Fastfeltaccelerator transporterer flere partikelstråler ved en lang række energier gennem et enkelt strålerør

En avanceret partikelaccelerator designet af det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory kunne reducere omkostningerne og øge alsidigheden af ​​faciliteter til fysikforskning og kræftbehandling. Den bruger letvægts, 3D-trykte rammer til at indeholde blokke af permanente magneter og en innovativ metode til finjustering af magnetfeltet til at styre flere stråler ved forskellige energier gennem et enkelt strålerør.

Med dette design, fysikere kunne accelerere partikler gennem flere faser til højere og højere energier inden for en enkelt magnetring, i stedet for at kræve mere end en ring for at opnå disse energier. I medicinske omgivelser, hvor partikelstrålernes energi bestemmer, hvor langt de trænger ind i kroppen, læger kunne lettere levere en række energier til at zappe en tumor i hele dens dybde.

Forskere tester en prototype af den kompakte, omkostningseffektivt design ved Brookhaven's Accelerator Test Facility (ATF)-en DOE Office of Science User Facility-siger, at det kom igennem med glans. Farvekodede billeder viser, hvordan en række elektronstråler accelererede til fem forskellige energier med succes passerede gennem den fem fod lange kurve af magneter, hvor hver stråle sporer en anden vej inden for det samme bjælkerør med en diameter på to tommer.

"For hvert af fem energiniveauer, vi injicerede strålen på den 'ideelle' bane for den energi og scannede for at se, hvad der sker, når den er lidt uden for den ideelle bane, "sagde Brookhaven Lab -fysikeren Stephen Brooks, hovedarkitekt for designet. Christina Swinson, en fysiker ved ATF, styrede strålen gennem ATF -linjen og Brooks 'magnetmontering og spillede en væsentlig rolle i afviklingen af ​​eksperimenterne.

"Vi designede disse eksperimenter for at teste vores forudsigelser og se, hvor langt væk du kan gå fra den ideelle indgående bane og stadig få strålen igennem. For det meste, al den stråle, der gik ind, kom ud i den anden ende, "Sagde Brooks.

Bjælkerne nåede energier mere end 3,5 gange det, der tidligere var opnået i en lignende accelerator fremstillet af betydeligt større elektromagneter, med en fordobling af forholdet mellem de højeste og laveste energistråler.

"Disse tests giver os tillid til, at denne acceleratorteknologi kan bruges til at bære bjælker med en lang række energier, "Sagde Brooks.

Ingen ledninger kræves

De fleste partikelacceleratorer bruger elektromagneter til at generere de kraftfulde magnetfelter, der kræves for at styre en stråle af ladede partikler. At transportere partikler af forskellige energier, forskere ændrer magnetfeltets styrke ved at rampe op eller ned af den elektriske strøm, der passerer gennem magneterne.

Brooks 'design bruger i stedet permanente magneter, den slags, der forbliver magnetiske uden elektrisk strøm - som dem, der klæber til dit køleskab, kun stærkere. Ved at arrangere forskelligt formede magnetblokke til at danne en cirkel, Brooks skaber et fast magnetfelt, der varierer i styrke på tværs af forskellige positioner inden for den centrale blænde i hvert donutformet magnetarray.

Når magneterne er opstillet ende-til-ende-lignende perler på en halskæde for at danne en buet bue-som de var i ATF-eksperimentet med bistand fra Brookhavens opmålingsteam til at opnå præcisionsjustering-flytter højere energipartikler sig til den stærkere del af Mark. Vekslende feltretninger for sekventielle magneter holder partikler svingende langs deres foretrukne bane, når de bevæger sig gennem buen, uden behov for strøm til at rumme partikler af forskellige energier.

Ingen elektricitet betyder mindre understøttende infrastruktur og lettere drift-hvilket alle bidrager til det betydelige omkostningsbesparelsespotentiale ved denne ikke-skalering, fast felt, vekselgradient accelerator teknologi.

Forenklet design

Brooks arbejdede sammen med George Mahler og Steven Trabocchi, ingeniører i Brookhavens Collider-Accelerator-afdeling, at samle de vildledende enkle, men kraftfulde magneter.

