En ce qui concerne les accélérateurs de particules, les aimants sont une des clés du succès. Des champs magnétiques puissants maintiennent les faisceaux de particules "sur la bonne voie" lorsqu'ils sont accélérés à une énergie plus élevée, s'est écrasé dans des collisions pour des expériences de physique, ou délivrés aux patients pour zapper les tumeurs. Les aimants innovants ont le potentiel d'améliorer toutes ces applications.

C'est l'un des objectifs de l'accélérateur de test Cornell-Brookhaven "Energy-Recovery Linac", ou CBETA, en construction à l'Université Cornell et financé par la New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA). CBETA s'appuie sur une ligne de faisceau composée d'aimants de pointe conçus par des physiciens du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie qui peut transporter quatre faisceaux à des énergies très différentes en même temps.

"Les scientifiques et les ingénieurs du département Collider-Accelerator (C-AD) de Brookhaven viennent de terminer la production et l'assemblage de 216 à champ fixe de qualité exceptionnelle, gradient alterné, aimants permanents pour ce projet, une étape importante, " a déclaré le président du C-AD Thomas Roser, qui supervise les contributions du Lab au CBETA.

La nouvelle conception d'aimant, développé par le physicien de Brookhaven Stephen Brooks et l'ingénieur C-AD George Mahler, a un champ magnétique fixe qui varie en force à différents points dans l'ouverture de chaque aimant circulaire. "Au lieu d'avoir à augmenter le champ magnétique pour accueillir des faisceaux d'énergies différentes, les faisceaux avec des énergies différentes trouvent simplement leur propre "sweet spot" dans l'ouverture, " a déclaré Brooks. Le résultat :des faisceaux à quatre énergies différentes peuvent traverser une seule ligne de lumière simultanément.

Au CBETA, une chaîne de ces aimants enfilés comme des perles sur un collier formera ce qu'on appelle une boucle de retour qui délivre à plusieurs reprises des paquets d'électrons à un accélérateur linéaire (linac). Quatre voyages à travers les cavités radiofréquence supraconductrices du linac augmenteront l'énergie des électrons, et quatre autres les ralentiront afin que l'énergie stockée dans le faisceau puisse être récupérée et réutilisée pour le prochain cycle d'accélération.

"Les paquets à différentes énergies sont tous ensemble dans la boucle de retour, avec des champs magnétiques alternatifs les faisant osciller le long de leurs chemins individuels, mais ensuite ils fusionnent et entrent dans le linac de manière séquentielle, " a expliqué Joseph Tuozzolo, ingénieur en chef mécanicien de C-AD. " Au fur et à mesure qu'un groupe passe et accélère, un autre paquet décélère et l'énergie récupérée de la décélération peut accélérer le prochain paquet."

Même lorsque les faisceaux sont utilisés pour des expériences, la récupération d'énergie devrait être proche de 99,9 pour cent, faisant de ce "linac supraconducteur de récupération d'énergie (ERL)" un changement potentiel en termes d'efficacité. De nouveaux paquets d'électrons proches de la vitesse de la lumière sont amenés à l'énergie maximale chaque microseconde, des faisceaux frais sont donc toujours disponibles pour les expériences.

C'est l'un des gros avantages de l'utilisation d'aimants permanents. Électroaimants, qui nécessitent de l'électricité pour changer la force du champ magnétique, ne serait jamais capable de monter en puissance assez vite, il expliqua. En utilisant des aimants permanents à champ fixe qui ne nécessitent pas d'électricité, comme les aimants qui collent à votre réfrigérateur, seulement beaucoup plus fort - évite ce problème et réduit l'énergie/le coût requis pour faire fonctionner l'accélérateur.

Pour préparer les aimants pour CBETA, l'équipe de Brookhaven a commencé avec des ensembles d'aimants permanents de haute qualité produits par KYMA, une entreprise de fabrication d'aimants, basé sur la conception développée par Brooks et Mahler. Tuozzolo de C-AD a organisé et dirigé l'effort d'approvisionnement avec KYMA et l'acquisition des autres composants pour la boucle de retour.

Les ingénieurs de la division des aimants supraconducteurs de Brookhaven ont pris des mesures précises de l'intensité du champ de chaque aimant et ont utilisé un système de correction de champ magnétique développé et construit par Brooks pour affiner les champs afin d'obtenir la précision nécessaire pour CBETA. Mahler a ensuite dirigé l'assemblage des aimants finis sur des plaques de poutres qui les maintiendront en parfait alignement dans l'accélérateur fini, tandis que l'ingénieur C-AD Robert Michnoff a dirigé les efforts pour construire et tester l'électronique pour les moniteurs de position de faisceau qui suivront les chemins de particules à travers la ligne de lumière.

"L'équipe CBETA de Brookhaven a atteint les objectifs de cette étape neuf jours plus tôt que prévu grâce au travail de personnes extrêmement dévouées effectuant plusieurs mesures magnétiques et levés magnétiques sur de nombreuses longues journées de travail, " dit Roser.

Les composants assemblés par Brookhaven sont maintenant en route vers Cornell pour l'assemblage final de l'accélérateur. L'équipe CBETA commencera la mise en service de l'accélérateur en mars 2019, l'exécuter à travers les premières étapes vers une fonctionnalité complète.

Les technologies développées pour CBETA pourraient révolutionner la science des accélérateurs avec de multiples applications potentielles, dit l'équipe.

Par exemple, un tel ERL serait un moyen efficace d'accélérer et de réutiliser des faisceaux d'électrons pour refroidir des faisceaux d'ions lourds dans un futur collisionneur électron-ion (EIC) envisagé par le bureau de physique nucléaire du DOE. L'énergie de pointe que CBETA s'attend à atteindre dans son faisceau d'électrons conviendrait parfaitement à l'extraction de l'excès de chaleur des faisceaux d'ions afin de maintenir les ions étroitement groupés, une exigence pour maximiser les interactions entre les particules dans un collisionneur.

La technologie magnétique innovante développée pour CBETA pourrait également être utilisée dans des accélérateurs produisant des isotopes médicaux, graver des puces informatiques à des échelles toujours plus petites, ou délivrer des faisceaux de protons ou de particules à haute énergie pour cibler avec précision les tumeurs. Les systèmes de distribution de faisceaux constitués d'aimants permanents à petite échelle pourraient réduire considérablement le coût des accélérateurs de thérapie anticancéreuse à faisceau de particules, rendant potentiellement ce traitement prometteur plus largement disponible.

"C'est excitant de faire partie d'un projet qui a tant de possibilités pour la science fondamentale et pour la société, " dit Brooks.