I slutet av den andra långa avstängningen (LS2) av CERNs acceleratorkomplex, ett nio meter långt föremål med flera hundra ton skärmning kommer att installeras runt strållinjen på Super Proton Synchrotron (SPS). Men detta föremål, den längsta enskilda komponenten i SPS, är ingen vanlig. Den innehåller den nya stråldumpen för SPS, utformad för att absorbera strålar av partiklar vars flygning genom SPS måste avslutas. Djupt inuti den komplexa enheten kommer de faktiska absorberande delarna av soptippen att sitta, innehållande grafit, molybden och volfram. Denna kärna kommer att mantlas i lager av betong, gjutjärnsskärmning (målad grön enligt CERNs färgsättningar) och marmor. Den nya stråldumpen kommer att hjälpa till att absorbera partikelstrålar med ett brett spektrum av energier – från 14 till 450 GeV – och byggs som en del av LHC Injectors Upgrade (LIU)-projektet.

Som diskuterats i en tidigare LS2-rapport, den gamla stråldumpen för SPS – placerad vid punkt 1 på gaspedalens ring – ersätts av en ny vid punkt 5, som förberedelse för High-luminosity LHC (HL-LHC). Eftersom det äldre objektet inte skulle kunna klara de högre strålintensiteterna som behövs för HL-LHC, som kommer online 2026, SPS-teamet beslutade för fem år sedan att bygga en ny soptipp med de egenskaper som krävs. Omdesignen behövdes eftersom de högre intensiteterna kommer att resultera i att soptippen utsätts för mycket större mekaniska krafter under loppet av sin livstid, kräver en mer robust enhet än tidigare.

"Vi övervägde att bygga en extern soptipp utanför SPS-tunneln, liknande den som LHC har, " förklarar Etienne Carlier, från CERNs teknologiavdelning. "Men det stora dynamiska omfånget för SPS-balkarna gör det omöjligt att extrahera de olika strålarna med ett system. Så vi bestämde oss för att använda en intern dump, som är en del av själva SPS." Att bygga den här stråldumpen är en av de viktigaste uppgifterna inom ramen för LIU-projektet och cirka 125 meter av SPS-tunneln kommer att modifieras för att rymma den. Det finns flera utmaningar på vägen, involverar den dedikerade infrastruktur som krävs, som inkluderar nya kicker-magneter, ett optiskt system för att övervaka strålens position och kyl- och ventilationssystem.

De kickers som är placerade före en accelerators stråldump är ansvariga för att avleda strålen från dess vanliga bana och svepa in den i dumpblocket. I ett exakt ögonblick, de behöver generera lämpliga elektromagnetiska pulser i vertikala och horisontella plan för att göra det. Det vertikala kickersystemet genererar en puls på upp till 650 MW under ett SPS-varv med hjälp av det mest kraftfulla pulsbildande nätverket byggt på CERN. Den använder två nyutvecklade redundanta 36 kV halvledarswitchar, som kommer att fungera parallellt för maskinskydd, för att överföra den lagrade energin till magneten. "Kickern avleder och späder ut strålen på ett sådant sätt att den kan absorberas längs med dumpkärnan, ", konstaterar Carlier. "Och eftersom den alltid måste avleda strålen i samma vinkel oberoende av strålenergin, laddningsuppbyggnaden i kondensatorbanken är proportionell mot energin hos de cirkulerande strålarna."

SPS-operatörer behöver veta om strålar dumpas korrekt eller inte, genom att observera deras form och fördelning när de kommer in i dumpningsvolymen. "Vi behöver ha den här informationen så att vi vet att soptippen har en enhetlig värmeprofil när strålarna kommer in i den, " säger Carlier. Strålprofilen kommer att spelas in med hjälp av en skärm som kommer att installeras i vägen för strålarna som dumpas, som en del av systemet "Beam Instrumentation TV". Detta komplicerade system är gjort av en 17 m lång optisk linje med fem högkvalitativa speglar som överför strålbilden från skärmen till en väl avskärmad kamera placerad utanför stråldumpen, som operatörerna kan övervaka på distans i realtid.

Stråldumpen kommer att ha en dedikerad vakuumsektor som omger hela strukturen. Själva kärnan är omgiven av kopparskärmning och kommer att vara vattenkyld, medan luftventilation inte bara hjälper till med kylning utan kommer också att säkerställa att ingen av luften aktiveras av strålningen från kärnan. Efter LS2, tippen kommer att bakas ut i tunneln innan SPS tar emot strålen, uppvärmning av grafiten som utgör dumpkärnan till 200 °C. Sedan, under maskindrift, tippblocket kommer att värmas upp till högre temperaturer av de stötande strålarna och trycket i tippen kommer tillfälligt att öka tills blocken är konditionerade.

Förberedelser för att hysa den gigantiska strukturen pågår i de underjordiska grottor och tunnlar där SPS sitter, och själva soptippen tar form på ytan. Distancen som stråldumpen kommer att sitta på håller på att monteras i grottan som kallas ECX5, där UA1-detektorn en gång fungerade. Denna distans måste vara gjord av en speciell betong, som innehåller extremt låga halter av kobolt och europium. Dessa element aktiveras lätt av strålning och skulle därför hålla sig varma under lång tid. Att undvika dem kommer till en hög kostnad men säkerställer att distansen inte absorberar för mycket strålning under loppet av soptippens livstid. Distansens bas kommer att fästas vid marken, medan lagret strax under tippen kommer att bestå av rörliga betongblock.

Anläggningsarbetet beräknas pågå till slutet av detta år, varefter balkdumpen börjar monteras i sin avsedda bostad. Under de återstående månaderna av LS2, balkdumpen och dess tjänster kommer att göras redo för balkarna som kommer 2021, när LHC börjar sin tredje körning.