Als fundamentele bouwstenen van materie, protonen maken deel uit van alle dingen die ons omringen. Bij het Paul Scherrer Instituut PSI, echter, ze stappen uit hun gebruikelijke rol en worden ingezet om andere deeltjes te genereren, namelijk neutronen en muonen, die vervolgens worden gebruikt om materialen te bestuderen. Met dit doel, de protonen moeten eerst worden versneld. Een belangrijke rol hierin wordt gespeeld door een drietraps acceleratorfaciliteit, in het midden staat het gaspedaal dat bekend staat als Injector 2.

Drie in serie gerangschikte versnellers vormen de faciliteit voor protonversnelling bij PSI:het begint met de paddestoelvormige, ongeveer 10 meter hoge Cockcroft-Walton-versneller, waarin de protonen worden gegenereerd en voorversneld. Het eindigt met de grote protonenversneller, een ringversneller, wat in technisch jargon een cyclotron wordt genoemd. Hier worden de protonen versneld tot 80 procent van de lichtsnelheid. Daartussen staat Injector 2, een kleinere ringversneller, eveneens geclassificeerd als een cyclotron. Zijn taak als voorversneller is om protonen af ​​te leveren aan het grote cyclotron met 38 procent van de lichtsnelheid. Zoals de tandwielen in een auto, de versnellers bouwen achtereenvolgens op elkaar voort. Zie Cockcroft-Walton als eerste versnelling:de protonen krijgen een eerste versnelling langs een recht stuk. Injector 2, tweede versnelling:de snelheid van de protonen wordt verhoogd als ze rond de ring circuleren. Het grote gaspedaal, derde versnelling:weer rondjes draaien, de protonen worden op de gewenste eindsnelheid gebracht. Net als bij autorijden, je kunt gewoon niet zonder de eerste en tweede versnelling.

Nadat de protonen zijn gegenereerd, ze worden door een vacuüm in de Cockcroft-Walton geleid, zodat ze niet tegen luchtmoleculen botsen. Vacuüm betekent hier niet alleen een geëvacueerde kamer, want er blijft altijd een beetje lucht over. Een vacuüm kan verschillende kwaliteit hebben - hoe beter het vacuüm, hoe minder gas het bevat. Het vacuüm rond de protonen is niet overal van dezelfde kwaliteit als ze zich een weg banen door de drie faciliteiten. Het vacuüm gehandhaafd in injector 2, bijvoorbeeld, komt overeen met een miljardste van atmosferische druk; met andere woorden, er zijn slechts zeer kleine gassporen aanwezig.

Elk van de drie versnellers is ondergebracht in een eigen hal. Op het eerste gezicht, Injector 2 verschijnt in zijn 12 meter hoge, bijna bijna vierkante kamer, in de vorm van afwisselend turkooiskleurige magneten, vier in totaal, en vier zilverkleurige resonatoren - allemaal ongeveer zo groot als een man - die radiaal zijn uitgelijnd. Van boven, deze opstelling van magneten en resonatoren ziet eruit als een cake die al in porties is gesneden, met de uiteinden van de plakjes afgesneden.

De resonatoren produceren een wisselend elektrisch veld waardoor de protonen steeds sneller worden versneld. En de magneten zorgen ervoor dat de protonen 80 keer rond het centrum van de injector circuleren. Het magnetische veld varieert van het midden naar de buitenkant op een zodanige manier dat de protonen, die hun circulatie aan de binnenkant beginnen, altijd dezelfde hoeveelheid tijd nodig hebben om een ​​ronde te voltooien, ook al wordt het pad dat ze nemen altijd langer.

In het gaspedaal, geen proton doet het alleen

Protonen zijn geen eenlingen in het gaspedaal. Ze reizen in kleine groepen of bundels. Omdat protonen een positieve elektrische lading dragen, ze stoten elkaar af en langs hun traject, ga binnen deze groepering van elkaar weg totdat een belangrijk effect optreedt:Na verloop van tijd, volgens Joachim Grillenberger, verantwoordelijk voor de werking van de protonenfaciliteit, de straal focust zichzelf. Wat dat betekent is dat na tien of twintig ronden rond de ring, de protongroepen bundelen zich en nemen een bolvorm aan, die ze dan behouden.

