En avancerad partikelaccelerator utformad vid U.S. Department of Energy Brookhaven National Laboratory kan minska kostnaderna och öka mångsidigheten hos anläggningar för fysikforskning och cancerbehandling. Den använder lätt, 3D-tryckta ramar för att hålla block av permanentmagneter och en innovativ metod för att finjustera magnetfältet för att styra flera strålar med olika energier genom ett enda strålrör.

Med denna design, fysiker kan accelerera partiklar genom flera steg till högre och högre energier inom en enda magnetring, istället för att kräva mer än en ring för att uppnå dessa energier. I en medicinsk miljö, där partikelstrålarnas energi avgör hur långt de tränger in i kroppen, läkare kunde lättare leverera en rad energier för att zapera en tumör genom hela dess djup.

Forskare testar en prototyp av den kompakta, kostnadseffektiv design vid Brookhaven's Accelerator Test Facility (ATF)-en DOE Office of Science User Facility-säger att det kom igenom med glans. Färgkodade bilder visar hur en serie elektronstrålar accelererade till fem olika energier framgångsrikt passerade genom den fem fot långa kurvan av magneter, med varje stråle som spårar en annan väg inom samma strålrör med en diameter på två tum.

"För var och en av fem energinivåer, vi injicerade strålen vid den "ideala" banan för den energin och skannade för att se vad som händer när den är något utanför den ideala banan, "sa Brookhaven Lab -fysikern Stephen Brooks, designarkitekt. Christina Swinson, en fysiker vid ATF, styrde strålen genom ATF -linjen och Brooks magnetaggregat och spelade en väsentlig roll för att köra experimenten.

"Vi utformade dessa experiment för att testa våra förutsägelser och se hur långt bort du kan gå från den perfekta inkommande banan och fortfarande få strålen igenom. För det mesta, all balk som gick in kom ut i andra änden, Sa Brooks.

Strålarna nådde energier mer än 3,5 gånger vad som tidigare hade uppnåtts i en liknande accelerator gjord av betydligt större elektromagneter, med en fördubbling av förhållandet mellan de högsta och lägsta energistrålarna.

"Dessa tester ger oss förtroende för att denna acceleratorteknik kan användas för att bära strålar med ett brett spektrum av energier, Sa Brooks.

Inga kablar krävs

De flesta partikelacceleratorer använder elektromagneter för att generera de kraftfulla magnetfält som krävs för att styra en stråle av laddade partiklar. För att transportera partiklar av olika energier, forskare ändrar magnetfältets styrka genom att öka eller minska den elektriska ström som passerar genom magneterna.

Brooks design använder istället permanenta magneter, den typ som förblir magnetisk utan elektrisk ström - som de som håller sig till ditt kylskåp, bara starkare. Genom att arrangera olika formade magnetblock för att bilda en cirkel, Brooks skapar ett fast magnetfält som varierar i styrka över olika positioner inom den centrala bländaren i varje munkformad magnetuppsättning.

När magneterna är uppradade från ände till ände som pärlor på ett halsband för att bilda en böjd båge-som de var i ATF-experimentet med hjälp av Brookhavens lantmäteriteam för att uppnå precisionsjustering-rör sig högre energipartiklar till den starkare delen av fält. Omväxlande fältriktningar för sekventiella magneter håller partiklarna oscillerande längs deras föredragna bana när de rör sig genom bågen, utan någon kraft som behövs för att rymma partiklar av olika energier.

Ingen el innebär mindre stödjande infrastruktur och enklare drift-som alla bidrar till den betydande kostnadsbesparingspotentialen för denna icke-skalning, fast fält, alternerande gradientacceleratorsteknik.

Förenklad design

Brooks arbetade med George Mahler och Steven Trabocchi, ingenjörer i Brookhavens Collider-Accelerator-avdelning, att montera de bedrägligt enkla men ändå kraftfulla magneterna.

