Wetenschap
Brookhaven Lab engineer Mathew Paniccia naast de LEReC koelsecties. Elektronen hebben met succes bundels ionen gekoeld in deze koelsecties van de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Krediet:Brookhaven National Laboratory
Natuurkundigen van versnellers hebben een baanbrekende techniek gedemonstreerd waarbij ze bundels elektronen gebruiken om bundels deeltjes koel te houden in de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science voor kernfysisch onderzoek in Brookhaven National Laboratory. Deze "bunched-beam" elektronenkoeltechniek zal hogere deeltjesbotsingssnelheden bij RHIC mogelijk maken, waar wetenschappers het puin van de botsing bestuderen om meer te weten te komen over de bouwstenen van materie zoals ze bestonden net na de oerknal.
Het versnellerteam van Brookhaven test de methode bij de laagste energieën van de versneller - een regime waar gegevens schaars waren, maar cruciaal zijn om te begrijpen hoe de deeltjes die het vroege universum vulden, transformeerden in de gewone materie die onze huidige wereld vormt.
"De energiezuinige omstandigheden zijn eigenlijk de meest uitdagende voor deze techniek, " zei Alexei Fedotov, de Brookhaven Lab-versnellerfysicus die de inspanning leidde en het team van bijna 100 mensen dat het mogelijk maakte.
"Nu we gebundelde straalkoeling hebben gedemonstreerd in de meest uitdagende energiesituatie, het opent de mogelijkheid om dezelfde principes toe te passen bij hogere energieën - inclusief bij een mogelijke toekomstige Electron-Ion Collider, " hij zei.
Uitdagingen overwinnen
De prestatie bouwt voort op een idee dat iets meer dan 50 jaar geleden werd uitgevonden door de Russische natuurkundige Gersh Budker, namelijk:met behulp van een elektronenbundel (die inherent koeler is dan grotere deeltjes die met dezelfde snelheid bewegen) om warmte te onttrekken aan een bundel grotere deeltjes. Hierdoor blijven de deeltjes stevig op elkaar gepakt en is de kans groter dat ze botsen. Maar de Brookhaven-versie bevat een reeks eerste-in-de-wereld prestaties en innovaties waarvan zelfs experts in het veld betwijfelden of ze zo snel zouden kunnen slagen.
"Er waren veel natuurkundige en technische uitdagingen om te overwinnen, ' merkte Fedotov op.
Het team moest een nieuwe ultramoderne elektronenversneller bouwen en in gebruik nemen die in de RHIC-tunnel zou passen, inclusief het gebruik van compactere radiofrequentie (RF) versnellingstechnologie in plaats van de standaard gelijkstroom (DC)-methode die wordt gebruikt in alle eerdere opstellingen voor elektronenkoeling. En omdat de ionen van RHIC circuleren als periodieke bundels deeltjes, geen continue stroom, de elektronen moesten worden geproduceerd in pulsen die overeenkwamen met die bundels - niet alleen in timing maar ook in energie en traject - en dat alles met behoud van hun intrinsieke koelte. Plus, omdat RHIC eigenlijk twee versnellers is, met ionenbundels die in tegengestelde richting bewegen in twee bundelpijpen, de natuurkundigen moesten uitzoeken hoe ze beide bundels konden koelen met dezelfde stroom elektronen!
Een schema van het LEReC-systeem, die veel belangrijke vorderingen in de versnellerwetenschap omvat. Wanneer licht van een laseropstelling buiten de RHIC-tunnel de fotokathode van een uniek gelijkstroom (DC) fotokathodekanon raakt, het produceert bundels elektronen die vervolgens worden versneld door een supergeleidende radiofrequentie (SRF) holte en getransporteerd naar koelsecties van RHIC. Hier zijn de koude elektronen precies gematcht met RHIC's ionenbundels in één RHIC-ring, dan de andere, om warmte te onttrekken en de ionen stevig opeengepakt te houden met als doel de botsingsfrequentie te maximaliseren. Krediet:Brookhaven National Laboratory
"Anders hadden we twee van deze elektronenversnellers moeten bouwen, ' zei Fedotov.
"Het is eigenlijk een enorme installatie gemaakt van veel complexe componenten, inclusief 100 meter bundellijn waar de versnelde elektronen zich voortplanten met de ionen in één RHIC-straal om hun warmte te onttrekken, maak vervolgens een draai van 180 graden om de ionen van de andere RHIC-straal die in de tegenovergestelde richting beweegt af te koelen. Dat is nog nooit eerder gedaan!"
