Een geavanceerde deeltjesversneller, ontworpen door het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, zou de kosten kunnen verlagen en de veelzijdigheid van faciliteiten voor natuurkundig onderzoek en kankerbehandeling kunnen vergroten. Het maakt gebruik van lichtgewicht, 3D-geprinte frames om blokken permanente magneten vast te houden en een innovatieve methode om het magnetische veld te verfijnen om meerdere bundels met verschillende energieën door een enkele bundelpijp te sturen.

Met dit ontwerp, natuurkundigen zouden deeltjes door meerdere stadia kunnen versnellen tot hogere en hogere energieën binnen een enkele ring van magneten, in plaats van meer dan één ring nodig te hebben om deze energieën te bereiken. In een medische setting, waar de energie van deeltjesbundels bepaalt hoe ver ze het lichaam binnendringen, artsen zouden gemakkelijker een reeks energieën kunnen leveren om een ​​tumor door zijn diepte te zappen.

Wetenschappers testen een prototype van de compacte, kosteneffectief ontwerp bij Brookhaven's Accelerator Test Facility (ATF) - een DOE Office of Science User Facility - zegt dat het met vlag en wimpel doorkwam. Kleurgecodeerde afbeeldingen laten zien hoe een reeks elektronenstralen versneld tot vijf verschillende energieën met succes door de 1,5 meter lange kromme van magneten ging, waarbij elke straal een ander pad volgt binnen dezelfde straalpijp met een diameter van 2 inch.

"Voor elk van de vijf energieniveaus, we hebben de straal in het 'ideale' traject voor die energie geïnjecteerd en gescand om te zien wat er gebeurt als hij iets buiten de ideale baan is, " zei Brookhaven Lab-natuurkundige Stephen Brooks, hoofdarchitect van het ontwerp. Christina Swinson, een natuurkundige bij de ATF, stuurde de straal door de ATF-lijn en de magneet van Brooks en speelde een essentiële rol bij het uitvoeren van de experimenten.

"We hebben deze experimenten ontworpen om onze voorspellingen te testen en te zien hoe ver je van het ideale inkomende traject kunt gaan en toch de straal erdoor kunt krijgen. Voor het grootste deel, alle straal die naar binnen ging, kwam er aan de andere kant uit, ' zei Brooks.

De bundels bereikten energieën die meer dan 3,5 keer zo hoog waren als wat eerder was bereikt in een vergelijkbare versneller gemaakt van aanzienlijk grotere elektromagneten, met een verdubbeling van de verhouding tussen de hoogste en laagste energiebundels.

"Deze tests geven ons het vertrouwen dat deze versnellertechnologie kan worden gebruikt om bundels met een breed scala aan energieën te dragen, ' zei Brooks.

Geen draden nodig

De meeste deeltjesversnellers gebruiken elektromagneten om de krachtige magnetische velden op te wekken die nodig zijn om een ​​bundel geladen deeltjes te sturen. Om deeltjes van verschillende energieën te transporteren, wetenschappers veranderen de sterkte van het magnetische veld door de elektrische stroom die door de magneten gaat, te verhogen of te verlagen.

Brooks' ontwerp gebruikt in plaats daarvan permanente magneten, het soort dat magnetisch blijft zonder elektrische stroom, zoals degene die aan je koelkast blijven plakken, alleen sterker. Door verschillend gevormde magneetblokken te rangschikken om een ​​cirkel te vormen, Brooks creëert een vast magnetisch veld dat in sterkte varieert over verschillende posities binnen de centrale opening van elke donutvormige magneetarray.

Wanneer de magneten end-to-end als kralen op een ketting zijn opgesteld om een ​​gebogen boog te vormen - zoals ze waren in het ATF-experiment met hulp van het onderzoeksteam van Brookhaven om nauwkeurige uitlijning te bereiken - verplaatsen hogere energiedeeltjes zich naar het sterkere deel van de veld. Door de veldrichtingen van sequentiële magneten af ​​te wisselen, blijven deeltjes oscilleren langs hun voorkeursbaan terwijl ze door de boog bewegen, zonder dat er kracht nodig is om deeltjes met verschillende energieën op te vangen.

Geen elektriciteit betekent minder ondersteunende infrastructuur en eenvoudigere bediening - die allemaal bijdragen aan het aanzienlijke kostenbesparingspotentieel van deze niet-schaalbare, vast veld, alternerende-gradiënt accelerator technologie.

Vereenvoudigd ontwerp

Brooks werkte samen met George Mahler en Steven Trabocchi, ingenieurs in de Collider-Accelerator-afdeling van Brookhaven, om de bedrieglijk eenvoudige maar krachtige magneten te monteren.

