Injektor 2 - en præaccelerator til protoner

Som grundlæggende byggesten i stof, protoner er en del af alle ting, der omgiver os. På Paul Scherrer Institute PSI, imidlertid, de træder ud af deres sædvanlige rolle og bliver indsat til at generere andre partikler, nemlig neutroner og myoner, som efterfølgende bruges til at studere materialer. Med dette mål, protonerne skal først accelereres. En vigtig rolle i dette spilles af en tre-trins accelerator facilitet, i midten af ​​hvilken står acceleratoren kendt som Injector 2.

Tre acceleratorer arrangeret i serie udgør faciliteten for protonacceleration ved PSI:Det starter med den svampeformede, cirka 10 meter høj Cockcroft-Walton accelerator, hvor protonerne genereres og præ-accelereres. Det ender med den store protonaccelerator, en ringaccelerator, som i teknisk jargon kaldes en cyklotron. Her accelereres protonerne til 80 procent af lysets hastighed. Ind imellem står Injector 2, en mindre ringaccelerator, ligeledes klassificeret som en cyklotron. Dens opgave som for-accelerator er at levere protoner til den store cyklotron med 38 procent af lysets hastighed. Ligesom gearene i en bil, acceleratorerne bygger på hinanden fortløbende. Tænk på Cockcroft-Walton som første gear:Protonerne får en indledende acceleration langs en lige strækning. Injektor 2, andet gear:Protonernes hastighed øges, når de cirkulerer rundt i ringen. Den store accelerator, tredje gear:Går igen rundt i cirkler, protonerne bringes op til den ønskede sluthastighed. Som ved at køre bil, du kan bare ikke undvære første og andet gear.

Efter at protonerne er genereret, de bliver ført gennem et vakuum inde i Cockcroft-Walton, så de ikke støder ind i luftmolekyler. Her betyder vakuum ikke blot et evakueret kammer, da der altid er en lille smule luft tilbage. En støvsuger kan have varierende kvalitet – jo bedre vakuum, jo mindre gas indeholder den. Vakuumet omkring protonerne er ikke helt af samme kvalitet alle steder, da de baner sig vej gennem de tre faciliteter. Vakuumet i injektor 2, for eksempel, svarer til en milliarddel af atmosfærisk tryk; med andre ord, kun ekstremt små spor af gas er til stede.

Hver af de tre acceleratorer er anbragt i sin egen hal. Ved første øjekast, Injektor 2 vises i sin 12 meter høje, næsten næsten kvadratisk rum, i form af skiftende turkisfarvede magneter, fire i alt, og fire sølvfarvede resonatorer – alle nogenlunde lige så høje som en mand – som er radialt justeret. Ovenfra, dette arrangement af magneter og resonatorer ligner en kage, der allerede er skåret i portioner, med spidserne af skiverne skåret af.

Resonatorerne producerer et vekslende elektrisk felt, hvormed protonerne accelereres i stigende grad. Og magneterne sørger for, at protonerne cirkulerer rundt i midten af ​​injektoren 80 gange. Magnetfeltet varierer fra midten mod ydersiden på en sådan måde, at protonerne, som starter deres cirkulation på indersiden, har altid brug for den samme tid til at gennemføre en omgang, selvom den vej, de går, altid bliver længere.

I speederen, ingen proton går alene

Protoner er ikke ensomme i acceleratoren. De rejser i små grupper eller bundter. Da protoner bærer en positiv elektrisk ladning, de frastøder hinanden og, langs deres bane, bevæge sig væk fra hinanden inden for denne gruppering, indtil en vigtig effekt indtræder:Med tiden, ifølge Joachim Grillenberger, ansvarlig for driften af ​​protonanlægget, strålen fokuserer sig selv. Hvad det betyder er, at efter ti eller tyve omgange rundt om ringen, protongrupperne bundter sig sammen og antager en kuglelignende form, som de så beholder.

For at justere strålen af ​​protoner i Injector 2, kollimatorer anvendes. Disse komponenter er for det meste lavet af kobber, har en blændeåbning, og er placeret på passende steder langs protonernes spiralbane. Kun protoner, der bevæger sig på den ideelle bane, passerer gennem åbningen af ​​kollimatorerne, og alle andre protoner absorberes af kobberet.

Protonernes tre veje

Efter at være blevet accelereret i Injector 2, tre veje er åbne til protonstrålen. Den største del af protonstrålen ledes videre til yderligere acceleration i den store cyklotron. De accelererede protoner ramte først en målanordning bestående af roterende carbonskiver, generere pioner og myoner i processen. Så fortsætter de deres vej, til sidst kolliderer med en metalblok for at producere neutroner. Mens pioner, muoner, og neutroner er selv centrale for forskning, de også, på den anden side, hjælpe forskere med at få indsigt i sammensætningen af ​​materialer. En meget lille del af strålestrømmen, omkring to procent, kan sendes ned ad en anden vej umiddelbart efter Injector 2. Disse protoner producerer derefter radionuklider, der anvendes i udviklingen af ​​lægemidler. Sådanne lægemidler bruges til kræftdiagnostik. Den tredje vej fører til en blindgyde, hvor protonerne simpelthen bliver absorberet. Protoner kanaliseres altid på denne måde, hvis de mangler de passende egenskaber for de to andre veje:Protonerne er, i et sådant tilfælde, enten for langsomt eller for hurtigt.

Ser tilbage

Da protonanlægget startede driften i 1974, hovedformålet var at bruge protonerne til at generere pioner. Man mente, at pioner ville hjælpe med at løse de daværende spørgsmål inden for partikelfysik. Siden den gang, anlægget er blevet tilpasset igen og igen for at imødekomme videnskabens behov. I begyndelsen, anlægget producerede en strålestrøm på 100 mikroampere, ekstraordinært høj for forholdene på det tidspunkt. Joachim Grillenberger:I dag, omkring 40 år senere, en strålestrøm 24 gange højere kan genereres. Naturligt, dette er kun muligt, fordi anlægget altid blev forbedret og videreudviklet. Den konstante forbedring gav verdensrekord for protonanlægget, som det har haft siden 1994:Det leverer den stærkeste protonstråle på verdensplan.

For at være på forkant med acceleratorteknologi, du kan ikke hvile på laurbærrene. Injektor 2 er et led i kæden af ​​tre-trins protonaccelerator-faciliteten. Det skal også altid holdes teknologisk opdateret for fortsat at kunne opfylde de høje krav til ydeevne og driftssikkerhed, siger Joachim Grillenberger. På nuværende tidspunkt sammen med kolleger, han leder et projekt, der vil gøre Injector 2 endnu mere dygtig:I 2018 og 2019, nye resonatorer vil blive installeret, og hele forstærkningskæden vil blive moderniseret. Som resultat, partiklerne vil blive accelereret i et endnu kortere tidsrum, og færre protoner vil gå tabt i accelerationsprocessen - hvilket øger hele anlæggets ydeevne. Således bidrager acceleratoreksperterne også til moderniseringen af ​​spallationsneutronkilden SINQ, som er afhængig af protoner fra acceleratoranlægget til at generere sine neutroner.