les ingénieurs du Fermilab Mohamed Hassan, la gauche, et Donato Passarelli se tiennent près d'une cavité d'accélérateur et des ballons brevetés utilisés pour accorder, ou remodeler, la cavité de l'intérieur. Crédit :Reidar Hahn
Les ballons peuvent aider à créer un espace parfait pour une fête. Désormais, ils peuvent également aider lorsqu'il s'agit d'accélérer les particules à une vitesse proche de la vitesse de la lumière.
L'utilisation innovante des ballons offre une nouvelle façon brevetée pour les ingénieurs de façonner le cœur métallique des accélérateurs de particules.
De nombreux accélérateurs de particules utilisent des structures appelées cavités, qui fournissent le coup de pied nécessaire pour accélérer les particules à des énergies de plus en plus élevées alors que les particules traversent l'une après l'autre. Situé au plus profond d'un accélérateur et refroidi par une enveloppe contenant de l'hélium liquide, les cavités doivent avoir juste la bonne forme et la bonne taille pour stimuler les particules aux énergies souhaitées. Même de petites différences dans la forme de ces chambres métalliques font de grandes différences dans les champs électriques qui sont générés à l'intérieur des cavités pour pousser les particules à des vitesses plus élevées.
Face à une cavité particulière trop déformée pour être exploitée et inaccessible du fait de sa coque métallique, Les ingénieurs du Fermilab Mohamed Hassan et Donato Passarelli ont eu une idée :et si vous pouviez remodeler une cavité sans enlever la coque environnante ? Ils sont allés travailler, développer un procédé innovant appelé Balloon Tuning.
"J'espère que le réglage des ballons est un exemple pour la communauté des accélérateurs - que nous devrions sortir des sentiers battus et ne pas toujours nous en tenir à la technique standard et commune, " dit Passarelli.
Le processus de réglage du ballonnet breveté est une nouvelle option dans la suite de techniques utilisées pour préparer les cavités avant leur installation dans un accélérateur.
La plupart des cavités d'accélération sont une série de ronds, cellules creuses qui ressemblent à un fil géant de perles métalliques. Avant d'installer une cavité, il est soigneusement testé et réglé à l'aide d'une machine automatisée qui saisit les bords de chaque cellule pour en faire de petits, réglages précis :un petit coup ici, un peu d'étirement là-bas. Le processus se poursuit jusqu'à ce que la cavité soit ajustée de sorte que, une fois la cavité opérationnelle à l'intérieur d'un accélérateur, il est conçu pour produire le champ électrique parfait pour propulser des particules chargées.
Pour étirer une cellule d'une cavité d'accélérateur, un ballon est placé à l'intérieur et gonflé. Crédit :Diana Brandonisio
Mais avant que la plupart des cavités puissent être installées, ils doivent également être munis d'une enveloppe métallique afin que la cavité puisse être refroidie à des températures extrêmement basses avec de l'hélium liquide. Après ça, le seul moyen facile d'appliquer des forces sur les alvéoles est de pousser ou de tirer sur les extrémités de la cavité, plutôt que de cibler chaque cellule individuellement. Si une cavité se déforme pendant ou après le processus de mise en place de la veste, la méthode de réglage traditionnelle ne peut pas être appliquée sans couper la gaine métallique - un travail laborieux, tâche chronophage.
Hassan et Passarelli ont commencé à envisager ce défi après qu'une ancienne cavité de test s'est déformée lors d'un test de pression.
"Après le test de pression, J'étais déterminé à trouver un moyen de réparer cette cavité et j'ai pensé, 'Pourquoi ne pas y accéder de l'intérieur, qui est accessible même avec une veste ?' », a déclaré Hassan.
La nécessité d'appliquer la force à l'intérieur des cavités sans rayer la surface interne ou introduire des niveaux inacceptables de contamination les a conduits à utiliser des ballons spécialement conçus en nylon caoutchouté.
Une pompe remplit chaque ballon d'air jusqu'à ce qu'il applique environ deux bars de pression, un peu moins que ce qui est recommandé pour les pneus de voiture standard. Ce n'est pas assez de pression pour remodeler une cellule de cavité par elle-même, mais cette pression peut être utilisée pour influencer quelle cellule se déforme lorsque des forces sont appliquées aux extrémités d'une cavité à température ambiante. Les bulles vous permettent de sélectionner une cellule particulière, soit en l'étirant soit en le serrant.
Si une cellule particulière doit être étirée, un ballon gonflé à l'intérieur lui fournit un coup de pouce supplémentaire pour qu'il se dilate lorsque les brides sont séparées. Alors que si une cellule doit être pressée, une série de ballons peut supporter toutes les autres cellules lorsque les deux extrémités sont rapprochées.
Les ingénieurs et leur équipe ont démontré le concept en réglant une cavité non gainée. Puis ils ont tourné leur attention vers la cavité déformée qui les avait inspirés pour développer le processus. Ils ont réussi à le remettre en état d'utilisation.
Pour presser une cellule de cavité particulière, des ballons sont placés à l'intérieur des cellules qui l'entourent. Les ballons soutiennent ces cellules, ce qui entraîne le remodelage de la cellule inoccupée au fur et à mesure que des forces sont appliquées à chaque extrémité de la cavité. Crédit :Diana Brandonisio
"Le réglage du ballon sera un bon outil supplémentaire pour la production de cavités qui peut économiser beaucoup d'argent et de temps, ", a déclaré Hassan.
Les cavités hautes performances sont des composants cruciaux du futur accélérateur PIP-II du Laboratoire Fermi et du laser à rayons X LCLS-II du SLAC National Accelerator Laboratory, et ils constituent une partie importante d'un projet actuel du Fermilab visant à prolonger la durée pendant laquelle un qubit peut conserver des informations.
La technique de réglage du ballon a été récemment brevetée, franchir le bureau des brevets en un temps record pour le Fermilab, dit Aaron Sauers, le responsable des brevets et des licences du laboratoire.
"Mohamed et Donato ont développé une méthode et un appareil vraiment magnifiques pour régler les cavités habillées, " Sauers a déclaré. "J'étais ravi de déposer la demande de brevet sur leur invention."
Hassan et Passarelli voient le réglage automatisé des ballons comme une possibilité, ce qui pourrait le rendre aussi pratique à utiliser que la méthode actuelle pour les cavités sans enveloppe. La technique peut également trouver des applications dans d'autres domaines utilisant des cavités similaires.
« L'espoir est que les personnes qui examinent cette idée seront inspirées et adapteront ou utiliseront cette technique dans leur propre application, " a déclaré Passarelli.
