Namens CERN, onderzoekers van ETH Zürich hebben een hightech apparaat ontwikkeld voor de productie van uiterst nauwkeurige, hoogspanningspulsen die kunnen worden gebruikt in de volgende generatie deeltjesversnellers.

Het meest bekende gebruik van hoogspanningspulsen is in elektrische afrasteringen op boerderijen. Echter, deeltjesversnellers in grootschalige onderzoeksfaciliteiten zoals CERN in Genève vertrouwen ook op hoogspanningspulsgeneratoren - maar deze produceren pulsen met veel hogere energieën en spanningen dan die worden gebruikt in agrarische omheiningen. Bij CERN wordt momenteel gewerkt aan het volgende grootschalige onderzoeksproject vanaf 2025. Een van de twee mogelijke projecten is de bouw van een 50 kilometer lange lineaire versneller in een tunnel die loopt van Nyon naar de Rhônevallei bij Bellegarde in Frankrijk (CLIC-project, zie kader). Onderzoekers van ETH Zürich hebben in het kader van een samenwerkingsovereenkomst met CERN een voor deze versneller benodigde pulsgenerator ontwikkeld. Een paar dagen geleden, prototypes werden geleverd aan CERN, waar ze nu op de proef worden gesteld.

De pulsgenerator, die ongeveer drie kubieke meter beslaat, produceert pulsen van 180, 000 volt van de 400 volt openbare stroomvoorziening, die precies 140 miljoenste van een seconde duren. Om ervoor te zorgen dat de openbare stroomvoorziening gelijkmatig wordt belast en niet wordt verstoord door piekpulsen, 8 grote en bijna 200 kleine condensatoren (tijdelijke energieopslagapparaten) in de pulsgenerator worden 50 keer per seconde continu opgeladen en ontladen. Een speciaal ontwikkelde transformator zorgt ervoor dat de benodigde uitgangsspanning zo snel en efficiënt mogelijk wordt bereikt.

Enkele honderden acceleratietrappen

Het potentiële toekomstige grootschalige onderzoeksproject bij CERN zal de versnelling van elektronen en positronen (elektronen-antideeltjes) omvatten. "Deze versnelling zal plaatsvinden in een klystron, die afhankelijk is van de hoogspanningspulsen die worden geleverd door de pulsgenerator, " legt Jürgen Biela uit, Hoogleraar High Power Electronic Systems aan de ETH Zürich. De 140 microseconden lange pulsen worden in de klystron gebruikt om een ​​zeer hoogfrequent wisselveld te produceren. In dit wisselveld worden elektronen of positronen versneld.

Als de CLIC-versneller is gebouwd, meer dan duizend klystrons zullen nodig zijn om elektronen en positronen stapsgewijs te versnellen tot ze de lichtsnelheid naderen. Elke klystron zou worden aangedreven door zijn eigen pulsgenerator.

Realtime meting voor maximale efficiëntie

Een van de grootste uitdagingen voor de ETH-onderzoekers was om de pulsgenerator zo te bouwen dat de geproduceerde pulsen allemaal even lang en even groot zijn met een relatieve tolerantie van niet meer dan honderdduizendste. Naast dit, CERN specificeerde dat de spanning voor elke puls moet springen van 0 volt naar 180, 000 volt en extreem snel weer terug. Om dit te behalen, het apparaat meet honderdduizend keer per seconde de stroomsterkte en regelt deze in realtime.

"Als de polsslag langzamer was, meer ongebruikt vermogen zou worden overgedragen aan de klystron, die de energie-efficiëntie van de pulsgenerator zou verminderen, ", legt Sebastian Blume uit. Tijdens zijn promotieonderzoek in het laboratorium van Biela, hij speelde een sleutelrol in de ontwikkeling van de pulsgenerator. De efficiëntie is daarom een ​​centrale factor, omdat de apparatuur relatief veel energie verbruikt:het vermogen van één pulsgenerator is meer dan honderd keer dat van een wasmachine of grote stofzuiger.

Professor Biela van ETH heeft al een sleutelrol gespeeld bij de ontwikkeling van pulsgeneratoren voor SwissFEL, de synchrotron-stralingsbron die een paar maanden geleden in gebruik werd genomen bij het Paul Scherrer Institute, als onderdeel van een gezamenlijk project met het Zwitserse elektrotechnische bedrijf Ampegon.

Lineaire versneller of grotere ringversneller?

De LHC (Large Hadron Collider) deeltjesversneller bij CERN zal naar verwachting tot 2035 of 2040 draaien. de discussies spitsen zich momenteel toe op twee mogelijke grootschalige onderzoeksprogramma's die met elkaar concurreren. CERN zal binnen de komende drie jaar beslissen welke te installeren.

Het CLIC-project (Compact Linear Collider) gebruikt een 50 kilometer lange tunnel om elektronen van het ene uiteinde en positronen van het andere naar het midden van de tunnel te versnellen waar ze met elkaar in botsing komen. Met dit type lineaire versneller kunnen elementaire deeltjes zoals het Higgs-deeltje veel nauwkeuriger worden gemeten dan nu mogelijk is met de LHC, of mogelijk zou zijn met het andere toekomstige project dat wordt besproken, de FCC (Future Circular Collider).

Voor het FCC-project wordt momenteel gesproken over een versnellingsring met een omtrek van 80 tot 100 kilometer. Ter vergelijking, de LHC heeft een omtrek van 27 kilometer. De botsingsenergie in de FCC zou zeven keer groter zijn dan die in de LHC. In vergelijking met het CLIC-project, dit heeft als voordeel dat het een beter platform zou bieden voor de ontdekking van nieuwe fundamentele effecten en deeltjes.