Først brugte de en 3D-printer til at lave plastrammer til at holde de formede magnetblokke, som brikker i et puslespil, omkring den centrale blænde. "Forskellige størrelser, eller bloktykkelser, og magnetismens retninger tillader et tilpasset felt inden i blændeåbningen, "Sagde Brooks.

Efter at kloderne blev banket ind i rammerne med en hammer for at skabe en grov samling, John Cintorino, en tekniker i Labs magnetafdeling, målte feltets styrke. Holdet finjusterede derefter hver samling ved at indsætte forskellige længder af jernstænger i hele 64 positioner omkring en anden 3-D-printet patron, der passer inden for magnetringen. Et beregningsprogram, Brooks skrev, anvender de grove forsamlingsfeltstyrkemålinger til at bestemme præcist, hvor meget jern der går i hver spalte. Han arbejder også i øjeblikket på en robot til at tilpasse og indsætte stængerne.

Finjusteringen i slutfasen "kompenserer for eventuelle fejl ved bearbejdning og positionering af magnetblokkene, "Brooks sagde, forbedring af feltkvaliteten 10 gange over den grove samling. De sidste magnets egenskaber matcher eller endda overgår egenskaberne for sofistikerede elektromagneter, som kræver meget mere præcis teknik og bearbejdning for at skabe hvert enkelt stykke metal.

"Det eneste højteknologiske udstyr i vores setup er den roterende spole, vi bruger til at udføre præcisionsmålingerne, " han sagde.

Ansøgninger og næste trin

Den lette, kompakte komponenter og forenklet betjening af Brooks 'permanent magnetstråle transportlinje ville være "en dramatisk forbedring i forhold til hvad der i øjeblikket er på markedet for levering af partikelstråler i kræftbehandlingscentre, "sagde Dejan Trbojevic, Brooks 'vejleder, der har flere patenter på designs til partikelterapi portaler.

En portal er den buede strålelinje, der leverer kræftdræbende partikler fra en accelerator til en patient. I nogle partikelterapifaciliteter kan portalen og den understøttende infrastruktur veje 50 tons eller mere, besætter ofte en specialkonstrueret fløj på et hospital. Trbojevic vurderer, at en portal, der anvender Brooks 'kompakte design, kun ville veje et ton. Det ville sænke omkostningerne ved opførelsen af ​​sådanne faciliteter.

"Plus uden behov for elektricitet [til magneterne] for at ændre feltstyrker, det ville være meget lettere at betjene, "Sagde Trbojevic.

Evnen til hurtigt at accelerere partikler til højere og højere energiniveauer inden for en enkelt acceleratorring kan også sænke omkostningerne ved foreslåede fremtidige fysikforsøg, herunder en muon -kollider, en neutrino -fabrik, og en elektron-ion-kollider (EIC). I disse tilfælde, yderligere acceleratorkomponenter ville øge strålerne til højere energi.

For eksempel, Brookhaven-fysikere har samarbejdet med fysikere ved Cornell University om et lignende fastfeltdesign kaldet CBETA. Det projekt, udviklet med finansiering fra New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), er en lidt større version af Brooks 'maskine og indeholder alle acceleratorkomponenter til at bringe elektronstråler op til de energier, der kræves for en EIC. CBETA bremser også elektroner, når de først er blevet brugt til eksperimenter til at genvinde og genbruge det meste af energien. Det vil også teste stråler med flere energier på samme tid, noget Brooks 'princip-princip-eksperiment ved ATF ikke gjorde. Men Brooks 'succesrige test styrker tilliden til, at CBETA -designet er forsvarligt.

"Alle i Brookhavens Collider-Accelerator-afdeling har støttet dette projekt meget, sagde Trbojevic, Brookhavens hovedundersøger på CBETA.

Som Collider-Accelerator afdelingsformand Thomas Roser bemærkede, "Alle disse bestræbelser arbejder mod avancerede acceleratorkoncepter, der i sidste ende vil gavne videnskaben og samfundet som helhed. Vi ser frem til det næste kapitel i udviklingen af ​​denne teknologi."