Fermilab ingenjörer Mohamed Hassan, vänster, och Donato Passarelli står nära en acceleratorhålighet och de patenterade ballongerna används för att stämma, eller omforma, hålrummet från insidan. Upphovsman:Reidar Hahn
Ballonger kan hjälpa till att göra ett utrymme perfekt för en fest. Nu kan de också hjälpa när det gäller att accelerera partiklar till nära ljusets hastighet.
Den innovativa användningen av ballonger ger en ny, patenterat sätt för ingenjörer att forma metallhjärtat hos partikelacceleratorer.
Många partikelacceleratorer använder strukturer som kallas håligheter, som ger den kick som behövs för att accelerera partiklar till högre och högre energier när partiklarna rör sig igenom den ena efter den andra. Ligger djupt inne i en accelerator och kyls av ett skal som innehåller flytande helium, hålrum måste ha precis rätt form och storlek för att öka partiklarna till önskade energier. Även små skillnader i formen på dessa metallkammare gör stora skillnader i de elektriska fälten som genereras inuti hålrummen för att pressa partiklar till högre hastigheter.
Ställd inför en särskild hålighet som var för felformad att använda och otillgänglig på grund av dess metallskal, Fermilab -ingenjörerna Mohamed Hassan och Donato Passarelli fick en idé:Tänk om du kunde omforma ett hålrum utan att ta bort det omgivande skalet? De gick till jobbet, utveckla en innovativ process som kallas ballongtuning.
"Jag hoppas att ballongjustering är ett exempel för acceleratorgemenskapen - att vi ska tänka ur rutan och inte alltid hålla fast vid den vanliga och vanliga tekniken, sa Passarelli.
Den patenterade ballongjusteringsprocessen är ett nytt alternativ i tekniken som används för att förbereda hålrum innan de installeras i en accelerator.
De flesta accelerationshålrum är en serie runda, ihåliga celler som ser ut som en gigantisk sträng av metallpärlor. Innan någon hålighet installeras, den är noggrant testad och inställd med en automatiserad maskin som tar tag i kanterna på varje cell för att göra små, exakta justeringar:lite tryck här, lite sträcka där. Processen fortsätter tills kaviteten justeras så att, när kaviteten är igång inne i en accelerator, det är i formen för att producera det perfekta elektriska fältet för att driva laddade partiklar.
För att sträcka en cell i en acceleratorhålighet, en ballong placeras inuti den och blåses upp. Upphovsman:Diana Brandonisio
Men innan de flesta hålrum kan installeras, de måste också vara utrustade med en metallmantel så att hålrummet kan kylas till extremt låga temperaturer med flytande helium. Efter det, det enda enkla sättet att utöva krafter på cellerna är att trycka eller dra i hålighetens ändar, snarare än att rikta in varje cell individuellt. Om ett hålrum blir felformat under eller efter att jackan sätts på, den traditionella inställningsmetoden kan inte tillämpas utan att klippa av metalljackan - en mödosam, tidskrävande uppgift.
Hassan och Passarelli började överväga denna utmaning efter att en gammal testkavitet deformerades under ett trycktest.
"Efter trycktestet Jag var fast besluten att hitta ett sätt att fixa detta hålrum och tänkte, 'Varför inte komma åt den inifrån, som är tillgänglig även med en jacka? ”sa Hassan.
Behovet av att applicera kraften inuti hålrummen utan att repa den inre ytan eller införa oacceptabla föroreningsnivåer fick dem att använda specialdesignade ballonger gjorda av gummerad nylon.
En pump fyller varje ballong med luft tills den applicerar ungefär två bar tryck - lite mindre än vad som rekommenderas för vanliga bildäck. Detta är inte tillräckligt med tryck för att omforma en hålcell på egen hand, men det trycket kan användas för att påverka vilka celler som deformeras när krafter appliceras på ändarna av en hålighet vid rumstemperatur. Ballonger låter dig peka ut en viss cell, antingen sträcka eller klämma den.
Om en viss cell behöver sträckas, en ballong som är uppblåst inuti ger en extra knuff för att den ska kunna expandera när flänsarna dras isär. Om en cell behöver pressas, en serie ballonger kan stödja alla andra celler när de två ändarna skjuts ihop.
Ingenjörerna och deras team demonstrerade konceptet genom att stämma in en ojackad hålighet. Sedan vände de sin uppmärksamhet till det felaktiga hålrummet som hade inspirerat dem att utveckla processen. De lyckades återställa den till användbart skick.
För att klämma in en viss kavitetscell, ballonger placeras inuti cellerna som omger den. Ballongerna stöder dessa celler, vilket resulterar i att den obebodda cellen omformas när krafter appliceras på varje ände av kaviteten. Upphovsman:Diana Brandonisio
"Ballongjustering kommer att vara ett trevligt extra verktyg för hålrumsproduktion som kan spara ganska mycket pengar och tid, "Sa Hassan.
Högpresterande hålrum är viktiga komponenter i Fermilabs kommande PIP-II-accelerator och SLAC National Accelerator Laboratory LCLS-II röntgenlaser, och de är en stor del av ett pågående Fermilab -projekt för att förlänga tiden som en qubit kan behålla information.
Ballongjusteringstekniken patenterades nyligen, snabba genom patentkontoret på rekordtid för Fermilab, sa Aaron Sauers, laboratoriets patent- och licensdirektör.
"Mohamed och Donato utvecklade en verkligt vacker metod och apparat för att ställa in klädda håligheter, "Sa Sauers." Jag var upphetsad att lämna in patentansökan om deras uppfinning. "
Hassan och Passarelli ser automatiserad ballonginställning som en möjlighet, vilket skulle kunna göra det lika bekvämt att använda som den nuvarande metoden är för hölje utan hölje. Tekniken kan också hitta applikationer inom andra områden som använder liknande håligheter.
"Förhoppningen är att människor som tittar på denna idé kommer att bli inspirerade och antingen anpassa eller använda denna teknik i sin egen applikation, "Sa Passarelli.
