- . Todo comeza extraendo o electrón do H, siendo dirixido oel  H+ obtenido cara un cátodo que contén Cesio (un átomo con baixa energía de ionización). Isto fai que o protón acabe por atraer a dous elctrónso formándose así o ion hidruro, H-.

Fonte de ions H-

 


Dada a súa carga negativa, o ión hidruro sae repelidos da superficie do cátodo para ser extraídos finalmente da fonte de ions en pulsos de  400 μs, formándose un feixe de e H-. Utilizando un pequeno imán sepáranse os H- dos e- (que foron previamente extraídos na etapa de formación dos protóns), por seren de moi diferente masa.

Os ions H- saen desta fonte cunha enerxía de 45 keV e ao través da liña do Linac 4 de 86 m [Radio Frequency Quadrupole, Chopper line, un Alvarez Drift Tube Linac (DTL), Cell-Coupled Drift Tube Linac (CCDTL) e a Pi-mode structure (PIMS)], adquiren 160 MeV de enerxía final.

LINAC4 - 3 MeV BEAM LINE


LINAC4 -  BEAM LINE


Basicamente, o Linac 4 traballa do mesmo xeito que un acelerador lineal. Usa cavidades de Radio Frecuencia (RF) onde se cargan conductores cilíndricos. Os ions pasan a través dos dispositivos conductores que cambian alternativamente de positivo a negativo, sendo a frecuencia de cambio de 352,2 MHz. Primeiro atraen aos ions negativos (H-) e a continuación os repelen impulsándolos cara adiante. Pequenos cuadrupolos magnéticos aseguran que estes ions formen feixes compactos. Segundo as partículas se achegan a velocidade da luz a súa enerxía vaise convertendo en masa.

A arquitectura básica do Linac4 móstrase de seguido:


Os ions H- chegan ao PSB e únense aos protóns que xa circulan neste primeiro acelerador circular, formando paquetes compactos. Despois, os dous electróns que conforman o ion hidruro son extraídos mediante unha delgada folla de carbón. Desta maneira, o feixe que xira no PSB está conformado só por protóns, e unha nova remesa de H- chega do Linac4 para repetir el ciclo. É dicir, aos protóns circulantes no PSB se lles unen máis ions de hidróxeno cargados negativamente, que sufrirán o mismo proceso. Entrelazando repetidamente ions negativos e positivos, poden crearse bunches de protóns moi compactos. Un feixe de protóns máis compacto significa máis colisións de partículas por segundo. En resumo, más partículas son acumuladas nos paquetes de protóns, sendo todo moito máis eficiente de que acontecía co Linac2.


Algo de Física no LINAC4...


Os principais parámetros do Linac4 son:


Ion 

H-

Enerxía de salida

160 MeV

Radio Frecuencia 

352.2 MHz

Ritmo de repetición de pulsos

2 Hz

Duración do pulso

400 microsec

Esquema do "chopping"

222/133 paquetes transmitidos/buckets vacíos

Corrente media do pulso

40 mA

Potencia do feixe

5.1 kW

N. partículas por pulso

1.0·1014

N. partículas por paquete

1.14·109

Emitancia transversal do feixe

0.4 pmm mrad (rms)

  


Calculemos a potencia do feixe:

(Nº Partículas por pulso) x (Enerxía de saída) x (Repetición de pulsos)

(1014 partículas/pulso) x (160·106 eV/partícula) x (1,6·10-19 J/eV) x  (2 pulsos/s)

Beam power = 5100 J/s = 5,1 kW

Agora calculemos a Corrente media do pulso:

(Nº Partículas per pulso) x (Carga eléctrica/partícula) / (Duración do pulso)

(1014 partículas/pulso) x (1,6·10-19 Culomb/partícula) / (400·10-6 s/pulso)

Corrente media do pulso = 0,04 A = 40 mA


(O noso especial agradecemento a MAURIZIO VRETENAR - LINAC4 Project Leader )

Máis información:

LINAC4 PROJECT

STATUS OF LINAC4, Nov 2013 

LINAC4 ISWP review, Nov 2013

LINAC4 COMPLETADO Maio 2017

LHC Run 3: the final countdown 2022

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doutor en Física de Partículas (experimental) pola USC. Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembro de 2015. Actualmente está no Depto de Física de Partículas da USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Física e Química no IES de SAR de Santiago de Compostela, e Profesor Asociado no Departamento de Didáctica das Ciencias Experimentais da USC, ata o seu retiro en 2020. É licenciado en Física e en Química, e é Doutor pola Universidade de Santiago (USC).

CERN


CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Experimental Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC


LHC

Detector CMS

Detector ATLAS

Detector ALICE

Detector LHCb

Detector TOTEM

Detector LHCf

Detector MoEDAL

 


NOTA IMPORTANTE

Toda a Bibliografía que foi consultada para esta Sección está indicada na Sección de Referencias

 


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO |

···