Forskare från Cornell University och US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory (BNL) har framgångsrikt demonstrerat världens första fångst och återanvändning av energi i en partikelaccelerator med flera varv, där elektroner accelereras och retarderas i flera steg och transporteras med olika energier genom en enda strållinje. Detta framsteg banar väg för ultraljusa partikelacceleratorer som använder mycket mindre energi än dagens maskiner.

Tillämpningarna inkluderar produktion av medicinsk isotop, cancerterapi, Röntgenkällor, och industriella tillämpningar såsom mikro-chip-produktion, samt mer energieffektiva maskiner för grundforskning inom fysik, materialvetenskap, och många andra områden. Ett exempel:Forskare kan använda sådan energiåtervinningsacceleratorsteknik för att effektivt generera elektroner för "kylning" av joner vid elektron-jon-kollideraren, en planerad banbrytande forskningsanläggning för kärnfysik som kommer att ligga vid Brookhaven Lab.

Cornell-BNL ERL testaccelerator, eller CBETA, ligger vid Cornell, är en Energy Recovery Linear accelerator (ERL) som använder två transformativa "gröna" tekniker:I stället för att dumpa energin från tidigare accelererade partiklar, den återvinner och återanvänder den energin för att påskynda nästa parti parti. Och strållinjen som styr partiklarna genom acceleratorn är gjord av permanenta magneter, som inte kräver någon el för att fungera. Dessa förväntas bli den mest energieffektiva teknologin för framtidens acceleratorer med hög prestanda.

"Återanvända en partikelstråles energi i denna nya typ av accelerator gör ljusare strålar tillgängliga, som skulle ha krävt för mycket energi tills nu, "sa Georg Hoffstaetter, fysikprofessor och principutredare för Cornell. Förutom de ovan nämnda applikationerna, Hoffstaetter påpekar att "sådan innovativ teknik och dessa ljusare strålar sannolikt kommer att leda till ytterligare användningsområden som ännu inte kan föreställas."

CBETA:s konstruktion finansierades av New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA) och använde komponenter som utvecklades med medel från National Science Foundation (NSF) och industriella partners. CBETA -teamet uppnådde den viktigaste milstolpen för full energiåtervinning och återacceleration av partiklar under de tidiga timmarna den 24 december, 2019, i tid. Sedan dess, laget har fortsatt att förbättra CBETAs prestanda.

Alicia Barton, Ordförande och VD, NYSERDA, sa, "NYSERDA är oerhört stolta över att stödja detta banbrytande projekt och vi ser fram emot att se hur det utvecklar vår förmåga att hantera de mest angelägna vetenskapliga och samhälleliga utmaningarna i vår tid. New Yorks stöd för teknik som ger ekonomiska fördelar är orubbligt under guvernör Cuomos ledarskap och vi gratulerar våra partners till denna fantastiska milstolpe. "

Grundläggande design för energiåtervinning

CBETA-maskinen innehåller världens första åttapass-supraledande linjära accelerator för återställning av energi, i vilken en stråle accelereras genom att passera fyra gånger genom ett supraledande radiofrekvenshålrum (SRF) för att nå sin högsta energi. Genom att göra ytterligare fyra passager genom samma hålighet, men den här gången avtar, strålens energi fångas upp och görs tillgänglig för att nya partiklar ska kunna accelereras. Detta ERL -koncept föreslogs först 1965 av Maury Tigner, professor emeritus vid Cornell University, men det tog decennier av arbete på Cornell och på andra håll för att utveckla den nödvändiga tekniken.

Efter varje passage genom accelerationsapparaten, partiklarna har en annan energi och passerar sin egen "lane" genom en speciell magnetkedja, kallad Fixed-Field-Alternating Linear Gradient (FFA-LG) beamline, som slingar partiklarna tillbaka till SRF -hålrummen. De permanenta magneterna som utgör denna strållinje designades, tagit fram, och exakt formad vid Brookhaven för att tillåta alla strålar att korsa samma magnetstruktur, även om de har fyra olika energier. Denna design minskar behovet av flera acceleratorringar för att rymma strålar med olika energier och eliminerar behovet av elektricitet för att driva magneterna, ytterligare sänka kostnaderna och förbättra den totala effektiviteten.

Dejan Trbojevic, seniorfysiker och huvudutredare för Brookhavens deltagande i projektet, beskrev först tanken på att accelerera strålar vid flera energier i en enda strållinje gjord av fasta fält med alternerande gradientmagneter vid en muon-kolliderverkstad 1999. Under tiden, Cornell utvecklade komponenter för ett superledande ERL.

"Med CBETA, tanken var att visa att Brookhavens enkelstrålade returslinga skulle fungera med Cornells ERL-teknik för acceleration av elektroner, partiklar med många fler potentiella tillämpningar än deras tyngre muon -kusiner, "Sa Trbojevic.

I slutet av december, med Cornell -fysikern Adam Bartnik som huvudoperatör, CBETA gjorde just det. Börjar med en elektronstråle vid energin på sex miljoner elektronvolt (MeV), acceleratorkomponenterna tog partiklarna till 42, 78, 114, och 150 MeV i fyra passerar genom ERL. Efter retardation under ytterligare fyra passager genom SRF -hålrummen, partiklarna nådde sin ursprungliga 6 MeV energi - i exakt samma position som startstrålen. Detta visade att full elektronenergiåtervinning hade uppnåtts, och att SRF -hålrummen fick energi för att accelerera nästa parti parti.

Denna prestation gör CBETA till den första multi-turn ERL för att återvinna energin från accelererade partikelstrålar i SRF-accelererande strukturer, och den första acceleratorn som använder en enda strållinje med fasta magnetfält för att transportera sju olika accelererande och bromsande energistrålar.

"Vi kunde inte ha uppnått dessa resultat utan många bidrag under hela designen, konstruktion, och idrifttagningsfaser av forskare, ingenjörer, och teknisk personal på både Brookhaven och Cornell, tillsammans med input från många industriella partners och kända acceleratorexperter, "sade Brookhaven Lab -ingenjör Rob Michnoff, chef för CBETA -projektet.