变革性的绿色加速器实现了世界上第一个8次全能量回收

2020-02-06 15:36:29

成功的演示为科学,工业和医学领域的空前应用铺平了道路。

康奈尔大学和美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室(BNL)的科学家已成功展示了世界上首个在多匝粒子加速器中捕获和再利用能量的过程,其中电子在多个阶段被加速和减速并以一条光束线产生不同的能量。这一进步为使用比现在的机器少得多的能量的超明亮粒子加速器铺平了道路。

应用包括医学同位素生产,癌症治疗,X射线源和工业应用(例如微芯片生产)以及用于物理,材料科学和许多其他领域的基础研究的更节能的机器。一个例子:科学家可以使用这种能量回收加速器技术在电子离子对撞机上有效地产生电子,以“冷却”离子。 电子对撞机是一个计划中的开创性核物理研究设施,将 设在布鲁克海文实验室。

位于康奈尔的康奈尔-BNL ERL测试加速器或CBETA是一种能量回收线性加速器(ERL),它使用两种转化的“绿色”技术:与其倾倒先前加速的粒子的能量,不如将其回收并重新利用到加速下一批粒子。引导粒子通过加速器的束线由永磁体制成,不需要任何电力即可运行。这些有望成为未来高性能加速器的最节能技术。

“在这种新型的加速器中重新使用粒子束的能量可以使更明亮的束可用,到现在为止,这些束束将需要太多的能量,”康奈尔大学物理学教授兼首席研究员格奥尔格·霍夫斯塔特(Georg Hoffstaetter)说。除了上述应用之外,霍夫斯塔特还指出:“这种创新技术和这些更明亮的光束可能会导致更多的用途,尚待想象。”

CBETA的建设由纽约州能源研究与发展局(NYSERDA)资助,并使用了由国家科学基金会(NSF)和工业合作伙伴提供资金开发的组件。CBETA团队如期于2019年12月24日凌晨实现了粒子的全部能量回收和再加速的关键里程碑。从那时起,团队一直在提高CBETA的绩效。

NYSERDA总裁兼首席执行官Alicia Barton表示:“ NYSERDA为支持这一开创性项目感到非常自豪,我们期待看到它如何提高我们应对当今最紧迫的科学和社会挑战的能力。在州长库莫(Cuomo)的领导下,纽约对带来全经济利益的技术的支持坚定不移,我们为合作伙伴的这一巨大里程碑表示祝贺。”

能量回收设计基础

CBETA机器包括世界上第一台八遍超导能量回收线性加速器,其中光束通过四次通过超导射频(SRF)腔体以达到其最高能量而被加速。通过使另外四个穿过同一腔体,但这次减速,光束的能量被捕获并可供新粒子加速使用。这种ERL概念最初是由康奈尔大学名誉教授Maury Tigner于1965年提出的,但是在康奈尔大学和其他地方花了数十年的时间来开发必要的技术。

每次通过加速设备后,粒子具有不同的能量,并通过特殊的磁体链(称为固定场交替线性梯度(FFA-LG)束线)穿过它们自己的“通道”,从而使粒子返回到SRF腔。构成该光束线的永磁体在布鲁克黑文市进行了设计,开发和精确成形,以使所有光束即使具有四种不同的能量也可以穿过相同的磁体结构。这种设计减少了使用多个加速器环来容纳不同能量的光束的需要,并且消除了为磁体供电的电力需求,从而进一步降低了成本并提高了整体效率。

Brookhaven参与该项目的高级物理学家,首席研究员Dejan Trbojevic首先描述了在1999年的一个μon对撞机车间中,在由固定磁场交变梯度磁体制成的单个光束中加速多种能量的光束的想法 。同时,康奈尔正在开发超导ERL的组件。

Trbojevic说:“使用CBETA,其目的是表明布鲁克海文的单束线返回回路将与康奈尔大学的ERL技术一起使用,以加速电子,这些粒子的潜在应用要比其较重的介子表亲更多。”

在12月下旬,由康奈尔大学的物理学家亚当·巴特尼克(Adam Bartnik)担任首席运营商,CBETA做到了这一点。以能量为六百万电子伏特(MeV)的电子束开始,加速剂组分通过四次ERL,使粒子达到42、78、114和150 MeV。在通过SRF腔另外四次减速之后,粒子达到了其原始的6 MeV能量-与起始光束的位置完全相同。这表明已经实现了完全的电子能量回收,并且向SRF腔通电以加速下一批粒子。

这一成就使CBETA成为首个在SRF加速结构中恢复加速后的粒子束能量的多匝ERL,并成为第一个使用具有固定磁场的单束线传输七种不同的加速和减速能量束的加速器。

Brookhaven表示:“在布鲁克海文和康奈尔大学的科学家,工程师和技术人员的整个设计,建造和调试阶段,没有许多贡献,以及许多工业合作伙伴和著名的加速器专家的投入,我们就不可能取得这些成果。” CBETA项目主任,实验室工程师Rob Michnoff。

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