General Atomics pracuje na „malém, komerčním urychlovači částic“

S využitím běžně dostupných průmyslových dílů vytvořil tým výzkumníků z veřejného a soukromého sektoru prototyp malého urychlovače částic, který by mohl mít velký dopad na to, že technologii posune vpřed pro komerční aplikace.

Pokud znáte urychlovače částic, víte, že jsou velké. A drahé. A jejich budování trvá dlouho. Jádrem velkého hadronového urychlovače CERN je například 27 kilometrů dlouhý (17 mil) prstenec posetý magnety. Zprovoznění tohoto zařízení trvalo asi 10 let a jeho cena se pohybovala v rozmezí 5 miliard USD. Přesto by myšlenka použití excitovaných elektronů, „produktu“ urychlovačů částic, mohla mít aplikace, které by se dostaly mimo takové čistě výzkumně orientované zařízení, pokud by existoval jen způsob, jak je vyrobit pomocí kompaktnějšího a cenově dostupného zařízení.

To bylo myšlení, které přimělo vědce z řady zařízení, včetně Thomas Jefferson National Accelerator Facility amerického ministerstva energetiky a energetické a obranné společnosti General Atomics, aby hledali způsoby, jak vyrobit cenově dostupnější kompaktní urychlovač částic elektronového paprsku. Podařilo se jim to díky dvěma novým inovacím.

Získání převodu

Prvním z těchto průlomů byl způsob, jakým byla navržena komora urychlovače. Při vytváření prototypu členové týmu věděli, že se chtějí zaměřit na supravodivé radiofrekvenční urychlení částic (SRF), jako je systém nalezený v zařízení Jefferson Lab’s Continuous Electron Beam Accelerator Facility. Takové urychlovače jsou obvykle vyloženy kovem zvaným niob, který se stává supravodivým blízko absolutní nuly.

General Atomics

U nového prototypu tým začal s niobem, ale poté na něj přidal vrstvu slitiny niobu a cínu. To znamenalo, že komora mohla fungovat při vyšší teplotě, což eliminuje potřebu tak intenzivního superchlazení.

Dále vědci pokryli vnější část komory nejprve 2 mm (0,08 palce) vrstvou měděného pláště, následovanou silnější vrstvou 5 mm (0,2 palce). Tato konstrukce umožnila komoře snadněji přenášet teplo vytvořené během procesu urychlování částic ven prostřednictvím procesu vedení.

„V podstatě jsme postavili měděnou tepelnou přikrývku na vnější straně dutiny kombinací studeného nástřiku a galvanického pokovování,“ řekl Gianluigi „Gigi“ Ciovati, vědecký pracovník Jefferson Lab, který vede projekt. „To poskytuje vysokou tepelnou vodivost pro teplo generované na vnitřním povrchu, aby se přesunulo na vnější povrch a poté směrem ke kryochladiči.“

Díky této konstrukci založené na vedení může systém fungovat při 4 Kelvinech (-452 °F), což je dvakrát více než teplota potřebná u větších systémů.

General Atomics

Udržet to v pohodě

A tím se dostáváme k druhé inovaci: kryochladiči.

U velkých urychlovačů částic je systém typicky chlazen pomocí kryogenního zařízení s kapalným heliem. Takový stroj je nejen nákladný na stavbu, ale je také nákladný na údržbu.

V novém prototypu se tým rozhodl použít kryochladiče, chladicí systémy, které se mimo jiné používají k udržení chladu supravodivých magnetů v mnoha MRI přístrojích. Kryochladiče byly namontovány tak, aby jejich „studené hlavy“ směřovaly ke komoře urychlovače a bylo zjištěno, že byly úspěšné při chlazení nové komory založené na vedení na potřebné 4 Kelviny.

„Jednou z průlomových technologií je schopnost chladit dutinu vedením pomocí těchto kompaktních komerčních zařízení, namísto velkých, složitých a dražších kryogenních chladicích zařízení,“ řekl Ciovati. „Kryoelektrárny s tekutým heliem nebudou pro systém, na kterém pracujeme, potřeba.“

Testování

Nový design byl testován v General Atomics v systému známém jako horizontální kryostat.

„Nejprve byl z kryostatu evakuován vzduch a poté byla dutina ochlazena pod supravodivý práh a excitována malým RF signálem, aby se demonstroval gradient elektrického zrychlení,“ řekl Drew Packard, vědec z divize Magnetic Fusion Energy (MFE). společnosti General Atomics. „Diagnostikou jsme prokázali, že výkon kondukčně chlazené dutiny dosáhl stejných specifikací jako předchozí testy kapalného helia provedené v Jefferson Lab.“

Ve skutečnosti se ukázalo, že prototyp produkuje špičkové povrchové magnetické pole 50 miliTesla, což je podle vědců nejvyšší, jaké kdy bylo vyrobeno z podobných zařízení. Tým říká, že to slouží jako důkaz, že jeho nový kompaktní urychlovač by mohl produkovat elektrony se ziskem 1 milionu elektronvoltů (MeV), což mu umožňuje komerční životaschopnost. Takový systém by mohl pomoci produkovat izotopy například pro nukleární medicínu nebo pomoci vyčistit životní prostředí.

„Elektronové paprsky jsou užitečné v různých komerčních aplikacích,“ řekl Packard. „Tato technologie kompaktního supravodivého urychlovače má značný potenciál pro nápravu životního prostředí, jedním z příkladů je čištění vody.

„Neupravená voda může obsahovat nebezpečné koncentrace chemikálií, jako jsou léčiva nebo PFAS, a také škodlivé patogeny, jako je E. coli nebo salmonela. Elektronové paprsky jsou velmi účinné při roztrhávání a štěpení složitých molekul a organických látek na zásaditější částice, které jsou méně účinné.“ ohrožující lidské zdraví a životní prostředí“.

Tým říká, že nyní prozkoumá způsoby, jak posílit systém, aby jeho elektronový paprsek mohl proniknout hlouběji do materiálů, a zároveň hledat způsoby, jak do něj přidat moduly, aby fungoval ještě lépe.

Výzkum popisující systém byl publikován v časopise Akcelerátory a paprsky fyzického náhledu