På uppdrag av CERN, forskare vid ETH Zürich har utvecklat en högteknologisk enhet för tillverkning av extremt exakta, högspänningspulser som kan användas i nästa generation av partikelacceleratorer.

Den mest kända användningen av högspänningspulser är i elektriska staket på gårdar. Dock, partikelacceleratorer i storskaliga forskningsanläggningar som CERN i Genève är också beroende av högspänningspulsgeneratorer-men dessa producerar pulser med mycket högre energier och spänningar än de som används i jordbruksstaket. För närvarande pågår förberedande arbeten på CERN för nästa storskaliga forskningsprojekt från 2025. Ett av två potentiella projekt är byggandet av en 50 kilometer lång linjär accelerator i en tunnel som går från Nyon till Rhônedalen i närheten av Bellegarde i Frankrike (CLIC -projekt, se ruta). Forskare vid ETH Zürich har utvecklat en pulsgenerator som krävs för denna accelerator inom ramen för ett samarbetsavtal med CERN. För några dagar sedan, prototyper levererades till CERN, där de nu kommer att sättas igenom sina steg.

Pulsgeneratorn, som upptar ungefär tre kubikmeter, ger pulser på 180, 000 volt från 400-volts offentlig strömförsörjning, som varar exakt 140 miljoner av en sekund. För att säkerställa att den allmänna strömförsörjningen är jämnt laddad och inte störs av toppimpulser, 8 stora och nästan 200 små kondensatorer (tillfälliga energilagringsenheter) i pulsgeneratorn laddas och urladdas kontinuerligt 50 gånger per sekund. En specialutvecklad transformator säkerställer att den nödvändiga utspänningen uppnås så snabbt och effektivt som möjligt.

Flera hundra accelerationssteg

Det potentiella framtida storskaliga forskningsprojektet vid CERN kommer att omfatta acceleration av elektroner och positroner (elektronantiklar). "Denna acceleration kommer att ske i en klystron, som förlitar sig på högspänningspulserna som levereras av pulsgeneratorn, "förklarar Jürgen Biela, Professor i högeffekts elektroniska system vid ETH Zürich. De 140 mikrosekund långa pulserna används i klystron för att producera ett mycket högfrekvent växlande fält. Elektroner eller positroner accelereras i detta växlande fält.

Om CLIC -acceleratorn är byggd, över tusen klystroner kommer att krävas för att accelerera elektroner och positroner i etapper tills de närmar sig ljusets hastighet. Varje klystron skulle drivas av sin egen pulsgenerator.

Mätning i realtid för maximal effektivitet

En av de största utmanarna för ETH -forskarna var att bygga pulsgeneratorn på ett sådant sätt att de producerade pulserna är alla lika långa och lika stora med en relativ tolerans på högst hundra tusendel. Dessutom, CERN specificerade att spänningen för varje puls ska hoppa från 0 volt till 180, 000 volt och tillbaka extremt snabbt. För att uppnå detta, enheten mäter strömflödet hundratusen gånger per sekund och styr det i realtid.

"Om pulshoppet var långsammare, mer oanvänd kraft skulle överföras till klystron, vilket skulle minska pulsgeneratorns energieffektivitet, "förklarar Sebastian Blume. Under sin doktorandforskning i Bielas laboratorium, han spelade en nyckelroll i utvecklingen av pulsgeneratorn. Effektiviteten är därför en central faktor, eftersom utrustningen använder relativt stora mängder energi:effekten hos en pulsgenerator är mer än hundra gånger kraften i en tvättmaskin eller stor dammsugare.

ETH:s professor Biela har redan spelat en nyckelroll i utvecklingen av pulsgeneratorer för SwissFEL, synkrotronstrålningskällan som började sin verksamhet för några månader sedan vid Paul Scherrer -institutet, som en del av ett gemensamt projekt med det schweiziska elektroteknikföretaget Ampegon.

Linjär accelerator eller större ringaccelerator?

Det förväntas att LHC (Large Hadron Collider) partikelaccelerator vid CERN kommer att köras fram till 2035 eller 2040. Utöver detta, diskussioner är för närvarande inriktade på två möjliga storskaliga forskningsprogram som konkurrerar med varandra. CERN kommer att bestämma vilken som ska installeras inom de närmaste tre åren.

CLIC-projektet (Compact Linear Collider) använder en 50 kilometer lång tunnel för att accelerera elektroner från ena änden och positroner från den andra till mitten av tunneln där de kolliderar med varandra. Genom att använda denna typ av linjär accelerator kan elementära partiklar som Higgs boson mätas mycket mer exakt än vad som för närvarande är möjligt med LHC, eller skulle vara möjligt med det andra framtida projektet som diskuteras, FCC (Future Circular Collider).

En accelerationsring med en omkrets på 80 till 100 kilometer diskuteras för närvarande för FCC -projektet. Som jämförelse, LHC har en omkrets på 27 kilometer. Kollisionsenergin i FCC skulle vara sju gånger större än den som uppnås i LHC. Jämfört med CLIC -projektet, detta har fördelen att det skulle ge en bättre plattform för upptäckten av nya grundläggande effekter och partiklar.