Deeltjesversnellers zijn de motoren van het deeltjesfysica-onderzoek bij Fermilab. Ze genereren bijna lichtsnelheid, subatomaire deeltjes die wetenschappers bestuderen om tot op de bodem uit te zoeken wat ons universum drijft. Fermilab-experimenten zijn afhankelijk van een aantal verschillende versnellers, waaronder een krachtige, 500 meter lange lineaire versneller die het proces van het verzenden van deeltjesbundels naar verschillende bestemmingen op gang brengt.

Maar als je geen natuurkundig onderzoek doet, waar is een versneller goed voor?

Het blijkt, best veel:elektronenstralen die worden gegenereerd door lineaire versnellers hebben allerlei praktische toepassingen, zoals het smeltbestendig maken van de draden in auto's of het zuiveren van water.

Een project genaamd Accelerator Application Development and Demonstration (A2D2) in Fermilab's Illinois Accelerator Research Center zal Fermilab en zijn partners helpen bij het verkennen van nieuwe toepassingen voor compacte lineaire versnellers, die slechts een paar voet lang zijn in plaats van een paar honderd. Deze compacte versnellers zijn van bijzonder belang vanwege hun kleine formaat - ze zijn goedkoper en praktischer om te bouwen in een industriële omgeving dan deeltjesfysica-onderzoeksversnellers - en ze kunnen krachtiger zijn dan ooit.

"A2D2 heeft twee aspecten:de ene is om nieuwe toepassingen te onderzoeken van hoe elektronenstralen kunnen worden gebruikt om te veranderen, verschillende materialen wijzigen of verwerken, " zei Tom Kroc van Fermilab, een A2D2-fysicus. "De tweede is om iets meer bij te dragen aan het begrip van hoe deze processen plaatsvinden."

Om deze aspecten van acceleratortoepassingen te ontwikkelen, A2D2 zal een compacte lineaire versneller gebruiken die ooit in een ziekenhuis werd gebruikt om tumoren met elektronenstralen te behandelen. Met een paar upgrades om zijn kracht te vergroten, de A2D2-versneller zal klaar zijn voor een nieuwe onderneming:het verkennen en benchmarken van andere mogelijke toepassingen van elektronenstralen, die zal helpen bij het specificeren van het ontwerp van een nieuwe, industriële kwaliteit, krachtige machine in ontwikkeling door IARC en zijn partners.

Het zullen niet alleen Fermilab-wetenschappers zijn die de A2D2-versneller gebruiken:als onderdeel van IARC, de versneller zal beschikbaar zijn voor gebruik (meestal via een formele CRADA- of SPP-overeenkomst) door iedereen die een nieuw idee heeft voor toepassingen met elektronenstralen. Het doel van IARC is om samen te werken met de industrie om manieren te onderzoeken om fundamenteel onderzoek en hulpmiddelen te vertalen, inclusief versnelleronderzoek, in commerciële toepassingen.

"Ik heb al veel mensen uit de industrie die me vragen, 'Wanneer kan ik A2D2 gebruiken?'" zei Charlie Cooper, algemeen directeur van IARC. "Met A2D2 kunnen we direct bijdragen aan industriële toepassingen - het is iets concreets dat IARC nu biedt."

Over beton gesproken, een van de eerste toepassingen in gedachten voor compacte lineaire versnellers is het creëren van duurzame bestrating voor wegen die niet barsten in de kou of uitzetten in de hitte. Dit kan worden bereikt door traditioneel asfalt te vervangen door een materiaal dat kan worden versterkt met een versneller. De extra sterkte zou komen van crosslinking, een proces dat verbindingen creëert tussen lagen materiaal, bijna alsof je lijm tussen vellen papier aanbrengt. Een enkel vel papier scheurt gemakkelijk, maar wanneer twee of meer lagen door lijm zijn verbonden, het papier wordt sterker.

"Met behulp van versnellers, je zou bestrating kunnen hebben die langer meegaat, is taaier en heeft een groter temperatuurbereik, " zei Bob Kephart, directeur van IARC. Kephart heeft twee patenten voor het proces van het uitharden van cement door middel van crosslinking. "In principe, je zou de weg neerleggen zoals je nu doet, en je zou er een gaspedaal overheen laten gaan, en ineens zou je er echt stoer spul van maken, zoals de bedvoering achter in je pick-up truck."

Dit proces heeft al de aandacht getrokken van het US Army Corps of Engineers, dat een van de eerste partners van A2D2 zal zijn. Een andere partner is het Chicago Metropolitan Water Reclamation District, die het nut van compacte versnellers voor waterzuivering zal testen. Veel andere potentiële klanten staan ​​in de rij om het A2D2-technologieplatform te gebruiken.

"Je kunt in principe chemische reacties aansturen met elektronenstralen - en in veel gevallen kunnen die efficiënter zijn dan conventionele technologie, dus er zijn verschillende toepassingen, "Zei Kephart. "Meestal moet je een batch van iets maken en het opwarmen om een ​​reactie te laten plaatsvinden. Een elektronenstraal kan een reactie laten plaatsvinden door een binding met een enkel elektron te verbreken."

Met andere woorden, in plaats van een materiaal lang te moeten koken om een ​​specifieke warmte te bereiken die een chemische reactie zou veroorzaken, je zou het met een elektronenstraal kunnen zappen om hetzelfde effect in een fractie van de tijd te krijgen.

Naast het verkennen van de nieuwe elektronenstraaltoepassingen met de A2D2-versneller, wetenschappers en ingenieurs van IARC gebruiken geavanceerde versnellertechnologie om een ​​nieuw soort draagbare, compacte versneller, een die toepassingen ontdekt met A2D2 uit het lab en in het veld zal brengen. De A2D2-versneller is al klein in vergelijking met de meeste versnellers, maar de nieuwste R&D stelt IARC-experts in staat om de omvang te verkleinen en tegelijkertijd de kracht van hun voorgestelde versneller nog verder te vergroten.

"De nieuwe, compacte versneller die we aan het ontwikkelen zijn, zal een hoog vermogen en een hoge energie voor de industrie zijn, " zei Cooper. "Dit zal sommige dingen mogelijk maken die in het verleden niet mogelijk waren. Voor zoiets als het opruimen van het milieu, je zou het gaspedaal rechtstreeks naar de site kunnen nemen."

Terwijl het IARC-team deze draagbare versneller ontwikkelt, die op een standaard aanhanger zou moeten passen, de A2D2-versneller blijft een plek om te experimenteren met het gebruik van elektronenstralen - en om te bestuderen wat er gebeurt als je dat doet.

"Het punt van deze faciliteit is meer ontwikkeling dan onderzoek, er zal echter enig onderzoek worden gedaan naar bestraalde monsters, " zei Mike Geelhoed van Fermilab, een van de A2D2-projectleiders. "We zijn allemaal enthousiast - ik in ieder geval. Wij en onze partners anticiperen al een tijdje op deze machine. We willen allemaal zien hoe goed hij kan presteren."