När det gäller partikelacceleratorer, magneter är en nyckel till framgång. Kraftfulla magnetfält håller partikelstrålar "på rätt spår" när de rampas upp till högre energi, kraschade i kollisioner för fysiska experiment, eller levereras till patienter till zap tumörer. Innovativa magneter har potential att förbättra alla dessa applikationer.

Det är ett mål med Cornell-Brookhaven "Energy-Recovery Linac" testaccelerator, eller CBETA, under uppbyggnad vid Cornell University och finansierat av New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA). CBETA förlitar sig på en strållinje gjord av banbrytande magneter utformade av fysiker vid U.S. Department of Energy Brookhaven National Laboratory som kan bära fyra strålar med mycket olika energier samtidigt.

"Forskare och ingenjörer på Brookhavens Collider-Accelerator Department (C-AD) har just avslutat produktionen och monteringen av 216 fasta fält av exceptionell kvalitet, växlande lutning, permanenta magneter för detta projekt - en viktig milstolpe, "sade C-AD-ordföranden Thomas Roser, som övervakar laboratoriets bidrag till CBETA.

Den nya magnetdesignen, utvecklad av Brookhaven-fysikern Stephen Brooks och C-AD-ingenjören George Mahler, har ett fast magnetfält som varierar i styrka vid olika punkter inom varje cirkulär magnets bländare. "I stället för att behöva öka magnetfältet för att rymma strålar av olika energier, strålar med olika energier hittar helt enkelt sin egen "sweet spot" i bländaren, "sa Brooks. Resultatet:Strålar med fyra olika energier kan passera genom en enda strålning samtidigt.

I CBETA, en kedja av dessa magneter som sitter ihop som pärlor på ett halsband kommer att bilda det som kallas en returslinga som upprepade gånger levererar massor av elektroner till en linjär accelerator (linac). Fyra resor genom linledens supraledande radiofrekvenshålrum ökar elektronernas energi, och ytterligare fyra kommer att minska dem så att energin som lagras i strålen kan återvinnas och återanvändas för nästa accelerationsomgång.

"Gängen med olika energier är alla tillsammans i returslingan, med alternerande magnetfält som håller dem oscillerande längs sina individuella vägar, men sedan går de samman och går in i linacen sekventiellt, "förklarade C-AD-maskiningenjören Joseph Tuozzolo." När ett gäng går igenom och accelereras, ett annat gäng retarderas och energin som återhämtas från retardationen kan påskynda nästa gäng. "

Även när strålarna används för experiment, energiåtervinningen förväntas vara nära 99,9 procent, vilket gör denna "superledande energiåtervinningslinak (ERL)" till en potentiell spelväxlare när det gäller effektivitet. Nya buntar av elektroner med nästan ljushastighet tas upp till maximal energi varje mikrosekund, så färska balkar är alltid tillgängliga för experiment.

Det är en av de stora fördelarna med att använda permanentmagneter. Elektromagneter, som kräver elektricitet för att ändra magnetfältets styrka, skulle aldrig kunna stiga upp tillräckligt snabbt, han förklarade. Använda permanenta fasta fältmagneter som inte kräver elektricitet - som de magneter som fastnar på ditt kylskåp, bara mycket starkare - undviker det problemet och minskar energin/kostnaden som krävs för att köra gaspedalen.

För att förbereda magneterna för CBETA, Brookhaven-teamet började med högkvalitativa permanentmagnetmonteringar som producerats av KYMA, ett magnettillverkande företag, baserat på designen utvecklad av Brooks och Mahler. C-AD:s Tuozzolo organiserade och ledde upphandlingsarbetet med KYMA och förvärvet av de andra komponenterna för returslingan.

Ingenjörer i Brookhaven's Superconducting Magnet Division tog exakta mätningar av varje magnets fältstyrka och använde ett magnetfältkorrigeringssystem som utvecklats och byggts av Brooks för att finjustera fälten för att uppnå den precision som behövs för CBETA. Mahler ledde sedan monteringen av de färdiga magneterna på balkplattor som håller dem perfekt i linje med den färdiga acceleratorn, medan C-AD-ingenjören Robert Michnoff ledde ansträngningen att bygga och testa elektronik för strålpositionsmonitorer som kommer att spåra partikelvägar genom strållinjen.

"Brookhavens CBETA -team nådde målen för denna milstolpe nio dagar tidigare än planerat tack vare arbetet från extremt engagerade människor som utför flera magnetmätningar och magnetundersökningar under många långa arbetsdagar, "Sa Roser.

De Brookhaven-monterade komponenterna är nu på väg till Cornell för den sista acceleratormonteringen. CBETA -teamet kommer att börja ta i drift gaspedalen i mars 2019, kör det genom de första stegen mot full funktionalitet.

Tekniken som utvecklats för CBETA kan revolutionera acceleratorvetenskap med flera potentiella applikationer, säger laget.

Till exempel, en sådan ERL skulle vara ett effektivt sätt att accelerera och återanvända elektronstrålar för att kyla strålar av tunga joner vid en föreslagen framtida elektron-jon-kolliderare (EIC) som övervägs av DOE Office of Nuclear Physics. Toppenergin som CBETA förväntar sig att uppnå i sin elektronstråle skulle vara en perfekt matchning för att extrahera överskottsvärme från jonstrålar för att hålla jonerna tätt hopbundna - ett krav för att maximera partikelinteraktioner i en kolliderare.

Den innovativa magnettekniken som utvecklats för CBETA kan också användas i acceleratorer som producerar medicinska isotoper, ets datorchips i allt mindre skalor, eller leverera högenergiproton- eller partikelstrålar för att exakt rikta tumörer. Strålleveranssystem tillverkade av småskaliga permanentmagneter kan dramatiskt minska kostnaden för partikelstråle-cancerterapi-acceleratorer, möjligen göra denna lovande behandling mer allmänt tillgänglig.

"Det är spännande att få vara med i ett projekt som har så många möjligheter för grundvetenskap och för samhället, Sa Brooks.