Transformativ grøn accelerator opnår verdens første 8-pass fuld energigenvinding

Forskere fra Cornell University og US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory (BNL) har med succes demonstreret verdens første opsamling og genbrug af energi i en partikelaccelerator med flere omdrejninger, hvor elektroner accelereres og bremses i flere trin og transporteres med forskellige energier gennem en enkelt strålelinje. Dette fremskridt baner vejen for ultralette partikelacceleratorer, der bruger langt mindre energi end nutidens maskiner.

Ansøgninger omfatter medicinsk isotopproduktion, kræftbehandling, Røntgenkilder, og industrielle applikationer såsom mikro-chip-produktion, samt mere energieffektive maskiner til grundforskning i fysik, materialevidenskab, og mange andre felter. Et eksempel:Forskere kan bruge en sådan energigenvindingsacceleratorteknologi til effektivt at generere elektroner til "køling" af ioner ved elektron-ion-kollideren, en planlagt banebrydende atomfysisk forskningsfacilitet, der vil blive placeret på Brookhaven Lab.

Cornell-BNL ERL Test Accelerator, eller CBETA, placeret på Cornell, er en Energy Recovery Lineær accelerator (ERL), der bruger to transformative "grønne" teknologier:I stedet for at dumpe energien fra tidligere accelererede partikler, den genvinder og genbruger den energi til at accelerere det næste parti parti. Og strålelinjen, der styrer partiklerne gennem acceleratoren, er lavet af permanente magneter, som ikke kræver elektricitet for at fungere. Disse forventes at blive de mest energieffektive teknologier til fremtidens acceleratorer med høj ydeevne.

"Genbrug af en partikelstråles energi i denne nye slags accelerator gør lysere stråler tilgængelige, som ville have krævet for meget energi indtil nu, "sagde Georg Hoffstaetter, fysikprofessor og principforsker for Cornell. Ud over de ovennævnte applikationer, Hoffstaetter påpeger, at "sådan innovativ teknologi og disse lysere stråler sandsynligvis vil føre til yderligere anvendelser, der endnu ikke skal forestilles."

CBETAs konstruktion blev finansieret af New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA) og brugte komponenter, der blev udviklet med midler fra National Science Foundation (NSF) og industrielle partnere. CBETA -teamet opnåede den centrale milepæl med fuld energigenvinding og reacceleration af partikler i de tidlige timer den 24. december, 2019, planmæssigt. Siden da, holdet har fortsat forbedret CBETAs præstationer.

Alicia Barton, Præsident og administrerende direktør, NYSERDA, sagde, "NYSERDA er yderst stolt over at støtte dette banebrydende projekt, og vi glæder os til at se, hvordan det fremmer vores evne til at håndtere de mest presserende videnskabelige og samfundsmæssige udfordringer i vores tid. New Yorks støtte til teknologier, der leverer økonomidækkende fordele, er urokkelig under guvernør Cuomos ledelse, og vi lykønsker vores partnere med denne enorme milepæl. "

Grundlæggende om energigendannelse

CBETA-maskinen indeholder verdens første otte-pass superledende Energy-Recovery Lineær accelerator, hvor en stråle accelereres ved at passere fire gange gennem et superledende radiofrekvensrum (SRF) for at nå sin højeste energi. Ved at foretage yderligere fire passager gennem det samme hulrum, men denne gang aftager, strålens energi indfanges og gøres tilgængelig for at nye partikler kan accelereres. Dette ERL -koncept blev første gang foreslået i 1965 af Maury Tigner, professor emeritus ved Cornell University, men det tog årtiers arbejde i Cornell og andre steder at udvikle den nødvendige teknologi.

Efter hver passage gennem accelerationsapparatet, partiklerne har en anden energi og krydser deres egen "bane" gennem en særlig kæde af magneter, kaldet Fixed-Field-Alternating Linear Gradient (FFA-LG) beamline, som sløjfer partiklerne tilbage til SRF -hulrummene. De permanente magneter, der udgør denne strålelinje, blev designet, udviklede sig, og præcist formet ved Brookhaven for at tillade alle bjælker at krydse den samme magnetstruktur, selvom de har fire forskellige energier. Dette design reducerer behovet for flere acceleratorringe til at rumme bjælker ved forskellige energier og eliminerer behovet for elektricitet til at drive magneterne, yderligere reducere omkostninger og forbedre den samlede effektivitet.

Dejan Trbojevic, seniorfysiker og hovedforsker for Brookhavens deltagelse i projektet, beskrev først ideen om at accelerere stråler ved flere energier i en enkelt strålelinje lavet af fastfelt vekslende gradientmagneter på et muon collider-værksted i 1999. I mellemtiden, Cornell udviklede komponenter til en superledende ERL.

"Med CBETA, tanken var at vise, at Brookhavens single-beamline returløkke ville fungere med Cornells ERL-teknologi til acceleration af elektroner, partikler med mange flere potentielle anvendelser end deres tungere muon -fætre, "Sagde Trbojevic.

I slutningen af ​​december, med Cornell -fysikeren Adam Bartnik som hovedoperatør, CBETA gjorde netop det. Startende med en elektronstråle ved energien på seks millioner elektronvolt (MeV), acceleratorkomponenterne bragte partiklerne til 42, 78, 114, og 150 MeV i fire passerer gennem ERL. Efter deceleration under fire yderligere passager gennem SRF -hulrummene, partiklerne nåede deres oprindelige 6 MeV energi - i nøjagtig samme position som startstrålen. Dette viste, at fuld elektronenergiindvinding var opnået, og at SRF -hulrummene blev aktiveret til at accelerere det næste parti parti.

Denne præstation gør CBETA til den første multi-turn ERL til at genvinde energien fra accelererede partikelstråler i SRF-accelerationsstrukturer, og den første accelerator, der brugte en enkelt strålelinje med faste magnetfelter til at transportere syv forskellige accelererende og decelerere energistråler.

"Vi kunne ikke have opnået disse resultater uden mange bidrag i hele designet, konstruktion, og idriftsættelsesfaser af forskere, ingeniører, og teknisk personale på både Brookhaven og Cornell, sammen med input fra mange industrielle partnere og anerkendte acceleratoreksperter, "sagde Brookhaven Lab -ingeniør Rob Michnoff, direktør for CBETA -projektet.