LINAC 4

LINAC 4 — это линейный ускоритель отрицательных ионов водорода (H⁻), построенный в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) и предназначенный для предварительного разгона частиц перед их инжекцией в Протонный суперсинхротрон (PS). Он является первым звеном в цепочке ускорителей комплекса LHC (Большой адронный коллайдер) и заменил предыдущий ускоритель LINAC 2, обеспечивая более высокую интенсивность пучка и энергию инжекции. Ввод LINAC 4 в эксплуатацию стал частью программы модернизации ускорительного комплекса ЦЕРН, направленной на увеличение светимости LHC в рамках проекта High-Luminosity LHC (HL-LHC).

История создания

Предпосылки и необходимость замены

До 2020 года для инжекции протонов в Протонный синхротрон (PS) ЦЕРН использовал LINAC 2, построенный в 1978 году. Этот ускоритель разгонял протоны до энергии 50 МэВ. Однако для достижения проектной светимости LHC и особенно для работы в режиме HL-LHC требовалось значительно увеличить интенсивность протонных пучков. Основным ограничением LINAC 2 была низкая энергия инжекции, которая приводила к потерям частиц в PS из-за эффектов пространственного заряда — взаимного отталкивания одноимённо заряженных протонов в плотном пучке.

Разработка и строительство

Проект LINAC 4 был официально утверждён в 2007 году. Основной задачей было создание ускорителя, способного разгонять частицы до энергии 160 МэВ, что в три с лишним раза превышает энергию LINAC 2. Выбор в пользу ускорения отрицательных ионов водорода (H⁻), а не протонов, был принципиальным. При инжекции в PS ионы H⁻ проходят через тонкую углеродную фольгу, которая «обдирает» с них оба электрона, превращая в протоны. Этот метод позволяет более эффективно набирать пучок в кольцевом ускорителе и минимизировать потери.

Строительство LINAC 4 велось с 2008 по 2013 год. Основные компоненты ускорителя были изготовлены и протестированы в сотрудничестве с институтами из стран-участниц ЦЕРН, включая Францию, Италию, Великобританию, Индию и Японию. Первые пучки были получены в 2013 году, после чего начался длительный этап наладки и тестирования.

Ввод в эксплуатацию

Первоначально планировалось, что LINAC 4 начнёт подавать пучки в PS в 2019 году, однако из-за необходимости дополнительных работ и тестов переход состоялся в 2020 году, во время длительной остановки LHC (LS2). С 2021 года LINAC 4 является основным источником протонов для всего ускорительного комплекса ЦЕРН.

Устройство и принцип работы

Источник ионов

В начале цепочки LINAC 4 находится источник ионов (RF-driven ion source), который генерирует отрицательные ионы водорода (H⁻). В этом источнике газообразный водород подаётся в камеру, где под действием радиочастотного поля и магнитного поля создаётся плазма. Из плазмы извлекаются ионы H⁻, которые затем фокусируются и направляются в первый ускоряющий модуль. Конструкция источника позволяет получать импульсы тока до 80 мА.

Система низкоэнергетической транспортировки (LEBT)

После источника пучок проходит через участок низкоэнергетической транспортировки (Low Energy Beam Transport, LEBT). Здесь с помощью магнитных линз и корректоров пучок фокусируется и очищается от нежелательных примесей (например, электронов и ионов H₂⁺). LEBT также содержит систему вакуумной откачки для поддержания необходимого давления.

Радиочастотный квадруполь (RFQ)

Первым ускоряющим устройством является радиочастотный квадруполь (Radio Frequency Quadrupole, RFQ). Он выполняет две функции: фокусировку пучка с помощью переменного электрического поля и ускорение частиц. В RFQ пучок разгоняется от начальной энергии 45 кэВ до 3 МэВ. Это компактный и эффективный модуль, который формирует сгустки частиц (банчи) и задаёт начальную энергию для дальнейшего ускорения.