Eerst gebruikten ze een 3D-printer om plastic frames te maken om de gevormde magnetische blokken vast te houden, als stukjes in een puzzel, rond de centrale opening. "Verschillende maten, of blokdiktes, en magnetische richtingen zorgen voor een aangepast veld binnen de opening, ' zei Brooks.

Nadat de blokken met een hamer in de frames waren getikt om een ​​grove montage te maken, John Cintorino, een technicus in de magneetafdeling van Lab, de sterkte van het veld gemeten. Het team heeft vervolgens elke assemblage verfijnd door ijzeren staven van verschillende lengtes in maar liefst 64 posities rond een tweede 3D-geprinte cartridge te plaatsen die in de ring van magneten past. Een computerprogramma dat Brooks schreef, gebruikt de ruwe veldsterktemetingen van de assemblage om precies te bepalen hoeveel ijzer er in elke sleuf gaat. Hij werkt momenteel ook aan een robot om de staven op maat te snijden en in te brengen.

De fine-tuning in het eindstadium "compenseert eventuele fouten in de bewerking en positionering van de magneetblokken, "Brooks zei, verbetering van de kwaliteit van het veld 10-voudig ten opzichte van de grove montage. De eigenschappen van de uiteindelijke magneten komen overeen met of overtreffen die van geavanceerde elektromagneten, die veel preciezere engineering en bewerking vereisen om elk afzonderlijk stuk metaal te maken.

"De enige hightech apparatuur in onze opstelling is de roterende spoel die we gebruiken om de precisiemetingen te doen, " hij zei.

Toepassingen en volgende stappen

De lichtgewicht, compacte componenten en vereenvoudigde werking van Brooks' permanente magneetstraaltransportlijn zou "een dramatische verbetering zijn ten opzichte van wat momenteel op de markt is voor het leveren van deeltjesbundels in kankerbehandelingscentra, " zei Dejan Trbojevic, De supervisor van Brooks, die verschillende patenten heeft op ontwerpen voor portalen voor deeltjestherapie.

Een portaal is de boogvormige bundellijn die kankerdodende deeltjes van een versneller naar een patiënt brengt. In sommige faciliteiten voor deeltjestherapie kunnen het portaal en de ondersteunende infrastructuur 50 ton of meer wegen, vaak in een speciaal gebouwde vleugel van een ziekenhuis. Trbojevic schat dat een portaal met het compacte ontwerp van Brooks slechts één ton zou wegen. Dat zou de kosten van het bouwen van dergelijke faciliteiten verlagen.

"Plus zonder dat elektriciteit [naar de magneten] nodig is om de veldsterkte te veranderen, het zou veel gemakkelijker te bedienen zijn, ' zei Trbojevic.

Het vermogen om deeltjes snel te versnellen naar hogere en hogere energieniveaus binnen een enkele versnellerring zou ook de kosten van voorgestelde toekomstige natuurkundige experimenten kunnen verlagen, waaronder een muonversneller, een neutrinofabriek, en een elektronen-ionenversneller (EIC). In deze gevallen, extra acceleratiecomponenten zouden de bundels naar een hogere energie sturen.

Bijvoorbeeld, Natuurkundigen van Brookhaven hebben samengewerkt met natuurkundigen van de Cornell University aan een soortgelijk vast-veldontwerp, CBETA genaamd. dat project, ontwikkeld met financiering van de New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), is een iets grotere versie van Brooks' machine en bevat alle acceleratorcomponenten om elektronenstralen op de energieën te brengen die nodig zijn voor een EIC. CBETA vertraagt ​​ook elektronen zodra ze zijn gebruikt voor experimenten om het grootste deel van de energie terug te winnen en opnieuw te gebruiken. Het zal ook stralen van meerdere energieën tegelijkertijd testen, iets wat Brooks' proof-of-principle-experiment bij de ATF niet deed. Maar de succesvolle test van Brooks versterkt het vertrouwen dat het CBETA-ontwerp degelijk is.

"Iedereen in de Collider-Accelerator-afdeling van Brookhaven heeft dit project zeer gesteund, " zei Trbojevic, Hoofdonderzoeker Brookhaven op CBETA.

Zoals de voorzitter van de afdeling Collider-Accelerator, Thomas Roser, opmerkte:"Al deze inspanningen werken in de richting van geavanceerde versnellerconcepten die uiteindelijk de wetenschap en de samenleving als geheel ten goede zullen komen. We kijken uit naar het volgende hoofdstuk in de evolutie van deze technologie."