Under tryk:Balloner til partikelacceleration

Balloner kan være med til at gøre et rum perfekt til en fest. Nu kan de også hjælpe, når det kommer til at accelerere partikler til tæt på lysets hastighed.

Den innovative brug af balloner giver en ny, patenteret måde for ingeniører at forme metalhjertet i partikelacceleratorer.

Mange partikelacceleratorer bruger strukturer kaldet hulrum, som giver det kick, der skal til for at accelerere partikler til højere og højere energier, når partiklerne løber igennem den ene efter den anden. Beliggende dybt inde i en accelerator og afkølet af en skal indeholdende flydende helium, hulrum skal have den helt rigtige form og størrelse for at øge partiklerne til de ønskede energier. Selv små forskelle i formen af ​​disse metalkamre gør store forskelle i de elektriske felter, der genereres inde i hulrummene for at skubbe partikler til større hastigheder.

Stillet over for et bestemt hulrum, der var for misformet til at bruge og utilgængeligt på grund af dets metalskal, Fermilab-ingeniørerne Mohamed Hassan og Donato Passarelli fik en idé:Hvad hvis du kunne omforme et hulrum uden at fjerne den omgivende skal? De gik på arbejde, udvikle en innovativ proces kaldet ballontuning.

"Jeg håber, at ballontuning er et eksempel for acceleratorsamfundet - at vi skal tænke ud af boksen og ikke altid holde fast i standarden og den almindelige teknik, " sagde Passarelli.

Den patenterede ballontuning-proces er en ny mulighed i rækken af ​​teknikker, der bruges til at forberede hulrum, før de installeres i en accelerator.

De fleste accelerationshulrum er en serie af runde, hule celler, der ligner en kæmpe streng af metalperler. Inden et hulrum installeres, det er omhyggeligt testet og tunet ved hjælp af en automatiseret maskine, der griber kanterne af hver celle for at gøre små, præcise justeringer:et lille tryk her, et lille stræk der. Processen fortsætter, indtil hulrummet er justeret, så når hulrummet er oppe og køre inde i en accelerator, det er i form til at producere det perfekte elektriske felt til at drive ladede partikler frem.

Men før de fleste hulrum kan installeres, de skal også være forsynet med en metalkappe, så hulrummet kan afkøles til ekstremt lave temperaturer med flydende helium. Efter det, den eneste nemme måde at påføre kræfter på cellerne er at skubbe eller trække i enderne af hulrummet, i stedet for at målrette hver celle individuelt. Hvis et hulrum bliver misformet under eller efter processen med at tage jakken på, den traditionelle tuning-metode kan ikke anvendes uden at skære metalkappen af ​​- en besværlig, tidskrævende opgave.

Hassan og Passarelli begyndte at overveje denne udfordring, efter at et gammelt testhulrum blev deformeret under en tryktest.

"Efter tryktesten, Jeg var fast besluttet på at finde en måde at rette dette hulrum på og tænkte, 'Hvorfor ikke få adgang til det indefra, som er tilgængelig selv med en jakke?'" sagde Hassan.

Behovet for at påføre kraften inde i hulrummene uden at ridse den indre overflade eller indføre uacceptable niveauer af forurening førte dem til at bruge specialdesignede balloner lavet af gummieret nylon.

En pumpe fylder hver ballon med luft, indtil den påfører omkring to bars tryk - lidt mindre end det, der anbefales til standard bildæk. Dette er ikke nok pres til at omforme en hulrumscelle alene, men det tryk kan bruges til at påvirke, hvilken celle der deformeres, når der påføres kræfter på enderne af et hulrum ved stuetemperatur. Balloner lader dig udpege en bestemt celle, enten at strække eller klemme det.

Hvis en bestemt celle skal strækkes, en ballon, der er oppustet indeni den, giver et ekstra skub, så den kan udvide sig, når flangerne trækkes fra hinanden. Hvorimod hvis en celle skal klemmes, en række balloner kan støtte alle de andre celler, når de to ender skubbes sammen.

Ingeniørerne og deres team demonstrerede konceptet ved at tune et hulrum uden kappe. Derefter rettede de deres opmærksomhed mod det misformede hulrum, der havde inspireret dem til at udvikle processen. Det lykkedes dem at bringe den tilbage til brugbar stand.

"Ballontuning vil være et godt ekstra værktøj til kavitetsproduktion, der kan spare en del penge og tid, " sagde Hassan.

Højtydende hulrum er afgørende komponenter i Fermilabs kommende PIP-II accelerator og SLAC National Accelerator Laboratorys LCLS-II røntgenlaser, og de er en stor del af et igangværende Fermilab-projekt for at forlænge den tid, en qubit kan vedligeholde information.

Ballonjusteringsteknikken blev for nylig patenteret, fart gennem patentkontoret på rekordtid for Fermilab, sagde Aaron Sauers, laboratoriets patent- og licensansvarlige.

"Mohamed og Donato udviklede en virkelig smuk metode og et apparat til at tune påklædte hulrum, " sagde Sauers. "Jeg var spændt på at indgive patentansøgningen på deres opfindelse."

Hassan og Passarelli ser automatisk ballonindstilling som en mulighed, hvilket kunne gøre det lige så bekvemt at bruge som den nuværende metode er til ukappede hulrum. Teknikken kan også finde anvendelse på andre områder, der bruger lignende hulrum.

"Håbet er, at folk, der ser på denne idé, vil blive inspireret og enten tilpasse eller bruge denne teknik i deres egen applikation, " sagde Passarelli.