science >> Wetenschap >  >> Fysica

Super Proton Synchrotron krijgt een nieuwe bundeldump

De afscherming van de beam dump wordt gemonteerd. Krediet:Maximilien Brice/CERN

Tegen het einde van de tweede lange uitschakeling (LS2) van het acceleratorcomplex van CERN, rond de bundellijn van de Super Proton Synchrotron (SPS) komt een negen meter lang object met enkele honderden tonnen afscherming. Maar dit voorwerp, de langste afzonderlijke component van de SPS, is geen gewone. Het bevat de nieuwe beamdump van de SPS, ontworpen om bundels deeltjes te absorberen waarvan de vlucht door de SPS moet worden beëindigd. Diep in het complexe apparaat zitten de eigenlijke absorberende elementen van de stortplaats, met grafiet, molybdeen en wolfraam. Deze kern wordt omhuld met lagen beton, gietijzeren afscherming (groen geverfd volgens de kleurenschema's van CERN) en marmer. De nieuwe bundeldump zal helpen bij het absorberen van deeltjesbundels met een breed scala aan energieën - van 14 tot 450 GeV - en wordt gebouwd als onderdeel van het LHC Injectors Upgrade-project (LIU).

Zoals besproken in een eerder LS2-rapport, de oude bundeldump van de SPS - die zich op punt 1 van de ring van het gaspedaal bevindt - wordt vervangen door een nieuwe op punt 5, ter voorbereiding op de High-Luminosity LHC (HL-LHC). Omdat het oudere object niet in staat zou zijn om de hogere bundelintensiteiten aan te kunnen die nodig zijn voor de HL-LHC, die in 2026 online zal komen, het SPS-team besloot vijf jaar geleden om een ​​nieuwe stortplaats te bouwen met de benodigde eigenschappen. Het herontwerp was nodig omdat de hogere intensiteiten ertoe zullen leiden dat de stortplaats in de loop van zijn levensduur veel grotere mechanische krachten ondergaat, waardoor een robuuster apparaat nodig is dan voorheen.

"We hebben overwogen om een ​​externe stortplaats buiten de SPS-tunnel te bouwen, vergelijkbaar met die van de LHC, " legt Etienne Carlier uit, van de technologieafdeling van CERN. "Maar het grote dynamische bereik van de SPS-stralen maakt het onmogelijk om de verschillende stralen met één systeem te extraheren. Dus hebben we besloten om een ​​interne dump te gebruiken, dat deel uitmaakt van de SPS zelf." Het bouwen van deze beam dump is een van de belangrijkste taken in het kader van het LIU-project en ongeveer 125 meter van de SPS-tunnel zal hiervoor worden aangepast. Er zijn verschillende uitdagingen onderweg, met inbegrip van de vereiste specifieke infrastructuur, inclusief nieuwe kickermagneten, een optisch systeem om de straalpositie en koel- en ventilatiesystemen te bewaken.

De kickers die zich voor de straaldump van een versneller bevinden, zijn verantwoordelijk voor het afbuigen van de straal van zijn gebruikelijke pad en het in het dumpblok vegen. Op een precies moment, ze moeten daarvoor geschikte elektromagnetische pulsen genereren in de verticale en horizontale vlakken. Het verticale kickersysteem genereert een puls tot 650 MW tijdens één SPS-revolutie met behulp van het krachtigste pulsvormende netwerk dat bij CERN is gebouwd. Het maakt gebruik van twee nieuw ontwikkelde redundante 36 kV solid-state schakelaars, die parallel zal werken voor machinebescherming, om de opgeslagen energie naar de magneet over te dragen. "De kicker buigt en verdunt de straal op een zodanige manier dat deze kan worden geabsorbeerd langs de lengte van de stortkern, " merkt Carlier op. "En omdat het de straal altijd onder dezelfde hoek moet afbuigen, onafhankelijk van de straalenergie, de ladingsopbouw in de condensatorbank is evenredig met de energie van de circulerende bundels."

De kicker-switch. Krediet:CERN

SPS-operators moeten weten of balken correct worden gestort of niet, door hun vorm en distributie te observeren wanneer ze het stortvolume binnenkomen. "We hebben deze informatie nodig, zodat we weten dat de stortplaats een uniform warmteprofiel heeft wanneer de balken erin komen, ", zegt Carlier. Het profiel van de balk wordt vastgelegd door middel van een scherm dat in het pad van de te storten balken wordt geplaatst, als onderdeel van het "Beam Instrumentation TV"-systeem. Dit ingewikkelde systeem is gemaakt van een 17 m lange optische lijn met vijf hoogwaardige spiegels die het straalbeeld van het scherm overbrengen naar een goed afgeschermde camera die zich buiten de bundeldump bevindt, die de operators in realtime op afstand kunnen volgen.

De beam dump zal een speciale vacuümsector hebben die de hele structuur omringt. De kern zelf is omgeven door koperen afscherming en wordt watergekoeld, terwijl luchtventilatie niet alleen helpt bij koeling, maar er ook voor zorgt dat geen van de lucht wordt geactiveerd door de straling van de kern. Na LS2 de stortplaats wordt uitgebakken in de tunnel voordat de SPS straal ontvangt, het verhitten van het grafiet waaruit de stortkern bestaat tot 200 °C. Vervolgens, tijdens de werking van de machine, het stortblok zal door de botsende balken tot hogere temperaturen worden verwarmd en de druk binnen het stort zal tijdelijk toenemen totdat de blokken zijn geconditioneerd.

De voorbereidingen om de gigantische structuur te huisvesten zijn aan de gang in de ondergrondse grotten en tunnels waar de SPS zit, en de stortplaats zelf krijgt vorm aan de oppervlakte. Het abutment waarop de beam dump zal zitten, wordt geassembleerd in de grot die bekend staat als ECX5, waar ooit de UA1-detector werkte. Dit abutment moet gemaakt zijn van een speciaal beton, met extreem lage niveaus van kobalt en europium. Deze elementen worden gemakkelijk geactiveerd door straling en zouden daarom lang warm blijven. Het vermijden ervan brengt hoge kosten met zich mee, maar zorgt ervoor dat het abutment tijdens de levensduur van de stortplaats niet te veel straling absorbeert. De basis van het abutment wordt op de grond bevestigd, terwijl de laag net onder de stortplaats zal bestaan ​​uit verplaatsbare betonblokken.

De civieltechnische werkzaamheden duren naar verwachting tot eind dit jaar, waarna de balkdump begint te worden gemonteerd in de daarvoor bestemde verblijfplaats. Gedurende de resterende maanden van LS2 de beamdump en zijn diensten worden klaargemaakt voor de balken die in 2021 zullen aankomen, terwijl de LHC aan zijn derde run begint.