Om de bundel van protonen in Injector 2 aan te passen, collimatoren worden gebruikt. Deze componenten zijn meestal gemaakt van koper, een opening hebben, en zijn gepositioneerd op geschikte plaatsen langs het spiraalvormige pad van de protonen. Alleen protonen die op de ideale baan bewegen, gaan door de opening van de collimatoren, en alle andere protonen worden geabsorbeerd door het koper.

De drie paden van de protonen

Na te zijn versneld in Injector 2, drie paden zijn open voor de protonenbundel. Het grootste deel van de protonenbundel wordt verder geleid naar verdere versnelling in het grote cyclotron. De versnelde protonen raakten eerst een doelapparaat bestaande uit roterende koolstofschijven, daarbij pionen en muonen genereren. Dan vervolgen ze hun weg, uiteindelijk botsen met een metalen blok om neutronen te produceren. terwijl pionnen, muonen, en neutronen zelf staan ​​centraal in onderzoek, zij ook, anderzijds, onderzoekers helpen inzicht te krijgen in de samenstelling van materialen. Een heel klein deel van de bundelstroom, ongeveer twee procent, kunnen direct na Injector 2 een tweede pad worden ingestuurd. Deze protonen produceren vervolgens radionucliden die worden toegepast bij de ontwikkeling van geneesmiddelen. Dergelijke medicijnen worden gebruikt bij de diagnostiek van kanker. Het derde pad leidt naar een doodlopende weg waar de protonen gewoon worden geabsorbeerd. Protonen worden altijd op deze manier gekanaliseerd als ze de juiste eigenschappen voor de twee andere paden missen:De protonen zijn, in zo'n geval, ofwel te langzaam of te snel.

Terugkijken

Toen de protonenfaciliteit in 1974 in gebruik werd genomen, het belangrijkste doel was om de protonen te gebruiken om pionen te genereren. Men dacht dat pionen zouden helpen om de op dat moment actuele vragen in de deeltjesfysica aan te pakken. Sinds die tijd, de faciliteit is keer op keer aangepast aan de behoeften van de wetenschap. In het begin, de faciliteit produceerde een bundelstroom van 100 microampère, buitengewoon hoog voor de toenmalige omstandigheden. Joachim Grillenberger:Vandaag, ongeveer 40 jaar later, er kan een bundelstroom worden gegenereerd die 24 keer hoger is. Van nature, dit is alleen mogelijk omdat de faciliteit steeds werd verbeterd en verder ontwikkeld. De constante verbetering leverde een wereldrecord op voor de protonenfaciliteit die het sinds 1994 bezit:het levert de sterkste protonenbundel ter wereld.

Om voorop te blijven lopen op het gebied van acceleratortechnologie, je kunt niet op je lauweren rusten. Injector 2 is een schakel in de keten van de drietraps protonenversnellerfaciliteit. Ook deze moet altijd technologisch up-to-date worden gehouden om te blijven voldoen aan de hoge eisen op het gebied van prestaties en bedrijfszekerheid, zegt Joachim Grillenberger. Momenteel, samen met collega's, hij leidt een project dat Injector 2 nog capabeler zal maken:in 2018 en 2019, nieuwe resonatoren worden geïnstalleerd, en de hele versterkingsketen wordt gemoderniseerd. Als resultaat, de deeltjes worden versneld in een nog kortere tijdspanne en er gaan minder protonen verloren in het versnellingsproces, wat de prestaties van de hele faciliteit ten goede komt. Zo dragen de versnellerexperts ook bij aan de modernisering van de spallatie-neutronenbron SINQ, die afhankelijk is van protonen van de versnellerfaciliteit om zijn neutronen te genereren.