LINAC4

Acercándonos al LHC

LINAC4 brevemente

Linac4 (160 MeV), es la primera etapa en la cadena de aceleración del LHC, sustituyendo, al Linac 2 (50 MeV) como inyector del PS Booster (PSB). Este acelerador lineal de 86 metros incrementa la intensidad del beam de protones en el PSB en un factor 2, lo que da lugar a un aumento significativo de la luminosidad del LHC.

Inaugurado en mayo de 2017 después de dos décadas de diseño y construcción, Linac4 fue conectado al PSB en 2019 al comienzo del Long Shutdown 2 y ya estuvo en operación para experimentos de física de partículas en 2021.

En definitiva, Linac 4 reemplazó al Linac2 como fuente de haces de protones para los experimentos del CERN , y  es por tanto la primera etapa en la cadena de aceleradores del LHC (ver más en CERN Courier).

 

Linac 4 está localizado nun túnel a 12 metros de profundidad conectado al PSB mediante una línea de transferencia. El edificio en superficie alberga el equipamiento de Radio Frecuencia, los suministros de potencia eléctrica, los dispositivos electrónicos y otras infraestructuras.

Bombona de Hidrógeno

Un átomo de Hidrógeno contiene un protón y un electrón. Podemos arrancar ese electrón y acelerar el protón que constituye el núcleo de ese átomo. Precisamente, ésto es lo que ocurría en el LINAC2 cuando este acelerador lineal era la primera etapa en la cadena de aceleración del LHC. Realmente, siendo más precisos, el linac no es exactamente la primera etapa, pues se necesita una fuente de partículas cargadas y un sistema previo de inyección que introduzca esas partículas en el linac. 

En lugar de crear protones desde átomos de H, podemos añadir electrones obteniendo un ión hidruro H-. Todo comienza extrayendo el electrón del H, siendo dirigido el  H+ obtenido hacia un cátodo que contiene Cesio (un átomo con baja energía de ionización). Esto hace que el protón acabe por atraer a dos elctrones formándose así el ion hidruro, H-.

Fuente de ions H- 


Dada su carga negativa, el ión hidruro sale repelidos de la superficie del cátodo para ser extraídos finalmente de la fuente de iones en pulsos de 400 μs, formándose un haz de estos iones.  Utilizando un pequeño imán se separan los H- de los e- (que fueron previamente extraidos en la etapa de formación de los protones), por ser de muy diferente masa.

Los iones H- salen de esta fuente con una energía de 45 keV, y a través de la línea del Linac 4 de 86 m [Radio Frequency Quadrupole, Chopper line, un Alvarez Drift Tube Linac (DTL), Cell-Coupled Drift Tube Linac (CCDTL) y el Pi-mode structure (PIMS)], adquieren 160 MeV de enerxía final.

LINAC4 - 3 MeV BEAM LINE


 

LINAC4 -  BEAM LINE


Básicamente, el Linac4 trabaja de la misma manera que un acelerador lineal convencional. Usa cavidades de Radio Frecuencia (RF) donde se cargan conductores cilíndricos. Los iones pasan a través de los dispositivos conductores que cambian alternativamente de positivo a negativo, siendo la frecuencia de cambio de 352,2 MHz. Primero atraen a los ions negativos (H-) y a continuación los repelen impulsándolos hacia adelante. Pequeños cuadrupolos magnéticos aseguran que estos iones formen haces compactos. Según las partículas se acercan a la velocidad de la luz su energía se va convirtiendo en masa.

La arquitectura básica del Linac4 es mostrada a continuación:


Los iones H- llegan al PSB y se unen a los protones que ya circulan en este primer acelerador circular, formando paquetes compactos. Después, los dos electrones que conforman el ion hidruro son extraidos mediante una delgada hoja de carbón para que todo el haz que gira en el PSB esté formado solo por protones. Una nueva remesa de H- llegan del Linac4 para repetir el proceso. 

Por tanto, a los protones circulantes en el PSB se les unirán más iones de hidrógeno cargados negativamente, que sufrirán el mismo proceso. Al entrelazar repetidamente iones negativos y positivos, los científicos pueden crear bunches de protones muy compactos. Un haz de protones más compacto significará más colisiones de partículas por segundo. Es decir, más partículas son acumuladas en los paquetes de protones, siendo todo mucho más eficiente de lo que lo era con el Linac2.


Algo de Física en el LINAC4...


 

Los principales parámetros del Linac4 son:


Ion 

H-

Energía de salida

160 MeV

Radio Frecuencia 

352.2 MHz

Ritmo de repetición de pulsos

2 Hz

Duración del pulso 

400 microsec

Esquema del "chopping"

222/133 paquetes transmitidos/buckets vacíos

Corriente media del pulso

40 mA

Potencia del haz

5.1 kW

N. particulas por pulso

1.0·1014

N. particulas por paquete

1.14·109

Emitancia transversal del haz

0.4 pmm mrad (rms)

 


Calculemos la potencia del haz:

(Nº Partículos por pulso) x (Energía de salida) 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

Ahora calculemos la Corriente media del pulso:

(Nº Partículas por pulso) x (Carga eléctrica/partícula) / (Duración del pulso)

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

Corriente media del pulso = 0,04 A = 40 mA


(Nuestro especial agradecimiento a MAURIZIO VRETENAR - LINAC4 Project Leader )

Más información:

LINAC4 PROJECT

STATUS OF LINAC4, Nov 2013 

LINAC4 ISWP review, Nov 2013

LINAC4 COMPLETADO May 2017

LHC Run 3: the final countdown 2022

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) por la Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics en el CERN, desde enero de 2013 a diciembre de 2015. Actualmente está en el Depto de Física de Partículas de la USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Fïsica y Química en el IES de SAR (Santiago - España), y Profesor Asociado en el Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentales de la Facultad de Educación de la Universidad de Santiago (España), hasta su retiro en 2020. Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).

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Toda la Bibliografía que ha sido consultada para esta Sección está indicada en la Sección de Referencias


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

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