Först använde de en 3D-skrivare för att skapa plastramar för att hålla de formade magnetblocken, som bitar i ett pussel, runt den centrala bländaren. "Olika storlekar, eller blocktjocklekar, och magnetismens riktningar tillåter ett anpassat fält inom bländaren, Sa Brooks.

Efter att blocken hade knackats i ramarna med en klubba för att skapa en grov enhet, John Cintorino, en tekniker i Labs magnetavdelning, mätte fältets styrka. Teamet finjusterade sedan varje enhet genom att sätta in olika längder av järnstavar i så många som 64 positioner runt en andra 3D-tryckt patron som passar in i magnetringen. Ett beräkningsprogram som Brooks skrev använder de grova monteringsfältets hållfasthetsmätningar för att bestämma exakt hur mycket järn som går in i varje lucka. Han arbetar också för närvarande med en robot för att skräddarsy och sätta in stavarna.

Finjusteringen i slutstadiet "kompenserar för eventuella fel vid bearbetning och positionering av magnetblocken, "Brooks sa, förbättra kvaliteten på fältet 10-faldigt över den grova enheten. De sista magneternas egenskaper matchar eller överträffar till och med egenskaperna hos sofistikerade elektromagneter, som kräver mycket mer exakt konstruktion och bearbetning för att skapa varje enskild metallbit.

"Den enda högteknologiska utrustningen i vår installation är den roterande spolen som vi använder för att göra precisionsmätningar, " han sa.

Ansökningar och nästa steg

Den lätta, kompakta komponenter och förenklad drift av Brooks permanenta magnetstråltransportlinje skulle vara "en dramatisk förbättring från vad som för närvarande finns på marknaden för att leverera partikelstrålar i cancerbehandlingscentra, "sa Dejan Trbojevic, Brooks handledare, som innehar flera patent på mönster för partikelterapiportaler.

En port är den välvda strållinjen som levererar cancerdödande partiklar från en accelerator till en patient. I vissa partikelterapianläggningar kan portalen och stödinfrastrukturen väga 50 ton eller mer, upptar ofta en specialkonstruerad flygel på ett sjukhus. Trbojevic uppskattar att en portal med Brooks kompakta design skulle väga bara ett ton. Det skulle sänka kostnaden för att bygga sådana anläggningar.

"Plus utan behov av elektricitet [till magneterna] för att ändra fältstyrkor, det skulle vara mycket lättare att använda, "Sa Trbojevic.

Möjligheten att accelerera partiklar snabbt till högre och högre energinivåer inom en enda acceleratorring kan också sänka kostnaden för föreslagna framtida fysikförsök, inklusive en muon -kolliderare, en neutrino -fabrik, och en elektronjon-kolliderare (EIC). I dessa fall, ytterligare acceleratorkomponenter skulle öka strålarna till högre energi.

Till exempel, Brookhaven-fysiker har samarbetat med fysiker vid Cornell University om en liknande fast fältdesign som kallas CBETA. Det projektet, utvecklad med finansiering från New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), är en något större version av Brooks maskin och innehåller alla acceleratorkomponenter för att föra elektronstrålar upp till de energier som krävs för en EIC. CBETA saktar också ner elektroner när de har använts för experiment för att återvinna och återanvända det mesta av energin. Det kommer också att testa strålar med flera energier samtidigt, något Brooks princip-princip-experiment på ATF inte gjorde. Men Brooks framgångsrika test stärker förtroendet för att CBETA -designen är sund.

"Alla på Brookhavens Collider-Accelerator-avdelning har stött detta projekt mycket, sa Trbojevic, Brookhavens huvudutredare på CBETA.

Som Collider-Accelerator avdelningsordförande Thomas Roser noterade, "Alla dessa ansträngningar arbetar mot avancerade acceleratorkoncept som i slutändan kommer att gynna vetenskapen och samhället som helhet. Vi ser fram emot nästa kapitel i utvecklingen av denna teknik."