Дрейфовые трубки (DTL)

Основное ускорение происходит в секции дрейфовых трубок (Drift Tube Linac, DTL). LINAC 4 использует три резонатора DTL, работающих на частоте 352 МГц. Каждый резонатор представляет собой длинную вакуумную камеру, внутри которой расположены медные трубки, соединённые с внешним источником радиочастотной мощности. Частицы пролетают между трубками, когда электрическое поле находится в ускоряющей фазе, и экранируются внутри трубок, когда поле меняет знак. В DTL пучок разгоняется от 3 МэВ до 50 МэВ.

Структура CCDTL

Для дальнейшего ускорения от 50 МэВ до 100 МэВ используется модифицированная структура — Cell-Coupled Drift Tube Linac (CCDTL). Она представляет собой гибрид между DTL и обычным резонатором. В CCDTL ускоряющие ячейки соединены между собой через боковые связки, что позволяет более эффективно передавать энергию пучку и упрощает конструкцию по сравнению с классическим DTL на высоких энергиях.

Структура PIMS

Заключительный этап ускорения — от 100 МэВ до 160 МэВ — осуществляется в структуре Pi-Mode Structure (PIMS). Это набор резонаторов, работающих в π-моде, где электрическое поле в соседних ячейках находится в противофазе. PIMS обеспечивает высокий темп ускорения при относительно простой конструкции. Всего в LINAC 4 используется 12 модулей PIMS.

Система высокоэнергетической транспортировки (HEBT)

После достижения энергии 160 МэВ пучок проходит через участок высокоэнергетической транспортировки (High Energy Beam Transport, HEBT). Здесь он измеряется, корректируется по энергии и фокусируется перед инжекцией в PS. Ключевой элемент HEBT — система обдирки (stripping foil): тонкая углеродная фольга, при прохождении через которую ионы H⁻ теряют оба электрона и превращаются в протоны. Этот процесс происходит непосредственно перед входом в кольцо PS.

Технические характеристики

Применение и значение

Роль в комплексе LHC

Основная задача LINAC 4 — обеспечение протонными пучками Протонного суперсинхрона (PS), который затем инжектирует их в Протонный суперсинхротрон (SPS), а оттуда — в Большой адронный коллайдер (LHC). Замена LINAC 2 на LINAC 4 позволила увеличить интенсивность пучка, инжектируемого в PS, примерно в два раза. Это критически важно для проекта HL-LHC, который предполагает увеличение светимости столкновений в LHC в 5–7 раз по сравнению с проектной.

Научные исследования

Помимо питания LHC, пучки из LINAC 4 могут использоваться для других экспериментов на ускорительном комплексе ЦЕРН, включая исследования в области физики нейтрино (например, в эксперименте SHiP) и тестирование материалов и детекторов.

Технологический вклад

Разработка и строительство LINAC 4 стимулировали развитие технологий в области ускорительной физики, включая создание высокоэффективных источников ионов H⁻, мощных радиочастотных систем и прецизионной магнитной оптики. Опыт, полученный при создании LINAC 4, используется при проектировании новых ускорителей, таких как ESS (European Spallation Source) и будущих линейных коллайдеров.

Интересные факты

• LINAC 4 является самым мощным линейным ускорителем отрицательных ионов водорода в мире на момент ввода в эксплуатацию.
• В ускорителе используется более 300 электромагнитных линз и корректоров для управления пучком.
• Для создания вакуума в ускорителе используются ионно-геттерные насосы, турбомолекулярные насосы и криогенные насосы.
• Конструкция PIMS-модулей основана на технологии, разработанной для ускорителя LEP (Large Electron-Positron collider).
• Процесс обдирки ионов H⁻ на углеродной фольге происходит практически мгновенно — за время менее 10⁻¹⁵ секунды.

Источники

• CERN. (2013). LINAC4 Technical Design Report. CERN-ACC-2013-0228.
• Gerigk, F., et al. (2014). The LINAC4 Project at CERN. Proceedings of LINAC2014, Geneva, Switzerland.
• Vretenar, M. (Ed.). (2017). The LINAC4 Project: Status and Commissioning. CERN-ACC-2017-0023.
• CERN. (2020). LINAC4: The new injector for the LHC. CERN Courier, 60(3), 22-25.
• Lombardi, A., et al. (2021). First Year of Operation of LINAC4 at CERN. Proceedings of IPAC2021, Campinas, Brazil.