Energieffektiv accelerator var 50 år undervejs

Med introduktionen af ​​CBETA, Cornell-Brookhaven ERL Test Accelerator, Forskere fra Cornell University og Brookhaven National Laboratory følger op på konceptet med energigenvindende partikelacceleratorer, der først blev introduceret af fysiker Maury Tigner ved Cornell for mere end 50 år siden.

CBETA tester to energibesparende teknologier til acceleratorer:energigenvinding og permanente magneter. En energiudvindingslinac (ERL) som CBETA genvinder energien fra en brugt elektronstråle i stedet for at dumpe den efter forsøget. Den genvundne energi bruges til at accelerere den næste stråle af partikler, skaber en elektronstråle, der kan bruges til mange forskningsområder. Strålerne accelereres af Superconducting Radio Frequency (SRF) enheder, en anden energieffektiv teknologi var banebrydende på Cornell.

Ved at bruge permanente magneter, den strøm, der normalt er nødvendig for at styre strålen med elektromagneter, gemmes. Mens energiudvindingslinakker og faste magneter bruges andre steder, aldrig før har en gruppe været i stand til at styre fire partikelstråler med forskellige energier samtidigt ved hjælp af faste magneter gennem en ERL.

Forestil dig fire biler, der kører med forskellige hastigheder omkring et sving. Den involverede fysik er forskellig for hver bil:Man skal dreje usædvanligt hårdt ved en højere hastighed i modsætning til en anden, der kører med en meget lavere hastighed. Dette gælder også for partikler med forskellig energi i strålerøret. Permanente magneter med vekslende gradienter gør det muligt at styre hver partikel med forskellig energi inden for det samme 120 mm brede kammer.

Mens denne metode genbruger energi, det skaber også bjælker, der er meget mere kraftfulde:De er tættere bundet, kan producere lysere og mere sammenhængende stråling, kan have højere strømme, og kan producere større lysstyrke i kollisionsstråleeksperimenter.

"ERL -processen blev opfundet på Cornell University for 50 år siden, og at have sin første demonstration i en multi-turn SRF ERL viser Cornells stærke og vedvarende tradition inden for dette forskningsområde, "sagde Georg Hoffstaetter, Cornell professor i fysik og CBETA -hovedforsker.

Kombination af verdensrekordholdige acceleratorkomponenter konstrueret af Cornell med permanentmagnetteknologien udviklet af det amerikanske energiministerium Brookhaven National Laboratory (BNL), CBETA -samarbejdet har til formål at revolutionere den måde, acceleratorer er bygget på.

Den overordnede mission for CBETA er at udvikle en prototype til eRHIC, en 2,4 kilometer lang elektronion-kollider foreslået at blive bygget på BNL på Long Island, New York.

Omkring to dusin forskere fra BNL og Cornells Laboratory for Accelerator-based Sciences and Education (CLASSE) samarbejder om projektet. De kører indledende tests og forventer at fuldføre installationen af ​​CBETA inden sommeren 2019. De vil teste og idriftsætte prototypen til eRHIC inden foråret 2020.

Mere end 30, 000 acceleratorer er i drift rundt om i verden. Denne prototype ERL har vidtrækkende konsekvenser for biologi, kemi og en lang række andre discipliner. ERL'er er ikke kun overvejet for nukleare og elementære partikelfysiske kolliderere, som i eRHIC og LHeC på CERN i Schweiz, men også som sammenhængende røntgenkilder til grundforskning, industrielle og medicinske formål.

"Eksisterende lineære acceleratorer har overlegen strålekvalitet sammenlignet med store cirkulære acceleratorer, "Sagde Hoffstaeter." Dog, de er overordentlig spildende på grund af at strålen kasseres efter brug og kan derfor kun have en ekstremt lav strøm sammenlignet med ringacceleratorer. Dette begrænser mængden af ​​data, der indsamles under et eksperiment. En ERL som CBETA løser problemet med nærlysskvalitet i ringe og nærlysstrøm i lineære acceleratorer, alt samtidig med at de sparer energi i forhold til deres forgængere. "

De mest komplekse komponenter i CBETA findes allerede på Wilson Lab:DC -elektronkilden, den superledende radiofrekvens (SRF) injektor linac, den vigtigste ERL kryomodul og højeffektstrålestop. De blev designet, konstrueret og bestilt i 10 års National Science Foundation -finansiering.

Sagde Karl Smolenski, ledende ingeniør for Cornell ERL -udvikling:"Hvis vi får succes, vil det være en stor ting for videnskab og industri. Så mange forskellige afdelinger og forskere vil kunne bruge denne teknologi. Det vil også bringe os langt fremme i den konkurrencedygtige verden."