Wetenschappers van de Cornell University en het Brookhaven National Laboratory (BNL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben met succes 's werelds eerste opvang en hergebruik van energie aangetoond in een multi-turn deeltjesversneller, waar elektronen in meerdere fasen worden versneld en vertraagd en met verschillende energieën door een enkele bundellijn worden getransporteerd. Deze vooruitgang maakt de weg vrij voor ultraheldere deeltjesversnellers die veel minder energie verbruiken dan de huidige machines.

Toepassingen zijn onder meer de productie van medische isotopen, kanker therapie, Röntgenbronnen, en industriële toepassingen zoals de productie van microchips, evenals meer energie-efficiënte machines voor fundamenteel onderzoek in de natuurkunde, materiaal kunde, en vele andere velden. Een voorbeeld:wetenschappers kunnen dergelijke versnellertechnologie voor energieterugwinning gebruiken om efficiënt elektronen te genereren voor het "koelen" van ionen bij de Electron-Ion Collider, een geplande baanbrekende onderzoeksfaciliteit voor kernfysica die zal worden gevestigd in Brookhaven Lab.

De Cornell-BNL ERL-testversneller, of CBETA, gevestigd te Cornel, is een lineaire versneller voor energieterugwinning (ERL) die twee transformationele "groene" technologieën gebruikt:in plaats van de energie van eerder versnelde deeltjes te dumpen, het herstelt en hergebruikt die energie om de volgende batch deeltjes te versnellen. En de bundellijn die de deeltjes door de versneller stuurt, is gemaakt van permanente magneten, die geen elektriciteit nodig hebben om te werken. Verwacht wordt dat dit de meest energie-efficiënte technologieën zullen worden voor high-performance versnellers van de toekomst.

"Het hergebruiken van de energie van een deeltjesbundel in dit nieuwe soort versneller maakt helderdere bundels beschikbaar, die tot nu toe te veel energie zou hebben gekost, " zei Georg Hoffstaetter, natuurkundeprofessor en hoofdonderzoeker voor Cornell. Naast de bovengenoemde toepassingen, Hoffstaetter wijst erop dat "een dergelijke innovatieve technologie en deze helderdere stralen waarschijnlijk zullen leiden tot extra gebruik dat nog moet worden bedacht."

De constructie van CBETA werd gefinancierd door de New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA) en gebruikte componenten die werden ontwikkeld met fondsen van de National Science Foundation (NSF) en industriële partners. Het CBETA-team bereikte de belangrijkste mijlpaal van volledige energieterugwinning en herversnelling van deeltjes in de vroege uren van 24 december, 2019, op schema. Vanaf dat moment, het team is doorgegaan met het verbeteren van de prestaties van CBETA.

Alicia Barton, Voorzitter en CEO, NYSERDA, zei, "NYSERDA is buitengewoon trots om dit baanbrekende project te ondersteunen en we kijken ernaar uit om te zien hoe het ons vermogen om de meest dringende wetenschappelijke en maatschappelijke uitdagingen van onze tijd aan te pakken, verbetert. New Yorks steun voor technologieën die economie-brede voordelen opleveren, is onwrikbaar onder het bewind van gouverneur Cuomo. leiderschap en we feliciteren onze partners met deze geweldige mijlpaal."

Basisprincipes van ontwerp voor energieterugwinning

De CBETA-machine bevat 's werelds eerste supergeleidende lineaire versneller voor energieterugwinning, waarin een straal wordt versneld door vier keer door een supergeleidende radiofrequentie (SRF) holte te gaan om zijn hoogste energie te bereiken. Door nog vier keer door dezelfde holte te gaan, maar deze keer langzamer, de energie van de straal wordt opgevangen en beschikbaar gemaakt voor nieuwe deeltjes die kunnen worden versneld. Dit ERL-concept werd voor het eerst voorgesteld in 1965 door Maury Tigner, emeritus hoogleraar aan de Cornell University, maar het kostte tientallen jaren werk bij Cornell en elders om de noodzakelijke technologie te ontwikkelen.

Na elke passage door het versnellingsapparaat, de deeltjes hebben een andere energie en doorkruisen hun eigen "baan" door een speciale ketting van magneten, aangeduid als Fixed-Field-Alternating Linear Gradient (FFA-LG) bundellijn, die de deeltjes terugleidt naar de SRF-holtes. De permanente magneten waaruit deze bundellijn bestaat, zijn ontworpen, ontwikkelde, en precies gevormd bij Brookhaven zodat alle balken dezelfde magneetstructuur kunnen doorkruisen, ook al hebben ze vier verschillende energieën. Dit ontwerp vermindert de behoefte aan meerdere versnellerringen om bundels met verschillende energieën op te vangen en elimineert de noodzaak voor elektriciteit om de magneten aan te drijven, verdere verlaging van de kosten en verbetering van de algehele efficiëntie.

Dejan Trbojevic, senior natuurkundige en hoofdonderzoeker voor de deelname van Brookhaven aan het project, beschreef voor het eerst het idee van het versnellen van bundels met meerdere energieën in een enkele bundellijn gemaakt van magneten met een vast veld alternerende gradiënt in een muon-collider-werkplaats in 1999. Ondertussen, Cornell ontwikkelde componenten voor een supergeleidende ERL.

"Met CBETA, het idee was om aan te tonen dat Brookhaven's single-beamline retourlus zou werken met Cornell's ERL-technologie voor de versnelling van elektronen, deeltjes met veel meer potentiële toepassingen dan hun zwaardere muon-neven, ' zei Trbojevic.

Eind december, met Cornell-natuurkundige Adam Bartnik als hoofdoperator, CBETA deed precies dat. Beginnend met een elektronenbundel met een energie van zes miljoen elektronvolt (MeV), de versnellercomponenten brachten de deeltjes tot 42, 78, 114, en 150 MeV in vier passages door de ERL. Na vertraging gedurende vier extra passages door de SRF-holten, de deeltjes bereikten hun oorspronkelijke 6 MeV-energie - op precies dezelfde positie als de startstraal. Hieruit bleek dat volledige terugwinning van elektronenenergie was bereikt, en dat de SRF-holten werden geactiveerd om de volgende batch deeltjes te versnellen.

Deze prestatie maakt CBETA de eerste multi-turn ERL die de energie van versnelde deeltjesbundels in SRF-versnellende structuren terugwint, en de eerste versneller die een enkele bundellijn met vaste magnetische velden gebruikt om zeven verschillende versnellende en vertragende energiebundels te transporteren.

"We hadden deze resultaten niet kunnen bereiken zonder veel bijdragen tijdens het ontwerp, bouw, en inbedrijfstellingsfasen door wetenschappers, ingenieurs, en technisch personeel in zowel Brookhaven als Cornell, samen met input van vele industriële partners en gerenommeerde acceleratorexperts, " zei Brookhaven Lab-ingenieur Rob Michnoff, directeur van het CBETA-project.