Høj spænding til partikelaccelerator i morgen

På vegne af CERN, forskere ved ETH Zürich har udviklet en højteknologisk enhed til fremstilling af ekstremt præcise, højspændingsimpulser, der kunne bruges i den næste generation af partikelacceleratorer.

Den mest kendte anvendelse af højspændingsimpulser er i elektriske hegn på gårde. Imidlertid, partikelacceleratorer i store forskningsfaciliteter som CERN i Genève er også afhængige af højspændingspulsgeneratorer-men disse producerer pulser med meget højere energier og spændinger end dem, der bruges i landbrugshegn. Forberedende arbejde pågår i øjeblikket på CERN til det næste store forskningsprojekt fra 2025. Et af to potentielle projekter er opførelsen af ​​en 50 kilometer lang lineær accelerator i en tunnel, der løber fra Nyon til Rhônedalen kløften nær Bellegarde i Frankrig (CLIC projekt, se boks). Forskere ved ETH Zürich har udviklet en pulsgenerator, der kræves til denne accelerator inden for rammerne af en samarbejdsaftale med CERN. For få dage siden, prototyper blev leveret til CERN, hvor de nu vil blive sat igennem deres skridt.

Pulsgeneratoren, som fylder cirka tre kubikmeter, producerer pulser på 180, 000 volt fra 400 volt offentlig strømforsyning, som varer præcis 140 milliontedele af et sekund. For at sikre, at den offentlige strømforsyning er jævnt belastet og ikke forstyrres af spidsimpulser, 8 store og næsten 200 små kondensatorer (midlertidige energilagringsenheder) i pulsgeneratoren oplades og aflades kontinuerligt 50 gange i sekundet. En specialudviklet transformer sikrer, at den nødvendige udgangsspænding opnås så hurtigt og effektivt som muligt.

Flere hundrede accelerationstrin

Det potentielle fremtidige store forskningsprojekt på CERN vil omfatte acceleration af elektroner og positroner (elektronantipartikler). "Denne acceleration vil finde sted i en klystron, som er afhængig af højspændingsimpulser leveret af pulsgeneratoren, "forklarer Jürgen Biela, Professor i elektroniske systemer med høj effekt ved ETH Zürich. De 140 mikrosekunder lange impulser bruges i klystronen til at producere et meget højfrekvent vekselfelt. Elektroner eller positroner accelereres i dette skiftefelt.

Hvis CLIC -acceleratoren er bygget, over tusind klystroner vil være påkrævet for at accelerere elektroner og positroner i etaper, indtil de nærmer sig lysets hastighed. Hver klystron ville blive drevet af sin egen pulsgenerator.

Realtidsmåling for maksimal effektivitet

En af de største udfordrere for ETH -forskerne var at bygge pulsgeneratoren på en sådan måde, at de producerede pulser alle er lige lange og lige store med en relativ tolerance på højst et hundrede tusindedel. Ud over dette, CERN specificerede, at spændingen for hver puls skulle hoppe fra 0 volt til 180, 000 volt og tilbage igen ekstremt hurtigt. For at opnå dette, enheden måler den nuværende strøm hundrede tusinde gange i sekundet og styrer den i realtid.

"Hvis pulshoppet var langsommere, mere ubrugt strøm ville blive overført til klystron, hvilket ville reducere pulsgeneratorens energieffektivitet, "forklarer Sebastian Blume. Under sin doktorgradsundersøgelse i Bielas laboratorium, han spillede en central rolle i udviklingen af ​​pulsgeneratoren. Effektiviteten er derfor en central faktor, da udstyret bruger relativt høje energimængder:En pulsgenerators effekt er mere end hundrede gange kraften i en vaskemaskine eller stor støvsuger.

ETHs professor Biela har allerede spillet en central rolle i udviklingen af ​​pulsgeneratorer til SwissFEL, synkrotronstrålingskilden, der startede driften for et par måneder siden på Paul Scherrer Institute, som en del af et fælles projekt med det schweiziske elektroteknikfirma Ampegon.

Lineær accelerator eller større ringaccelerator?

Det forventes, at LHC (Large Hadron Collider) partikelacceleratoren ved CERN vil køre indtil 2035 eller 2040. Ud over dette, diskussionerne er i øjeblikket fokuseret på to mulige forskningsprogrammer i stor skala, der konkurrerer med hinanden. CERN skal beslutte, hvilken der skal installeres inden for de næste tre år.

CLIC-projektet (Compact Linear Collider) bruger en 50 kilometer lang tunnel til at accelerere elektroner fra den ene ende og positroner fra den anden til midten af ​​tunnelen, hvor de kolliderer med hinanden. Ved at bruge denne type lineær accelerator kan elementære partikler som Higgs-bosonen måles meget mere nøjagtigt, end det er muligt i øjeblikket med LHC, eller ville være muligt med det andet fremtidige projekt, der diskuteres, FCC (Future Circular Collider).

En accelerationsring med en omkreds på 80 til 100 kilometer diskuteres i øjeblikket for FCC -projektet. Til sammenligning, LHC har en omkreds på 27 kilometer. Kollisionsenergien i FCC ville være syv gange større end den, der opnås i LHC. Sammenlignet med CLIC -projektet, dette har den fordel, at det ville give en bedre platform for opdagelsen af ​​nye fundamentale effekter og partikler.