Fysikere tester titanium målvinduer for partikelstråle

I slutningen af ​​2020’erne, Fermilab vil begynde at sende verdens mest intense stråle af neutrinoer gennem jordskorpen til detektorer i South Dakota til det internationale Deep Underground Neutrino Experiment, eller DUNE. Når den nye PIP-II partikelaccelerator kommer online, en intens stråle af protoner vil bevæge sig nær lysets hastighed gennem en række underjordiske acceleratorkomponenter, før de passerer gennem metalliske vinduer og kolliderer med et stationært mål for at producere neutrinoerne. Forskere har til hensigt at konstruere vinduerne ud af en titaniumlegering og tester udmattelsesudholdenhed af prøver udsat for protonstråler for at se, hvor godt de vil klare sig i det nye acceleratorkompleks.

Lige på målet

Da Fermilab -forskere satte sig for at producere neutrinoer til DUNE, de skal være utroligt præcise. PIP-II-acceleratoren vil bruge superledende strukturer og kraftige magneter til at accelerere hurtige mikrosekundudbrud af protoner, der er fokuseret og styret i den rigtige retning, rettet mod DUNE -detektorer i South Dakota, før de smadrer ind i det neutrino-producerende mål på Fermilab-stedet.

Målet - som består af grafitstænger på cirka 1,5 meters samlede længde - er adskilt fra resten af ​​speederen i et fartøj fyldt med helium for at hjælpe med at holde temperaturen nede.

Protonerne, rejser med deres maksimale energi, gå ind i fartøjet gennem et vindue, ramte derefter tyrens øje for at producere en kaskade af hurtigt forfaldne pioner-kortlivede subatomære partikler-der går ud gennem et andet vindue i ryggen. På mindre end et sekund, pioner vil ikke kun have forfaldet til neutrinoer, men de neutrinoer - som næsten ikke har masse og rejser tæt på lysets hastighed - vil have nået deres destination i South Dakota, en rejse på 800 miles.

Det er ikke let at designe målgruppen, hvilket især gælder for vinduerne. De skal have udholdenhed til at modstå den kraftige protonstråle og temperaturer over 200 grader Celsius, alt sammen med tilstrækkelig strukturel integritet til at modstå trykforskelle på tværs af vinduet. Ikke kun det, men de skal laves så tynde som muligt for at minimere interaktionen med protonstrålen. På grund af disse ekstreme forhold, speedervinduer er ikke lavet af glas, men af ​​metal.

Mens metalliske vinduer ikke ville slippe meget lys ind i dit hjem, de udgør ikke meget af en barriere for partikelbjælker. Atomer består for det meste af tomt rum, og højenergiprotoner bevæger sig gennem mellemrummene inden for og mellem vinduets atomer med relativt lille interaktion.

Imidlertid, bjælkerne, der passerer gennem vinduerne, er meget energiske, og den lille brøkdel af protoner, der rebounder af kerner i vinduerne, deponerer energi i form af varme og vibrationsbølger, som udgør en risiko for brud på materialet og er en stor kilde til bekymring for ingeniører og fysikere.

"Disse vinduer skal være i stand til at opretholde den varme, der genereres af stråleinteraktionen, "sagde Fermilab postdoktoral forskningsassistent Sujit Bidhar.

Al denne opvarmning og afkøling får vinduesbjælkerne til hurtigt at trække sig sammen og ekspandere.

"Målmaterialet udvider inden for 10 mikrosekunder, "Sagde Bidhar." Men det omgivende materiale udvider sig ikke, fordi det ikke interagerer direkte med strålen. Dette forårsager en slags hammerende virkning, som vi kalder stressbølger. "

Bølgerne inde i materialet er analoge med en person, der svømmer i en pool; bevæger sig gennem vandet skaber lignende bølger, der ville sprede sig ud til kanten og ricochet tilbage til deres udgangspunkt. Hvis svømmeren skulle tilføre ekstra energi ved at lave en kanonkugle i vandet, bølgen ville stige i amplitude og kan spilde over siden.

Da målvinduer i acceleratorer er solide, imidlertid, stærke bølger, der passerer dem, svækker materialet over tid gennem en proces kaldet træthed, og i stedet for at kunne sprøjte ud over siden af ​​en pool, den inducerede stress vil i sidste ende få arrayet til at bryde. Det er ikke et spørgsmål om, hvis men når.

Forudsiger den næste store pause

Fysikere har en interesse i at vide præcis, hvor længe hver acceleratorkomponent kan forventes at vare. Uventede fejl på udstyret kan føre til lange forsinkelser og tilbageslag.

Mange partikelacceleratorer bruger målvinduer lavet af beryllium, en sjælden type letmetal, der, indtil nu, har vist de bedste resultater takket være sin enestående holdbarhed. Men fysikere og ingeniører leder konstant efter måder at innovere på, og dem, der udvikler målvinduer til DUNE, undersøger titaniumlegeringer, som kan have egenskaber, der giver dem mulighed for at holde bedre ud end deres beryllium -modstykker.

"Titanium har en høj specifik styrke samt en høj modstandsdygtighed over for træthedsspænding og korrosion, "sagde Kavin Ammigan, en senioringeniør på Fermilab. "Vi tester for at se, hvordan disse kritiske egenskaber ændres, når titanium udsættes for protonstråler."

Titaniumlegeringer er blevet brugt på Japan Proton Accelerator Research Complex-kendt som J-PARC-i over et årti med lovende resultater. Med Fermilabs PIP-II-opgradering, laboratorieacceleratorkomplekset vil fremskynde en meget højere intensitetsstråle, end den gør i øjeblikket. For at forudsige, hvor længe titaniumvinduer vil vare på Fermilab, forskere havde brug for at teste prøver ved hjælp af lignende strålenergier.

Titanium træthedsprøver leveret af forskere ved J-PARC blev sendt til Fermilab, hvor deres mekaniske egenskaber blev testet. Prøverne blev derefter pummeled af en intens stråle af protoner på Brookhaven National Laboratory i løbet af otte uger, hvorefter de blev returneret til Fermilab for en anden testrunde for at bestemme nøjagtigt, hvordan legeringens egenskaber havde ændret sig og forringet over tid. Ved at teste både før og efter at blive bombarderet af protonstråler, forskere kan groft forudsige, hvor længe vinduer lavet af titanium tillader kan forventes at vare i den opgraderede accelerator.

De data, der genereres af projektet, vil være nyttige ikke kun for Fermilab og PIP-II-opgraderingen, men også for andre institutioner og fremtidige acceleratorer. J-PARC acceleratorfaciliteten, for eksempel, har planer om at øge intensiteten af ​​sin partikelstråle og vil kunne bruge resultaterne fra den aktuelle undersøgelse til at forudsige levetiden for titan -målvinduet.

Med disse oplysninger i hånden, Fermilab -forskere vil være i stand til proaktivt at styre deres stråleenheder. Titaniumvinduer fjernes inden udløbet af deres forventede levetid og erstattes med friske, uudmattede vinduer.

Ammigan, Bidhar og Fermilab -kolleger har gennemført deres første batch af titanlegeringsmålinger og planlægger at få et andet parti færdigt om et par måneder, hvorefter de planlægger at offentliggøre deres resultater.