LINAC4

Acercándonos al LHC

LINAC4 brevemente

El objetivo del Linac4 (160 MeV) es reemplazar el Linac2 (50 MeV) como inyector en el PS Booster (PSB). El nuevo linac permitirá incrementar la intensidade del haz de protones en el PSB en un factor de 2, haciendo posible una mejora en la inyección en el LHC, y por tanto un incremento de la luminosidad de este Gran Colisionador de Hadrones.

El proceso de reemplazo del acelerador Linac2 por el Linac4 está planeado durante la larga parada del LHC en 2019-20. Se trata de un importante hito en el proyecto de incrementar la luminosidad del LHC en la nueva década.

Linac4 está localizado nun túnel a 12 metros de profundidad conectado al PSB mediante una línea de transrferencia. 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 ocurre en el LINAC2, que es, en el presente, la primera etapa en la cadena de aceleración del LHC. Realmente, siendo más precisos, el linac no es exactamente la primera etapa, pues se necesit una fuente de partículas cargadas y un sistema de inyección que introduzca esas partículas en el linac. 

En lugar de crear protones desde átomos de H, podemos añadir electrón obteniendo un ión hidruro H-. Todo comienza extrayendo el electrón del H que será dirigido 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 H-.

Fuente de ions H- 


Dada la carga negativa del ión hidruro salen repelidos de la superficie del cátodo para ser extraídos finalmente de la fuente de iones en pulsos de  400 μs, formándose un haz del que se retiran los electróns (que fueron previamente extraidos en la etapa de formación de los protones) utilizando un pequeño imán que separa los dos tipos de especias negativas (ey H-) por ser de muy diferente masa.

Los ions H- salen de esta fuente con una energía de 45 keV, y a través de la línea del LINAC4 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)], adquirirán 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 cudarupolos 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 protones. Una nueva remesa de H- llegan del Linac4 para repetir el proceso. Desta maneira máis partículas son acumuladas nos paquetes de protóns, sendo máis eficientes que os Linac2.

Linac 4 está progamado para convertirse en la fuente de protones para el Large Hadron Collider despuéss de la larga parada técnica en 2017-18. Este eso el primer paso en el proyecto de incremento de luminosidad del LHC en la próxima década. 


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

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  ("Juan de la Cierva", Spanish Postdoctoral Junior 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). Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).

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