Als het gaat om deeltjesversnellers, magneten zijn een sleutel tot succes. Krachtige magnetische velden houden deeltjesbundels "op het goede spoor" terwijl ze worden opgevoerd naar hogere energie, crashte in botsingen voor natuurkundige experimenten, of afgeleverd aan patiënten om tumoren te zappen. Innovatieve magneten hebben het potentieel om al deze toepassingen te verbeteren.

Dat is een van de doelstellingen van de Cornell-Brookhaven "Energy-Recovery Linac"-testversneller, of CBETA, in aanbouw aan de Cornell University en gefinancierd door de New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA). CBETA vertrouwt op een bundellijn gemaakt van geavanceerde magneten, ontworpen door natuurkundigen van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, die vier bundels met zeer verschillende energieën tegelijkertijd kan dragen.

"Wetenschappers en ingenieurs van Brookhaven's Collider-Accelerator Department (C-AD) hebben zojuist de productie en assemblage voltooid van 216 vaste veld-, afwisselend verloop, permanente magneten voor dit project - een belangrijke mijlpaal, " zei C-AD voorzitter Thomas Roser, die toezicht houdt op de bijdragen van het Lab aan CBETA.

Het nieuwe magneetontwerp, ontwikkeld door Brookhaven-natuurkundige Stephen Brooks en C-AD-ingenieur George Mahler, heeft een vast magnetisch veld dat in sterkte varieert op verschillende punten binnen de opening van elke cirkelvormige magneet. "In plaats van het magnetische veld op te voeren om bundels met verschillende energieën op te vangen, stralen met verschillende energieën vinden eenvoudig hun eigen 'sweet spot' binnen de opening, " zei Brooks. Het resultaat:stralen met vier verschillende energieën kunnen tegelijkertijd door een enkele bundellijn gaan.

In CBETA, een ketting van deze magneten die aan elkaar zijn geregen als kralen aan een ketting, zal een zogenaamde retourlus vormen die herhaaldelijk bundels elektronen aflevert aan een lineaire versneller (linac). Vier reizen door de supergeleidende radiofrequente holtes van de linac zullen de energie van de elektronen verhogen, en nog eens vier zullen ze afbouwen, zodat de energie die in de straal is opgeslagen, kan worden teruggewonnen en hergebruikt voor de volgende versnellingsronde.

"De trossen met verschillende energieën zijn allemaal samen in de retourlus, met wisselende magnetische velden die ze langs hun individuele paden laten oscilleren, maar dan fuseren ze en gaan achtereenvolgens de linac in, " legde C-AD hoofdwerktuigbouwkundig ingenieur Joseph Tuozolo uit. "Als een groep doorgaat en wordt versneld, een ander peloton wordt vertraagd en de energie die wordt teruggewonnen uit de vertraging kan het volgende peloton versnellen."

Zelfs wanneer de stralen worden gebruikt voor experimenten, de energieterugwinning zal naar verwachting bijna 99,9 procent bedragen, waardoor deze "supergeleidende energieterugwinning linac (ERL)" een potentiële game changer is in termen van efficiëntie. Elke microseconde worden nieuwe bundels elektronen met bijna lichtsnelheid op de maximale energie gebracht. er zijn dus altijd verse stralen beschikbaar voor experimenten.

Dat is een van de grote voordelen van het gebruik van permanente magneten. Elektromagneten, die elektriciteit nodig hebben om de sterkte van het magnetische veld te veranderen, zou nooit snel genoeg kunnen groeien, hij legde uit. Door gebruik te maken van permanente vastveldmagneten die geen elektriciteit nodig hebben, zoals de magneten die aan uw koelkast blijven plakken, alleen veel sterker - vermijdt dat probleem en vermindert de energie/kosten die nodig zijn om het gaspedaal te laten werken.

Om de magneten voor CBETA voor te bereiden, het Brookhaven-team begon met hoogwaardige permanente magneetassemblages geproduceerd door KYMA, een magneetproductiebedrijf, gebaseerd op het ontwerp van Brooks en Mahler. Tuozolo van C-AD organiseerde en leidde de inkoopactiviteiten met KYMA en de aanschaf van de andere componenten voor de retourlus.

Ingenieurs in Brookhaven's Superconducting Magnet Division hebben nauwkeurige metingen gedaan van de veldsterkte van elke magneet en gebruikten een door Brooks ontwikkeld en gebouwd correctiesysteem voor magnetische velden om de velden nauwkeurig af te stemmen om de precisie te bereiken die nodig is voor CBETA. Mahler leidde vervolgens de montage van de voltooide magneten op liggerplaten die ze perfect uitgelijnd houden in de voltooide versneller, terwijl C-AD-ingenieur Robert Michnoff de leiding had bij het bouwen en testen van elektronica voor straalpositiemonitoren die deeltjespaden door de bundellijn volgen.

"Het CBETA-team van Brookhaven bereikte de doelen van deze mijlpaal negen dagen eerder dan gepland dankzij het werk van uiterst toegewijde mensen die gedurende vele lange werkdagen meerdere magnetische metingen en magneetonderzoeken uitvoerden, ' zei Roser.

De in Brookhaven geassembleerde componenten zijn nu onderweg naar Cornell voor de laatste assemblage van de versneller. Het CBETA-team zal in maart 2019 beginnen met de ingebruikname van de versneller, door de eerste stappen naar volledige functionaliteit te leiden.

De technologieën die voor CBETA zijn ontwikkeld, kunnen een revolutie teweegbrengen in de acceleratorwetenschap met meerdere potentiële toepassingen, zegt het team.

Bijvoorbeeld, zo'n ERL zou een efficiënte manier zijn om elektronenbundels te versnellen en opnieuw te gebruiken om bundels van zware ionen te koelen bij een voorgestelde toekomstige Electron-Ion Collider (EIC) die wordt overwogen door het DOE Office of Nuclear Physics. De piekenergie die CBETA in zijn elektronenbundel verwacht te bereiken, zou een perfecte match zijn voor het extraheren van overtollige warmte uit ionenbundels om de ionen stevig gebundeld te houden - een vereiste voor het maximaliseren van deeltjesinteracties in een versneller.

De innovatieve magneettechnologie die voor CBETA is ontwikkeld, kan ook worden gebruikt in versnellers die medische isotopen produceren, ets computerchips op steeds kleinere schaal, of leveren hoogenergetische protonen- of deeltjesbundels om tumoren nauwkeurig te richten. Straalafgiftesystemen gemaakt van kleinschalige permanente magneten kunnen de kosten van versnellers voor kankertherapie met deeltjesbundels drastisch verlagen, waardoor deze veelbelovende behandeling mogelijk breder beschikbaar wordt.

"Het is opwindend om deel uit te maken van een project dat zoveel mogelijkheden biedt voor de basiswetenschap en voor de samenleving, ' zei Brooks.