Konkrete applikationer til acceleratorvidenskab

Partikelacceleratorer er motorerne i partikelfysisk forskning hos Fermilab. De genererer næsten lyshastighed, subatomare partikler, som forskere studerer for at komme til bunds i, hvad der får vores univers til at tikke. Fermilab-eksperimenter er afhængige af en række forskellige acceleratorer, herunder en kraftfuld, 500 fod lang lineær accelerator, der kickstarter processen med at sende partikelstråler til forskellige destinationer.

Men hvis du ikke laver fysikforskning, hvad er en speeder god til?

Det viser sig, ret meget:Elektronstråler genereret af lineære acceleratorer har alle mulige praktiske anvendelser, såsom at gøre de ledninger, der bruges i biler, smeltebestandige eller rense vand.

Et projekt kaldet Accelerator Application Development and Demonstration (A2D2) ved Fermilabs Illinois Accelerator Research Center vil hjælpe Fermilab og dets partnere med at udforske nye applikationer til kompakte lineære acceleratorer, som kun er et par meter lange i stedet for et par hundrede. Disse kompakte acceleratorer er af særlig interesse på grund af deres lille størrelse - de er billigere og mere praktiske at bygge i industrielle omgivelser end partikelfysiske forskningsacceleratorer - og de kan være stærkere end nogensinde før.

"A2D2 har to aspekter:Det ene er at undersøge nye anvendelser af, hvordan elektronstråler kan bruges til at ændre, ændre eller bearbejde forskellige materialer, " sagde Fermilabs Tom Kroc, en A2D2 fysiker. "Det andet er at bidrage lidt mere til forståelsen af, hvordan disse processer sker."

For at udvikle disse aspekter af acceleratorapplikationer, A2D2 vil anvende en kompakt lineær accelerator, der engang blev brugt på et hospital til at behandle tumorer med elektronstråler. Med et par opgraderinger for at øge dens kraft, A2D2-acceleratoren vil være klar til at gå i gang med et nyt projekt:at udforske og benchmarke andre mulige anvendelser af elektronstråler, som vil hjælpe med at specificere designet af en ny, industriel kvalitet, højeffektmaskine under udvikling af IARC og dets partnere.

Det vil ikke kun være Fermilab-forskere, der bruger A2D2-acceleratoren:Som en del af IARC, acceleratoren vil være tilgængelig til brug (typisk gennem en formel CRADA- eller SPP-aftale) af alle, der har en ny idé til elektronstråleapplikationer. IARC's formål er at samarbejde med industrien for at udforske måder at oversætte grundlæggende forskning og værktøjer, herunder acceleratorforskning, til kommercielle applikationer.

"Jeg har allerede mange mennesker fra industrien, der spørger mig, "Hvornår kan jeg bruge A2D2?" sagde Charlie Cooper, daglig leder af IARC. "A2D2 vil give os mulighed for direkte at bidrage til industrielle applikationer - det er noget konkret, som IARC nu tilbyder."

Apropos beton, en af ​​de første applikationer i tankerne for kompakte lineære acceleratorer er at skabe holdbare belægninger til veje, der ikke revner i kulden eller spreder sig i varmen. Dette kunne opnås ved at erstatte traditionel asfalt med et materiale, der kunne forstærkes med en accelerator. Den ekstra styrke ville komme fra tværbinding, en proces, der skaber bindinger mellem lag af materiale, næsten som at påføre lim mellem ark papir. Et enkelt ark papir rives let, men når to eller flere lag er forbundet med lim, papiret bliver stærkere.

"Ved at bruge acceleratorer, du kunne have et fortov, der holder længere, er hårdere og har et større temperaturområde, " sagde Bob Kephart, direktør for IARC. Kephart har to patenter på processen til hærdning af cement gennem tværbinding. "I bund og grund, du ville lægge vejen ned, som du gør lige nu, og du ville køre en speeder over det, og pludselig ville du forvandle det til virkelig hårde ting - som sengetøjet bag på din pickup truck."

Denne proces har allerede fået øjnene op for US Army Corps of Engineers, som bliver en af ​​A2D2s første partnere. En anden partner vil være Chicago Metropolitan Water Reclamation District, som vil teste nytten af ​​kompakte acceleratorer til vandrensning. Mange andre potentielle kunder står i kø for at bruge A2D2 teknologiplatformen.

"Du kan dybest set drive kemiske reaktioner med elektronstråler - og i mange tilfælde kan de være mere effektive end konventionel teknologi, så der er en række applikationer, " sagde Kephart. "Normalt er det, du skal gøre, at lave et parti af noget og varme det op for at få en reaktion. En elektronstråle kan få en reaktion til at ske ved at bryde en binding med en enkelt elektron."

Med andre ord, i stedet for at skulle koge et materiale i lang tid for at nå en specifik varme, der ville fremkalde en kemisk reaktion, du kunne zappe den med en elektronstråle for at få den samme effekt på en brøkdel af tiden.

Ud over at udforske de nye elektronstråleapplikationer med A2D2-acceleratoren, forskere og ingeniører ved IARC bruger banebrydende acceleratorteknologi til at designe og bygge en ny slags bærbar, kompakt accelerator, en, der vil tage applikationer afdækket med A2D2 ud af laboratoriet og ud i marken. A2D2-acceleratoren er allerede lille sammenlignet med de fleste acceleratorer, men den seneste forskning og udvikling giver IARC-eksperter mulighed for at formindske størrelsen, mens de øger kraften i deres foreslåede accelerator endnu mere.

"Den nye, kompakt accelerator, som vi er ved at udvikle, vil være høj effekt og høj energi til industrien, " Cooper sagde. "Dette vil muliggøre nogle ting, der ikke var mulige i fortiden. Til noget som miljøoprydning, du kan tage speederen direkte til stedet."

Mens IARC-teamet udvikler denne bærbare accelerator, som skal kunne passe på en standard trailer, A2D2-acceleratoren vil fortsat være et sted at eksperimentere med, hvordan man bruger elektronstråler – og studere, hvad der sker, når du gør det.

"Pointen med denne facilitet er mere udvikling end forskning, dog vil der være noget forskning i bestrålede prøver, " sagde Fermilabs Mike Geelhoed, en af ​​A2D2-projektlederne. "Vi er alle spændte - det er jeg i hvert fald. Vi og vores partnere har ventet på denne maskine i nogen tid nu. Vi ønsker alle at se, hvor godt den kan yde."