Spinning nye mål for acceleratorer

Bob Zwaska, en videnskabsmand ved U.S. Department of Energy's Fermilab, så en deltager på madlavningsshowet Hakket spinsukker til deres dessert, da han indså, at det samme princip kunne være gældende for acceleratormål.

En af måderne, hvorpå partikelacceleratorer producerer partikler, er ved at affyre partikelstråler mod mål. Disse mål er stationære, massive blokke af materiale, såsom grafit eller beryllium. Når strålen kolliderer med målet, det producerer sekundære partikler, såsom pioner, som henfalder til tertiære partikler, såsom neutrinoer og muoner.

Fremtidige partikelfysiske eksperimenter er begrænset af de mål, der i øjeblikket bruges i partikelacceleratorer. Den ene er det internationale Deep Underground Neutrino -eksperiment, et banebrydende eksperiment hostet af Fermilab og udviklet i samarbejde med mere end 170 institutioner verden over. DUNE søger at forstå, hvorfor der findes stof i universet ved at låse op for mysterierne om spøgelsesagtige partikler kaldet neutrinoer. For at løse disse mysterier, acceleratorstrålen, der bruges af DUNE, skal nå en effekt på mindst 1,2 megawatt, dobbelt så meget som de nuværende mål kan klare.

Kollisionspunktet mellem bjælken og målet - et område, der er betydeligt mindre end selve målet, varierende mellem størrelsen på en myre og grafitten i en mekanisk blyant - opvarmes hurtigt og gentagne gange til over 500 grader Celsius. Denne varme får det lille område til at forsøge at ekspandere, men, fordi de aktuelt anvendte mål er solide, der er ikke plads til ekspansion. I stedet, hot spot skubber mod det omkringliggende område igen og igen, som en hammer. Dette har potentiale til at skade målet.

Når du dykker ned i en pool, dit sammenstød med vandet får bølger til at kruse hen over overfladen. Når bølgerne når kanten af ​​poolen, de vil rebound og krydse andre bølger, enten ødelægger hinanden eller kombinerer for at lave en større bølge. I en pool, hvis en bølge bliver for stor, vandet kan simpelthen sprøjte ud over kanten. I et solidt mål, imidlertid, hvis en bølge bliver for stor, materialet vil revne.

Ved Fermilab -partikelacceleratorens nuværende stråleintensiteter, dette er ikke et problem, fordi mål kan modstå de resulterende bølger i lang tid. Efterhånden som Fermilab opgraderer sit acceleratorkompleks og intensiteten stiger, at udholdenhedstiden falder drastisk.

"I hele verden, der presses på for maskiner med højere intensitet til at skabe sjældne partikler. Disse mål har undertiden været den eneste begrænsende faktor i udførelsen af ​​sådanne faciliteter, "Sagde Zwaska." Så, til forskningsområder inden for ny fysik, vi skal presse på for nye teknologier for at imødegå dette problem. "

Opgaver med at finde på et alternativt mål til brug i kraftige acceleratorer, ligesom dem, der sender stråle til DUNE, Zwaska forestillede sig et mål, der består af mange vendinger for at forhindre enhver bølgeopbygning. Dette bølgende mål ville også være stærkt og solidt i mikroskalaen. Han testede først grafit reb, 3D-trykte fibre, og for det meste hul, fastnet, inden han faldt over konceptet med spundet sukker, hvilket førte ham til elektrospinning.

Først foreslået i begyndelsen af ​​1900'erne at producere tyndere kunstig silke, electrospinning er blevet brugt til luftfiltrering i biler, sårforbinding og farmaceutiske lægemidler. Som spindende sukker, electrospinning indebærer at bruge et flydende materiale til at skabe tynde tråde, der til sidst hærder ind i den ønskede struktur. I stedet for at opvarme væsken, electrospinning påfører det en positiv ladning. Ladningen på væsken skaber en attraktion mellem den og en neutral plade, placeret et stykke væk. Denne tiltrækning strækker materialet mod pladen, skabe et solidt, fibrøst materiale.

For acceleratormål, specialister forvandler metal eller keramik til et solidt, men porøst materiale, der består af tusinder af fiberstrenge, der er mindre end en mikrometer i diameter. Det er mindre end en hundrededel tykkelsen af ​​et gennemsnitligt menneskehår, og omkring en tredjedel af et edderkoppespind.

Når partikelstrålen kolliderer med et elektrospundet mål, fibrene formerer ikke nogen bølger. Manglen på potentielt materialeskadelige bølger betyder, at disse mål kan modstå meget højere stråleintensitet.

I stedet for en pool, forestil dig, at du hopper ned i en boldgrube. Din kollision vil forstyrre arrangementet af boldene umiddelbart omkring dig, men lad de omgivende være i fred. Elektrospundet mål virker på samme måde. Processen efterlader plads mellem hver fiber, tillader fibrene at ekspandere ensartet, undgå jackhammer -effekten.

Selvom denne nye teknologi potentielt løser mange af problemerne med nuværende mål, den har sine egne forhindringer at overvinde. Typisk, processen med at lave et elektrospundet mål tager dage, med eksperter ofte nødt til at stoppe for at korrigere komplikationer i den måde, materialet akkumuleres.

Sujit Bidhar, en postdoktor ved Fermilab, forsøger at løse disse spørgsmål.

Bidhar udvikler og tester metoder, der øger antallet af fiber-spin-off-punkter, der dannes på et enkelt tidspunkt, producere et tykkere nanofibermål, og reducere mængden af ​​elektricitet, der er nødvendig for at skabe den positive ladning. Disse fremskridt ville både fremskynde og forenkle processen.

Mens han stadig prøver forskellige elektrospinningsteknikker, Bidhar har allerede udviklet et nyt patentsøgt elektrospinningssystem, herunder en ny strømforsyning.

Bidhars electrospinning -enhed er mere kompakt, mere let, enklere og billigere end de fleste konventionelle enheder.

Det er også meget mere sikkert at bruge på grund af dets begrænsede udgangseffekt. Nuværende kommercielle strømforsyninger afsætter en mængde elektrisk strøm, der langt overstiger det, der er nødvendigt for at lave elektrospunne mål. Bidhars strømforsyning reducerer eleffekten og den samlede enhedsstørrelse med det halve, hvilket også gør det mere sikkert at bruge.

I maj 2018, Bidhars strømforsyning vandt TechConnect Innovation Award. Bidhar opmuntres til, hvad denne teknologi betyder for partikelfysik og også for andre industrier.

"Medicinsk personale ville kunne bruge denne strømforsyning til at oprette bionedbrydelige sårforbindelser på fjerntliggende og mobile steder, uden en omfangsrig og højspændingsenhed, "Sagde Bidhar.

Electrospun -mål, ligesom Bidhars strømforsyning, kunne innovere fremtiden for partikelfysikacceleratorer, tillader eksperimenter som DUNE at nå højere niveauer af stråleintensitet. Disse bjælker med højere intensitet hjælper forskere med at løse astrofysikkens varige mysterier, atomfysik og partikelfysik.