通用原子公司正在研發小型商用粒子加速器
如果你熟悉粒子加速器,就會知道它們很大。而且價格昂貴。而且建造起來需要很長時間。例如,歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機的核心是一個27 公里長(17 英里)的磁環。該設施耗時約10 年才投入使用,售價約50 億美元。然而,利用粒子加速器的”產品”–受激電子的想法,只要有辦法利用更緊湊、更經濟的機器生產受激電子,其應用範圍就可能超出這種純粹以研究為導向的設施。
傑佛遜實驗室準備新緊湊型加速器腔體的團隊成員
由公共和私營部門研究人員組成的團隊利用現成的工業零件,製造出了一個小型粒子加速器原型,這可能會對該技術的商業應用產生重大影響。
在這種想法的驅使下,來自美國能源部托馬斯-傑斐遜國家加速器設施和能源與國防公司通用原子公司等一系列機構的科學家們開始尋找製造更經濟、更緊湊的電子束粒子加速器的方法。得益於兩項新的創新,他們取得了成功。
獲得轉讓
其中第一個突破是加速器腔體的設計方式。在創建原型的過程中,團隊成員知道他們想把重點放在超導射頻(SRF)粒子加速上,就像傑佛遜實驗室連續電子束加速器設備中的系統一樣。這種加速器通常內襯一種叫做鈮的金屬,這種金屬在接近絕對零度時具有超導電性。
正在通用原子公司組裝的原型腔體圖/通用原子能公司
在新的原型中,研究小組首先使用鈮,然後在其上添加了一層鈮錫合金。這意味著腔體可以在更高的溫度下工作,而無需進行如此強烈的超強冷卻。
接下來,科學家首先在腔室外部覆蓋了一層2 毫米(0.08 英吋)的覆銅板,然後又覆蓋了一層更厚的5 毫米(0.2 英吋)覆銅板。這樣的設計使得腔室能夠更容易透過傳導過程將粒子加速過程中產生的熱量傳遞到室外。
傑斐遜實驗室的科學家Gianluigi”Gigi”Ciovati 是該專案的負責人,他說:”基本上是透過冷噴和電鍍相結合的方法,在空腔外部建造了一個銅熱毯。這為內表面產生的熱量提供了一條高導熱路徑,使熱量轉移到外表面,然後流向低溫冷卻器”。
由於採用這種基於傳導的設計,該系統可以在4 開爾文(-452 °F)的溫度下運行,是大型系統所需溫度的兩倍。
製造加速器的銅結構圖/通用原子能公司
保持冷靜
這就引出了第二項創新:低溫冷卻器。
在大型粒子加速器中,系統通常使用液態氦低溫設備進行冷卻。這種設備不僅造價昂貴,維護費用也很高。
在新原型中,研究團隊決定使用現成的低溫冷卻器,這種冷卻系統主要用於保持許多核磁共振成像儀中超導磁體的冷卻。低溫冷卻器的”冷頭”朝向加速器腔體,結果發現它們能成功地將新的傳導腔體冷卻到所需的4 開爾文。
Ciovati說:「突破性技術之一是能夠利用這些緊湊型商用設備透過傳導對空腔進行冷卻,而不是使用大型、複雜和昂貴的低溫冷卻設備。我們正在研究的系統不需要液態氦低溫設備。 “
支架車上的HTC 橫斷面效果圖圖/通用原子能公司
測試
通用原子公司在一個被稱為水平低溫恆溫器的系統中對新設計進行了測試。
通用原子公司磁聚變能源(MFE)部門的科學家德魯-帕卡德(Drew Packard)說:”首先,將低溫恆溫器中的空氣抽空,然後將空腔冷卻到超導閾值以下,並用小射頻訊號進行激勵,以展示電加速梯度。透過診斷,我們證明傳導冷卻腔體的性能達到了與先前在傑斐遜實驗室進行的液態氦測試相同的規格。”
研究人員說,事實上,原型機產生的峰值表面磁場達到了50 毫特斯拉,這是迄今為止類似裝置產生的最高磁場。研究小組表示,證明其新型緊湊型加速器可產生增益為100 萬電子伏特(MeV)的電子,因此具有商業可行性。例如,這種系統可以幫助生產核醫學用同位素,或幫助淨化環境。
“電子束在各種商業應用中都非常有用,”帕卡德說。”這種緊湊型超導加速器技術在環境修復方面具有相當大的潛力,水淨化就是一個例子。未經處理的水中可能含有不安全濃度的化學品,如藥品或全氟辛烷磺酸,以及有害病原體,如大腸桿菌或沙門氏菌。電子束能非常有效地撕裂複雜分子和有機物,並將其分解成對人類健康和環境威脅較小的基本粒子。”
團隊表示,現在將探索如何增強該系統,使其電子束能夠更深入地穿透材料,同時也將尋找在其上添加模組的方法,使其性能更加出色。
描述該系統的研究成果已發表在《物理評論加速器與光束》雜誌上。