Innovative magneter til ny energigenvindingsaccelerator

Når det kommer til partikelacceleratorer, magneter er en nøgle til succes. Kraftfulde magnetfelter holder partikelstråler "på sporet", da de er rampet op til højere energi, styrtede sammen med kollisioner til fysiske eksperimenter, eller leveres til patienter til zap -tumorer. Innovative magneter har potentiale til at forbedre alle disse applikationer.

Det er et mål med Cornell-Brookhaven "Energy-Recovery Linac" testaccelerator, eller CBETA, under opførelse ved Cornell University og finansieret af New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA). CBETA er afhængig af en strålelinje lavet af avancerede magneter designet af fysikere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory, der kan bære fire stråler med meget forskellige energier på samme tid.

"Forskere og ingeniører i Brookhavens Collider-Accelerator Department (C-AD) har netop afsluttet produktionen og samlingen af ​​216 faste felt i enestående kvalitet, skiftevis gradient, permanente magneter til dette projekt - en vigtig milepæl, "sagde C-AD-formand Thomas Roser, der fører tilsyn med laboratoriets bidrag til CBETA.

Det nye magnetdesign, udviklet af Brookhaven fysiker Stephen Brooks og C-AD ingeniør George Mahler, har et fast magnetfelt, der varierer i styrke på forskellige punkter inden for hver cirkelmagnetens blænde. "I stedet for at skulle øge magnetfeltet for at rumme stråler af forskellige energier, stråler med forskellige energier finder simpelthen deres eget 'sweet spot' inden i blændeåbningen, "sagde Brooks. Resultatet:Stråler med fire forskellige energier kan passere gennem en enkelt strålelinje samtidigt.

I CBETA, en kæde af disse magneter, der er spændt sammen som perler på en halskæde, vil danne det, der kaldes en returløkke, der gentagne gange leverer bundter af elektroner til en lineær accelerator (linac). Fire ture gennem de superledende radiofrekvenshulrum i linakken vil øge elektronernes energi, og yderligere fire vil rampe dem ned, så energien, der er lagret i strålen, kan genvindes og genbruges til den næste accelerationsrunde.

"Bunkerne med forskellige energier er alle sammen i returløkken, med skiftevis magnetiske felter, der holder dem i svingning langs deres individuelle stier, men så smelter de sammen og går ind i linakken sekventielt, "forklarede C-AD-maskiningeniør Joseph Tuozzolo." Da en flok går igennem og bliver accelereret, en anden flok bliver bremset, og energien genvundet fra decelerationen kan fremskynde den næste flok. "

Selv når bjælkerne bruges til forsøg, energigenvindingen forventes at være tæt på 99,9 procent, hvilket gør denne "superledende energigendannelseslinac (ERL)" til en potentiel spilskifter med hensyn til effektivitet. Nye bundter af elektroner med nær lyshastighed bringes op til den maksimale energi hvert mikrosekund, så friske bjælker er altid tilgængelige til forsøg.

Det er en af ​​de store fordele ved at bruge permanente magneter. Elektromagneter, som kræver elektricitet for at ændre magnetfeltets styrke, ville aldrig være i stand til at stige hurtigt nok op, forklarede han. Brug af permanente faste feltmagneter, der ikke kræver elektricitet - som de magneter, der klæber til dit køleskab, kun meget stærkere - undgår dette problem og reducerer den energi/omkostning, der kræves for at køre speederen.

For at forberede magneterne til CBETA, Brookhaven-teamet startede med permanente magnetsamlinger af høj kvalitet produceret af KYMA, et magnetfremstillingsfirma, baseret på designet udviklet af Brooks og Mahler. C-AD's Tuozzolo organiserede og ledede indkøbsindsatsen med KYMA og anskaffelsen af ​​de andre komponenter til returløkken.

Ingeniører i Brookhaven's Superconducting Magnet Division tog præcise målinger af hver magnets feltstyrke og brugte et magnetfeltkorrektionssystem udviklet og bygget af Brooks til at finjustere felterne for at opnå den præcision, der er nødvendig for CBETA. Mahler førte derefter samlingen af ​​de færdige magneter på bjælkeplader, der vil holde dem i perfekt justering i den færdige accelerator, mens C-AD-ingeniør Robert Michnoff førte bestræbelserne på at bygge og teste elektronik for strålepositionsmonitorer, der vil spore partikelstier gennem strålelinjen.

"Brookhavens CBETA -team nåede målene for denne milepæl ni dage tidligere end planlagt takket være arbejdet fra ekstremt dedikerede mennesker, der udførte flere magnetiske målinger og magnetundersøgelser over mange lange arbejdsdage, "Sagde Roser.

De Brookhaven-samlede komponenter er nu på vej til Cornell for den sidste accelerator-samling. CBETA -teamet begynder at idriftsætte speederen i marts 2019, kører det gennem de første trin mod fuld funktionalitet.

De teknologier, der er udviklet til CBETA, kan revolutionere acceleratorvidenskab med flere potentielle applikationer, siger teamet.

For eksempel, sådan en ERL ville være en effektiv måde at accelerere og genbruge stråler af elektroner til at afkøle bjælker af tunge ioner ved en foreslået fremtidig elektron-ion-kollider (EIC), der overvejes af DOE Office of Nuclear Physics. Den spidsenergi, CBETA forventer at opnå i sin elektronstråle, ville være et perfekt match til ekstrahering af overskydende varme fra ionstråler for at holde ionerne tæt bundt - et krav for at maksimere partikelinteraktioner i en kollider.

Den innovative magnetteknologi udviklet til CBETA kan også bruges i acceleratorer, der producerer medicinske isotoper, æts computerchips på stadig mindre skalaer, eller levere høj-energi proton- eller partikelstråler til præcist at målrette tumorer. Stråleleveringssystemer fremstillet af permanente små magneter i stor skala kan dramatisk reducere omkostningerne ved partikelstråle-kræftterapi-acceleratorer, muligvis gør denne lovende behandling mere bredt tilgængelig.

”Det er spændende at være en del af et projekt, der har så mange muligheder for grundvidenskab og for samfundet, "Sagde Brooks.