Køleteknik hjælper forskere med at målrette en vigtig komponent til en ny kollider

Selvom meget tid og kræfter i partikelfysik er afsat til at finde måder at øge energien i visse eksperimenter, nogle gange er det endnu vigtigere at finde måder til sikkert, hurtigt og let fjerne energi fra et eksperiment.

Forskere ved US Department of Energy's (DOE's) Argonne National Laboratory har for nylig udviklet en ny glidekontaktmekanisme med ultra lav friktion, der bruger kølet vand til at fjerne varme fra en nøglekomponent i en næste generations kollider.

"Når du tænker på at køre bil, du skal bruge friktion for at bremse dine hjul, "sagde Wei Gai, en Argonne højenergifysiker og leder af Argonne Wakefield Accelerator-gruppen. "For os, den centrale udfordring var at finde en måde at få en bremselignende kontakt mellem metalbelægninger mod et højhastighedshjul uden megen friktion. "

I de sidste to år, Gai og hans kolleger har forsøgt at samle en fungerende prototype til en nøglekomponent i den foreslåede fremtidige International Linear Collider (ILC). Denne enhed, kaldet et "positronmål, "ville sætte forskere i stand til at producere positroner, elektronens antimaterie søskendepartikel.

På ILC, en 20 til 30 kilometer lang maskine, der overvejes af Japan, forskere ville kollidere elektroner og positroner med hinanden, og de resulterende energiske partikeludslettelser kunne kaste lys over en række uløste spørgsmål i fysikken, der spænder fra ukendte dimensioner til kandidater til mørkt stof.

"Prioritet nummer et for ILC har været at få en pålidelig kilde til polariserede positroner, "Sagde Gai. Selvom positronerne ikke er polariseret af målet - det gøres i et separat trin - at have en pålidelig positronkilde er et stort skridt fremad.

Positroner skabes, når en meget energisk foton - kaldet en gammastråle - kommer i nærheden af ​​en atomkerne. Derefter, i en proces kendt som parproduktion, energien i fotonen omdannes spontant til en elektron og en positron.

"For nogle mennesker, det ser ud til at universet gør noget ud af ingenting, "sagde Argonne elingeniør Wanming Liu." Men Einstein viste, at energi og masse kan omdannes til hinanden, så længe den indkommende foton har nok energi, du kan skabe en positron og en elektron sammen. "

At skabe og indsamle disse positroner, imidlertid, har ikke været nogen let opgave. Først, gammastrålestrålen, der er nødvendig for at skabe positronerne, virker lidt som en intens og fokuseret lommelygte og vil i det væsentlige brænde lige igennem alt, der er tilbage på sin vej for længe.

For at håndtere dette problem, forskerne lavede først et titaniumlegeringsfælge med en diameter på cirka tre fod og en halv tomme tyk. Den indkommende gamma-stråle ville ramme et sted mod yderkanten af ​​hjulet, får det til at varme op, da det genererer positron-elektronpar. Elektronerne og overskydende gammastråler ville blive dumpet ud, mens positronerne ville blive høstet gennem magnetisk styring.

For at forhindre skader på hjulet ved langvarig eksponering på et enkelt sted, forskerholdet designede en måde at dreje hjulet hurtigt - med cirka 220 miles i timen - og konstant ændre det sted, hvor strålen ramte hjulet.

Selvom dette løste et problem i udformningen af ​​et positronmål, den virkelige udfordring involverede at fjerne varmeenergien fra hjulet. Fordi positronerne skal fanges og fremskyndes i et vakuum, og fordi den indkommende gammastråle kan brænde igennem alt, der står i vejen for længe, forskerne havde brug for at betjene målet i et ultrahøjt vakuummiljø. Arbejde i et vakuum, imidlertid, betød, at de ikke kunne sprede varme til det omgivende miljø, så de havde brug for en anden løsning.

Svaret, de fandt - ledning - ville være kendt for alle, der nogensinde har følt en anden persons kolde fødder midt om natten. Ved at sætte overfladen af ​​en kølepude belagt med et tyndt lag wolframdisulfid eller lignende tørre smøremidler direkte i kontakt med det roterende hjul, forskerne fandt ud af, at de kunne suge varmeenergi ud af systemet, forhindrer målet i at blive overophedet eller på anden måde blive beskadiget. Kølepuden indeholder et kammer fyldt med kølet vand, der løbende kan genopfyldes uden for det vakuumforseglede apparat.

"Vores gennembrud var virkelig tredobbelt:at vi var i stand til at finde en måde at generere positroner på, at vi kunne fjerne energi fra systemet, og at vi var i stand til at betjene enheden i en længere periode, " sagde Gai.

Ifølge Gai, den næste fase af forskningen indebærer at betjene positronmålet kontinuerligt i en periode på cirka syv eller otte måneder for at sikre, at maskinen kunne holde til under belastningerne af en længere periode med eksperimentelle undersøgelser. Det endelige design blev afsluttet af Argonne -ingeniøren Scott Doran.

"Fordi ILC repræsenterer en så stor international investering, vi skal sørge for, at alt er testet, tjekket ud og klar til at gå så meget som muligt på forhånd, " sagde Gai.