Met de introductie van CBETA, de Cornell-Brookhaven ERL-testversneller, Wetenschappers van Cornell University en Brookhaven National Laboratory volgen het concept van energieherstellende deeltjesversnellers voor het eerst geïntroduceerd door natuurkundige Maury Tigner bij Cornell meer dan 50 jaar geleden.

CBETA test twee energiebesparende technologieën voor versnellers:energieterugwinning en permanente magneten. Een energieterugwinningslinac (ERL) zoals CBETA wint de energie van een gebruikte elektronenstraal terug in plaats van deze na het experiment te dumpen. De teruggewonnen energie wordt gebruikt om de volgende bundel deeltjes te versnellen, het creëren van een elektronenbundel die voor veel onderzoeksgebieden kan worden gebruikt. De bundels worden versneld door supergeleidende radiofrequentie-eenheden (SRF), een andere energie-efficiënte technologie die bij Cornell werd gepionierd.

Door gebruik te maken van permanente magneten, het vermogen dat normaal gesproken nodig is om de straal met elektromagneten te sturen, wordt bespaard. Terwijl elders energieterugwinningslinacs en vaste magneten worden gebruikt, nooit eerder is een groep in staat geweest om vier deeltjesbundels van verschillende energieën gelijktijdig te sturen met behulp van vaste magneten door een ERL.

Stel je voor dat vier auto's met verschillende snelheden door een bocht rijden. De betrokken fysica is voor elke auto anders:de ene moet uitzonderlijk hard draaien met een hogere snelheid in tegenstelling tot een andere die met een veel lagere snelheid rijdt. Dit geldt ook voor deeltjes met verschillende energie in de bundelbuis. Permanente magneten met wisselende gradiënten maken het mogelijk om elk deeltje met verschillende energie binnen dezelfde 120 mm brede kamer te sturen.

Hoewel deze methode energie recyclet, het creëert ook balken die veel krachtiger zijn:ze zijn strakker gebonden, helderdere en meer coherente straling kan produceren, kan hogere stromen hebben, en kan een hogere helderheid produceren in experimenten met botsende bundels.

"Het ERL-proces werd 50 jaar geleden uitgevonden aan de Cornell University, en met zijn eerste demonstratie in een multi-turn SRF ERL toont Cornell's sterke en voortdurende traditie op dit onderzoeksgebied, " zei Georg Hoffstaetter, Cornell hoogleraar natuurkunde en CBETA hoofdonderzoeker.

Door de combinatie van door Cornell gebouwde acceleratorcomponenten met wereldrecords en de permanente magneettechnologie die is ontwikkeld door het Brookhaven National Laboratory (BNL) van het Amerikaanse Department of Energy, de CBETA-samenwerking heeft tot doel een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop versnellers worden gebouwd.

De algemene missie van CBETA is het ontwikkelen van een prototype voor eRHIC, een 2,4 mijl lange elektron-ionenversneller die wordt voorgesteld om te worden gebouwd bij BNL op Long Island, New York.

Ongeveer twee dozijn wetenschappers van BNL en Cornell's Laboratory for Accelerator-based Sciences and Education (CLASSE) werken mee aan het project. Ze voeren de eerste tests uit en verwachten de installatie van CBETA tegen de zomer van 2019 te voltooien. Ze zullen het prototype voor eRHIC in het voorjaar van 2020 testen en in gebruik nemen.

Meer dan 30, 000 versnellers zijn in gebruik over de hele wereld. Dit prototype ERL heeft verstrekkende implicaties voor de biologie, scheikunde en tal van andere disciplines. ERL's zijn niet alleen bedoeld voor kern- en elementaire deeltjesfysica-botsers, zoals in eRHIC en de LHeC bij CERN in Zwitserland, maar ook als coherente röntgenbronnen voor fundamenteel onderzoek, industriële en medische doeleinden.

"Bestaande lineaire versnellers hebben een superieure bundelkwaliteit in vergelijking met grote cirkelvormige versnellers, Hoffstaeter zei. "Echter, ze zijn buitengewoon verspillend omdat de bundel na gebruik wordt weggegooid en kunnen daarom slechts een extreem lage stroomsterkte hebben in vergelijking met ringversnellers. Dit beperkt de hoeveelheid gegevens die tijdens een experiment wordt verzameld. Een ERL zoals CBETA lost het probleem op van de kwaliteit van de lage bundel in ringen en van de lage bundelstroom in lineaire versnellers, en dat alles terwijl ze energie besparen in vergelijking met hun voorgangers."

De meest complexe componenten van CBETA bestaan ​​al bij Wilson Lab:de DC-elektronenbron, de supergeleidende radiofrequentie (SRF) injector linac, de hoofd-ERL-cryomodule en de hoogvermogenbundelstop. Ze zijn ontworpen, gebouwd en in gebruik genomen in 10 jaar financiering van de National Science Foundation.

zei Karl Smolenski, hoofdingenieur voor Cornell ERL-ontwikkeling:"Als we succesvol zijn, zal dit een geweldige zaak zijn voor de wetenschap en de industrie. Zoveel verschillende afdelingen en wetenschappers zullen deze technologie kunnen gebruiken. Het zal ons ook een voorsprong geven in de competitieve wereld."