Ballonnen kunnen helpen om een ​​ruimte perfect te maken voor een feest. Nu kunnen ze ook helpen als het gaat om het versnellen van deeltjes tot bijna de lichtsnelheid.

Het innovatieve gebruik van ballonnen zorgt voor een nieuwe, gepatenteerde manier voor ingenieurs om het metalen hart van deeltjesversnellers vorm te geven.

Veel deeltjesversnellers gebruiken structuren die holtes worden genoemd, die zorgen voor de kick die nodig is om deeltjes te versnellen naar hogere en hogere energieën terwijl de deeltjes de een na de ander doorschieten. Gelegen diep in een versneller en gekoeld door een omhulsel dat vloeibaar helium bevat, holtes moeten precies de juiste vorm en grootte hebben om deeltjes tot de gewenste energieën te stimuleren. Zelfs kleine verschillen in de vorm van deze metalen kamers maken grote verschillen in de elektrische velden die in de holtes worden gegenereerd om deeltjes naar grotere snelheden te duwen.

Geconfronteerd met een bepaalde holte die te misvormd was om te gebruiken en ontoegankelijk vanwege zijn metalen omhulsel, Fermilab-ingenieurs Mohamed Hassan en Donato Passarelli kregen een idee:wat als je een holte zou kunnen hervormen zonder de omringende schaal te verwijderen? Ze gingen aan het werk, het ontwikkelen van een innovatief proces genaamd balloon tuning.

"Ik hoop dat het afstemmen van ballonnen een voorbeeld is voor de acceleratorgemeenschap - dat we out of the box moeten denken en niet altijd bij de standaard en gebruikelijke techniek moeten blijven, ' zei Passarelli.

Het gepatenteerde ballonafstemmingsproces is een nieuwe optie in de reeks technieken die worden gebruikt om holtes voor te bereiden voordat ze in een versneller worden geïnstalleerd.

De meeste versnellingsholten zijn een reeks ronde, holle cellen die eruitzien als een gigantische streng metalen kralen. Voordat een spouw wordt geplaatst, het wordt zorgvuldig getest en afgesteld met behulp van een geautomatiseerde machine die de randen van elke cel vastpakt om kleine, precieze aanpassingen:een klein duwtje hier, een beetje rekken daar. Het proces gaat door totdat de holte is aangepast zodat, zodra de holte in een versneller actief is, het is in de vorm om het perfecte elektrische veld te produceren om geladen deeltjes voort te stuwen.

Maar voordat de meeste holtes kunnen worden geplaatst, ze moeten ook worden voorzien van een metalen mantel, zodat de holte met vloeibaar helium tot extreem lage temperaturen kan worden gekoeld. Daarna, de enige gemakkelijke manier om krachten op de cellen uit te oefenen, is door aan de uiteinden van de holte te duwen of eraan te trekken, in plaats van zich op elke cel afzonderlijk te richten. Als een holte tijdens of na het aantrekken van de jas misvormd raakt, de traditionele stemmethode kan niet worden toegepast zonder het metalen omhulsel eraf te knippen - een moeizaam, tijdrovende klus.

Hassan en Passarelli begonnen na te denken over deze uitdaging nadat een oude testholte vervormd was tijdens een druktest.

"Na de druktest, Ik was vastbesloten om een ​​manier te vinden om deze holte te repareren en dacht:'Waarom niet van binnenuit toegang, die zelfs met een jas toegankelijk is?'" zei Hassan.

De noodzaak om de kracht in de holtes uit te oefenen zonder het binnenoppervlak te krassen of onaanvaardbare niveaus van verontreiniging te introduceren, leidde ertoe dat ze speciaal ontworpen ballonnen van rubberen nylon gebruikten.

Een pomp vult elke ballon met lucht totdat deze ongeveer twee bar druk uitoefent - iets minder dan wat wordt aanbevolen voor standaard autobanden. Dit is niet genoeg druk om een ​​holtecel op zichzelf te hervormen, maar die druk kan worden gebruikt om te beïnvloeden welke cel vervormt wanneer krachten worden uitgeoefend op de uiteinden van een holte bij kamertemperatuur. Met ballonnen kun je een bepaalde cel uitkiezen, ofwel uitrekken of knijpen.

Als een bepaalde cel uitgerekt moet worden, een ballon die erin is opgeblazen, geeft een extra duwtje om uit te zetten als de flenzen uit elkaar worden getrokken. Terwijl als een cel moet worden geperst, een reeks ballonnen kan alle andere cellen ondersteunen als de twee uiteinden tegen elkaar worden gedrukt.

De ingenieurs en hun team demonstreerden het concept door een holle holte af te stemmen. Daarna richtten ze hun aandacht op de misvormde holte die hen had geïnspireerd om het proces te ontwikkelen. Ze slaagden erin om het in bruikbare staat terug te brengen.

"Ballonafstemming zal een mooi extra hulpmiddel zijn voor het produceren van holtes dat behoorlijk wat geld en tijd kan besparen, ' zei Hassan.

Goed presterende holtes zijn cruciale componenten in de aankomende PIP-II-versneller van Fermilab en de LCLS-II röntgenlaser van het SLAC National Accelerator Laboratory, en ze vormen een belangrijk onderdeel van een huidig ​​Fermilab-project om de tijd te verlengen dat een qubit informatie kan bewaren.

De ballon-tuning-techniek is onlangs gepatenteerd, in recordtijd door het octrooibureau snellen voor Fermilab, zei Aaron Sauers, de patent- en licentiemanager van het lab.

"Mohamed en Donato ontwikkelden een werkelijk prachtige methode en apparaat om geklede holtes af te stemmen, " zei Sauers. "Ik was opgewonden om de octrooiaanvraag op hun uitvinding in te dienen."

Hassan en Passarelli zien geautomatiseerde ballonafstemming als een mogelijkheid, waardoor het net zo gemakkelijk te gebruiken zou kunnen zijn als de huidige methode is voor holtes zonder mantel. De techniek kan ook toepassingen vinden in andere gebieden die soortgelijke holtes gebruiken.

"De hoop is dat mensen die naar dit idee kijken, geïnspireerd raken en deze techniek aanpassen of gebruiken in hun eigen toepassing, ' zei Passarelli.