Elektronen genereren
Om deze precisie-elektronenbundels te genereren en snel te versnellen, het team gebruikte een laser-geactiveerd fotokathode-elektronenkanon gevolgd door een versnellende RF-holte. Het pistool maakt gebruik van een hoogfrequente high-power laser en door Brookhaven ontworpen fotokathoden die met 12 tegelijk in een vacuümkamer van Brookhaven's Instrumentation Division naar de RHIC-tunnel worden getransporteerd. Eenmaal bij RHIC, de vacuümkamer kan draaien als een reuzenrad om fotokathoden uit te schakelen als ze verslijten terwijl RHIC draait, waardoor het pistool op hoge stroom kan werken voor langdurig gebruik wanneer de toegang tot RHIC beperkt is.
"Toen we het voor het eerst over dit ontwerp hadden, in 2015, dit was maar een tekening!' zei Fedotov. 'Nu gebruiken we het routinematig.'
De groene laser die de fotokathoden triggert om elektronenpulsen uit te zenden, is ook de eerste in zijn soort:de groene laser met het hoogste gemiddelde vermogen ooit gegenereerd door een enkele laser op basis van vezels. Nauwkeurige uitlijning en trimmen van de laserpulsen regelt de frequentie van de elektronenbundels die worden gegenereerd voor koeling.
Het laser- en fotokathodekanon produceerde in mei 2017 de eerste elektronenpulsen. na ingebruikname van de eerste zeven meter bundellijn (de injector voor het gaspedaal) eind 2017, het team installeerde 100 meter bundellijn, inclusief vijf RF-holtes en rechte koelsecties bedekt met verschillende lagen magnetische afscherming, in januari 2018. Vervolgens hebben ze vorig jaar de volledige elektronenversneller in gebruik genomen.
Leden van de vacuümgroep van de Collider-Accelerator-afdeling naast het kathode-inbrengapparaat (l naar r):Mike Nicoletta, Kirk Sinclair, en Ken Decker. Krediet:Brookhaven National Laboratory
Het koel houden
"De grootste uitdaging was het leveren van een straal met alle eigenschappen die nodig zijn voor koeling - dat wil zeggen kleine relatieve snelheden in alle richtingen, met bijpassende energieën en kleine hoeken - en vervolgens deze zeer energiezuinige elektronenstraal voort te planten langs 100 meter bundeltransportlijn met behoud van die eigenschappen, " zei Dmitry Kayran, de versnellerfysicus die de inbedrijfstelling leidde.
Kayran beschreef het werk aan simulaties dat ging in het optimaliseren van straalparameters, die de installatie van instrumenten voor het bewaken van de straal leidde, die op zijn beurt de plaatsing van de RF-versnellingsholten bepaalden.
"Door de versnelling straalkwaliteit kan verslechteren, deze monitoring en zorgvuldige aanpassingen heb je dus nodig om de energiespreiding zo laag mogelijk te houden, ' zei Kayran.
"Ontwerp van de koelsecties voor Low-Energy RHIC elektronenkoeling (LEReC) is uniek, " zei versnellerfysicus Sergei Seletskiy, die dat deel van de inspanning leidde. "Het behoud van de bundelkwaliteit in deze koelsecties van beide RHIC-ringen is een uitdaging, en weer iets dat met dit project voor het eerst is aangetoond.
"Veel unieke kenmerken en uitdagingen van ons project houden verband met het feit dat, voor het eerst in 50 jaar, we passen elektronenkoeling direct toe op ionenbotsingsenergie, " merkte hij op. "Het is verbazingwekkend om dit alles samen te zien komen en werken om ionen af te koelen met gebundelde elektronenbundels en in twee botsende ringen. Dit is een grote prestatie in versnellerfysica!"
De volgende stap zal zijn om aan te tonen dat de koeling de botsingspercentages verhoogt bij de RHIC-botsingen met lage energie van volgend jaar - en vervolgens de gegevens te extraheren en wat ze onthullen over de bouwstenen van materie.
Met een gebundelde elektronenkoeltechniek die nu experimenteel is gedemonstreerd in Brookhaven Lab, de toepassing ervan op hoogenergetische koeling kan nieuwe mogelijkheden openen door hoogwaardige hadronenbundels te produceren die nodig zijn voor verschillende toekomstige fysica-projecten voor versnellers, inclusief de voorgestelde Electron-Ion Collider (EIC).
LEReC werd gefinancierd door het DOE Office of Science en profiteerde van de hulp en expertise van velen in Brookhaven Lab's Collider-Accelerator Department en Instrumentation Division, evenals bijdragen van Fermi National Accelerator Laboratory, Argonne Nationaal Laboratorium, Thomas Jefferson National Accelerator Facility, en de Cornell-universiteit.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com