General Atomics pracuje na „malom, komerčnom urýchľovači častíc“

Urýchľovače častíc sú veľké a drahé zariadenia, ktorých výstavba trvá dlho. Jadrom veľkého hadrónového urýchľovača CERN-u je napríklad 27 kilometrov dlhý prstenec posiaty magnetmi. Uvedenie tohto zariadenia trvalo asi 10 rokov a jeho cena sa pohybovala v rozmedzí 5 miliárd EUR. Myšlienka použitia excitovaných elektrónov, „produktu“ urýchľovačov častíc, by však mohla mať aplikácie, ktoré siahajú mimo takého čisto výskumne orientovaného zariadenia, ak by existoval spôsob, ako ich vyrobiť pomocou kompaktnejších a cenovo dostupnejších strojov.

To bola myšlienka, ktorá viedla vedcov z rôznych zariadení, vrátane Národného akceleračného zariadenia Thomasa Jeffersona Ministerstva energetiky USA a energetickej a obrannej spoločnosti General Atomics, aby hľadali spôsoby, ako vyrobiť cenovo dostupnejší kompaktný urýchľovač častíc s elektrónovým lúčom. Tímu sa to nakoniec podarilo vďaka dvom novým inováciám.

Prvou z nich bol spôsob, akým bola urýchľovacia komora navrhnutá. Pri vytváraní prototypu členovia tímu vedeli, že sa chcú zamerať na supravodivé rádiofrekvenčné (SRF) urýchľovanie častíc, ako je systém v zariadení Jefferson Lab s názvom Continuous Electron Beam Accelerator Facility . Takéto urýchľovače sú zvyčajne obložené kovom nazývaným ako niób, ktorý sa stáva supravodivým blízko absolútnej nuly.

Pre nový prototyp tím začal s nióbom, ale potom naň pridal vrstvu zliatiny nióbu a cínu. To znamenalo, že komora mohla fungovať pri vyššej teplote, čím sa eliminovala potreba takého intenzívneho superchladenia. Potom vedci pokryli vonkajšiu časť komory najskôr 2 mm vrstvou medeného plášťa, po ktorej nasledovala hrubšia 5 mm vrstva. Táto konštrukcia umožnila komore ľahšie prenášať teplo vytvorené počas procesu urýchľovania častíc smerom von prostredníctvom procesu vedenia.

„V podstate sme postavili medenú tepelnú prikrývku na vonkajšej strane dutiny kombináciou studeného nástreku a galvanického pokovovania,“ povedal Gianluigi „Gigi“ Ciovati, vedecký pracovník z Jefferson Lab, ktorý vedie projekt. „To poskytuje cestu vysokej tepelnej vodivosti pre teplo generované na vnútornom povrchu, aby sa presunulo na vonkajší povrch a potom smerom ku kryochladiču.“

Vďaka tomuto dizajnu založenému na vodivosti môže systém fungovať pri teplote 4 Kelvinoch (-269 stupnov Celzia), čo je dvakrát viac ako teplota potrebná vo väčších systémoch.

Druhou inováciou je kryochladič. Vo veľkých urýchľovačoch častíc je systém typicky chladený pomocou kryogénneho zariadenia na kvapalné hélium. Takýto kus stroja nie je len nákladný na výrobu, ale je nákladný aj na údržbu.

V novom prototype sa tím rozhodol použiť kryochladiče, chladiace systémy, ktoré sa okrem iného používajú na udržanie chladu supravodivých magnetov v mnohých MRI zariadeniach. Kryochladiče boli namontované tak, aby ich „studené hlavy“ smerovali ku komore urýchľovača a zistilo sa, že boli úspešné pri ochladzovaní novej komory založenej na vedení na potrebné 4 Kelviny.

„Jednou z prelomových technológií je schopnosť chladiť dutinu vedením pomocou týchto kompaktných komerčných zariadení namiesto veľkých, zložitých a drahších kryogénnych chladiacich zariadení,“ povedal Ciovati. „Kvapalné héliové kryozariadenia nebudú potrebné pre systém, na ktorom pracujeme.“

Nový dizajn bol testovaný v General Atomics v systéme známom ako horizontálny kryostat.

„Najskôr bol z kryostatu evakuovaný vzduch a potom bola dutina ochladená pod hranicu supravodivého stavu a excitovaná malým RF signálom, aby sa demonštroval gradient elektrického zrýchlenia,“ povedal Drew Packard, vedec z General Atomics z divízie Magnetic Fusion Energy. „Pomocou diagnostiky sme preukázali, že výkon kondukčne chladenej dutiny dosiahol rovnaké špecifikácie ako predchádzajúce testy tekutého hélia vykonané v Jefferson Lab.“

V skutočnosti sa ukázalo, že prototyp vytvára špičkové povrchové magnetické pole 50 miliTesla, čo je podľa výskumníkov najvyššie, aké sa kedy vyrobilo z podobných nastavení. Tím hovorí, že to slúži ako dôkaz, že nový kompaktný urýchľovač by mohol produkovať elektróny so ziskom 1 milión elektrónvoltov (MeV), čo mu umožňuje komerčnú životaschopnosť. Takýto systém by mohol pomôcť produkovať izotopy napríklad pre nukleárnu medicínu alebo by mohol pomôcť vyčistiť životné prostredie.

„Elektrónové lúče sú užitočné v rôznych komerčných aplikáciách,“ povedal Packard. „Táto technológia kompaktného supravodivého urýchľovača má značný potenciál na nápravu životného prostredia, jedným z príkladov je čistenie vody. Neupravená voda môže obsahovať nebezpečné koncentrácie chemikálií, ako sú liečivá alebo PFAS, ako aj škodlivé patogény, ako sú E. coli alebo salmonela. Elektrónové lúče sú veľmi účinné pri rozbíjaní a rozkladaní zložitých molekúl a organických látok na zásaditejšie častice, ktoré sú menej účinné v ohrozovaní ľudského zdravia a životného prostredia“.

Tím hovorí, že teraz bude skúmať spôsoby, ako posilniť systém, aby jeho elektrónový lúč mohol preniknúť hlbšie do materiálov, a zároveň hľadať spôsoby, ako doň pridať moduly, aby fungoval ešte lepšie. Výskum popisujúci systém bol nedávno publikovaný v magazíne Physical Review Accelerators and Beams.