Les membres de l'équipe testant un champ fixe, ligne de transport de faisceau à gradient alterné réalisée avec des aimants permanents à l'installation d'essai des accélérateurs (ATF) de Brookhaven Lab, De gauche à droite :Mark Palmer (Directeur de l'ATF), Dejan Trbojevic, Stephen Brooks, George Mahler, Steven Trabocchi, Thomas Roser, et Mikhail Fedurin (opérateur ATF et liaison expérimentale). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Un accélérateur de particules avancé conçu au laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie pourrait réduire les coûts et augmenter la polyvalence des installations pour la recherche en physique et le traitement du cancer. Il utilise léger, Des cadres imprimés en 3D pour contenir des blocs d'aimants permanents et une méthode innovante pour affiner le champ magnétique afin de diriger plusieurs faisceaux à différentes énergies à travers un seul tube de faisceau.
Avec cette conception, les physiciens pourraient accélérer les particules à travers plusieurs étapes à des énergies de plus en plus élevées dans un seul anneau d'aimants, au lieu de nécessiter plus d'un anneau pour atteindre ces énergies. En milieu médical, où l'énergie des faisceaux de particules détermine jusqu'où ils pénètrent dans le corps, les médecins pourraient plus facilement fournir une gamme d'énergies pour zapper une tumeur dans toute sa profondeur.
Les scientifiques testent un prototype du compact, la conception rentable de l'installation de test des accélérateurs (ATF) de Brookhaven - une installation utilisateur du DOE Office of Science - affirme qu'elle a été couronnée de succès. Des images codées par couleur montrent comment une série de faisceaux d'électrons accélérés à cinq énergies différentes ont réussi à traverser la courbe d'aimants de cinq pieds de long, chaque faisceau traçant un chemin différent dans le même tube de faisceau de deux pouces de diamètre.
"Pour chacun des cinq niveaux d'énergie, nous avons injecté le faisceau sur la trajectoire « idéale » pour cette énergie et scanné pour voir ce qui se passe lorsqu'il est légèrement en dehors de l'orbite idéale, " a déclaré Stephen Brooks, physicien du Brookhaven Lab, architecte principal de la conception. Christine Swinson, un physicien à l'ATF, a dirigé le faisceau à travers la ligne ATF et l'assemblage d'aimants de Brooks et a joué un rôle essentiel dans la conduite des expériences.
"Nous avons conçu ces expériences pour tester nos prédictions et voir à quelle distance vous pouvez vous éloigner de la trajectoire d'arrivée idéale tout en faisant passer le faisceau. Pour la plupart, tout le faisceau qui entrait ressortait à l'autre bout, " dit Brooks.
Les faisceaux ont atteint des énergies plus de 3,5 fois supérieures à celles obtenues auparavant dans un accélérateur similaire composé d'électro-aimants beaucoup plus gros, avec un doublement du rapport entre les faisceaux d'énergie la plus élevée et la plus faible.
"Ces tests nous donnent l'assurance que cette technologie d'accélérateur peut être utilisée pour transporter des faisceaux à une large gamme d'énergies, " dit Brooks.
Aucun fil requis
L'expérience de démonstration de principe de Brooks a montré que des faisceaux d'électrons de cinq énergies différentes pouvaient se frayer un chemin à travers l'arc d'aimants permanents, chacun prenant un peu différent, chemin codé par couleur :vert foncé (18 millions d'électrons-volts, ou MeV), vert clair (24MeV), jaune (36MeV), rouge (54MeV), et violet (70MeV). Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
La plupart des accélérateurs de particules utilisent des électro-aimants pour générer les puissants champs magnétiques nécessaires pour diriger un faisceau de particules chargées. Pour transporter des particules d'énergies différentes, les scientifiques modifient la force du champ magnétique en augmentant ou en diminuant le courant électrique traversant les aimants.
La conception de Brooks utilise à la place des aimants permanents, le genre qui reste magnétique sans courant électrique, comme ceux qui collent à votre réfrigérateur, seulement plus fort. En disposant des blocs magnétiques de formes différentes pour former un cercle, Brooks crée un champ magnétique fixe dont la force varie selon différentes positions dans l'ouverture centrale de chaque réseau d'aimants en forme de beignet.
Lorsque les aimants sont alignés bout à bout comme des perles sur un collier pour former un arc incurvé - comme ils l'étaient dans l'expérience ATF avec l'aide de l'équipe d'arpentage de Brookhaven pour obtenir un alignement de précision - les particules d'énergie plus élevée se déplacent vers la partie la plus forte de la champ. L'alternance des directions de champ d'aimants séquentiels permet aux particules d'osciller le long de leur trajectoire préférée lorsqu'elles se déplacent dans l'arc, sans puissance nécessaire pour accueillir des particules d'énergies différentes.
Pas d'électricité signifie moins d'infrastructure de soutien et un fonctionnement plus facile, qui contribuent tous au potentiel d'économies significatives de cette non-évolutivité, champ fixe, technologie d'accélérateur à gradient alterné.
Conception simplifiée
Brooks a travaillé avec George Mahler et Steven Trabocchi, ingénieurs du département collisionneur-accélérateur de Brookhaven, pour assembler les aimants trompeusement simples mais puissants.
La physicienne ATF Christina Swinson a dirigé le premier faisceau à travers la ligne ATF et l'assemblage de l'aimant en arc et a joué un rôle essentiel dans la conduite des expériences. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Ils ont d'abord utilisé une imprimante 3D pour créer des cadres en plastique pour maintenir les blocs magnétiques façonnés, comme les pièces d'un puzzle, autour de l'ouverture centrale. "Des tailles différentes, ou épaisseurs de blocs, et les directions du magnétisme permettent un champ personnalisé dans l'ouverture, " dit Brooks.
Une fois les blocs enfoncés dans les cadres avec un maillet pour créer un assemblage grossier, Jean Cintorino, un technicien de la division aimants du Lab, mesurer la force du champ. L'équipe a ensuite affiné chaque assemblage en insérant différentes longueurs de tiges de fer dans jusqu'à 64 positions autour d'une deuxième cartouche imprimée en 3D qui s'insère dans l'anneau d'aimants. Un programme de calcul que Brooks a écrit utilise les mesures de force de champ de l'assemblage grossier pour déterminer exactement la quantité de fer qui entre dans chaque fente. Il travaille également actuellement sur un robot pour couper et insérer les tiges sur mesure.
La mise au point finale « compense les éventuelles erreurs d'usinage et de positionnement des blocs magnétiques, " Brooks a dit, améliorer la qualité du champ par 10 par rapport à l'assemblage grossier. Les propriétés des aimants finaux correspondent voire surpassent celles des électro-aimants sophistiqués, qui nécessitent une ingénierie et un usinage beaucoup plus précis pour créer chaque pièce de métal.
"Le seul équipement de haute technologie dans notre configuration est la bobine rotative que nous utilisons pour effectuer les mesures de précision, " il a dit.
Candidatures et prochaines étapes
Le léger, des composants compacts et un fonctionnement simplifié de la ligne de transport de faisceaux magnétiques permanents de Brooks constitueraient « une amélioration spectaculaire par rapport à ce qui est actuellement sur le marché pour fournir des faisceaux de particules dans les centres de traitement du cancer, " a déclaré Dejan Trbojevic, superviseur de Brooks, qui détient plusieurs brevets sur des conceptions de portiques de thérapie par particules.
Un portique est la ligne de lumière arquée qui délivre des particules cancérigènes d'un accélérateur à un patient. Dans certaines installations de thérapie par particules, le portique et l'infrastructure de support peuvent peser 50 tonnes ou plus, occupant souvent une aile spécialement construite d'un hôpital. Trbojevic estime qu'un portique utilisant la conception compacte de Brooks ne pèserait qu'une tonne. Cela réduirait le coût de construction de telles installations.
Le test réussi de Brooks jette les bases de l'accélérateur CBETA, dans lequel des paquets d'électrons seront accélérés à quatre énergies différentes et voyageront simultanément dans le même tube de faisceau, comme le montre cette simulation. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
"De plus, sans avoir besoin d'électricité [aux aimants] pour modifier les intensités de champ, ce serait beaucoup plus facile à utiliser, " a déclaré Trbojevic.
La capacité d'accélérer rapidement des particules à des niveaux d'énergie de plus en plus élevés au sein d'un seul anneau d'accélérateur pourrait également réduire le coût des futures expériences de physique proposées, comprenant un collisionneur de muons, une usine à neutrinos, et un collisionneur électron-ion (EIC). Dans ces cas, des composants supplémentaires de l'accélérateur stimuleraient les faisceaux à une énergie plus élevée.
Par exemple, Les physiciens de Brookhaven ont collaboré avec des physiciens de l'Université Cornell sur une conception similaire à champ fixe appelée CBETA. Ce projet, développé avec le financement de la New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), est une version légèrement plus grande de la machine de Brooks et comprend tous les composants de l'accélérateur pour amener les faisceaux d'électrons aux énergies requises pour un EIC. Le CBETA décélère également les électrons une fois qu'ils ont été utilisés pour des expériences visant à récupérer et réutiliser la majeure partie de l'énergie. Il testera également des faisceaux d'énergies multiples en même temps, quelque chose que l'expérience de démonstration de principe de Brooks à l'ATF n'a pas fait. Mais le test réussi de Brooks renforce la confiance que la conception CBETA est solide.
« Tout le monde au département des collisionneurs-accélérateurs de Brookhaven a beaucoup soutenu ce projet, " a déclaré Trbojevic, Chercheur principal de Brookhaven sur CBETA.
Comme l'a noté Thomas Roser, président du département collisionneur-accélérateur, "Tous ces efforts visent des concepts d'accélérateurs avancés qui profiteront à terme à la science et à la société dans son ensemble. Nous attendons avec impatience le prochain chapitre de l'évolution de cette technologie."
