Schéma de l'accélérateur de test Cornell-BNL ERL. Les cavités supraconductrices à radiofréquence (SRF) accélèrent les électrons à haute énergie par étapes, en les envoyant autour de l'accélérateur en forme de circuit après chaque étape d'accélération. Chaque arc courbe est constitué d'une série de champs fixes, aimants permanents à gradient alterné (FFA) pouvant transporter simultanément des faisceaux à plusieurs énergies. Après quatre passages à travers l'infrastructure d'accélération et les arcs FFA, les électrons décélèrent alors par paliers, renvoyant leur énergie aux cavités SRF afin qu'elle puisse être utilisée pour accélérer à nouveau les électrons. Crédit :Université Cornell
Des scientifiques de l'Université Cornell et du Brookhaven National Laboratory (BNL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) ont démontré avec succès la première capture et réutilisation d'énergie au monde dans un accélérateur de particules à plusieurs tours, où les électrons sont accélérés et décélérés en plusieurs étapes et transportés à différentes énergies à travers une seule ligne de lumière. Cette avancée ouvre la voie à des accélérateurs de particules ultra-brillants qui utilisent beaucoup moins d'énergie que les machines d'aujourd'hui.
Les applications incluent la production d'isotopes médicaux, thérapie contre le cancer, sources de rayons X, et des applications industrielles telles que la production de micro-puces, ainsi que des machines plus économes en énergie pour la recherche fondamentale en physique, la science des matériaux, et bien d'autres domaines. Un exemple :les scientifiques peuvent utiliser une telle technologie d'accélérateur de récupération d'énergie pour générer efficacement des électrons pour « refroidir » les ions au collisionneur électron-ion, une installation de recherche en physique nucléaire révolutionnaire prévue qui sera située à Brookhaven Lab.
L'accélérateur de test Cornell-BNL ERL, ou CBETA, situé à Cornell, est un accélérateur linéaire de récupération d'énergie (ERL) qui utilise deux technologies transformationnelles « vertes » :au lieu de décharger l'énergie de particules précédemment accélérées, il récupère et réutilise cette énergie pour accélérer le prochain lot de particules. Et la ligne de lumière qui dirige les particules à travers l'accélérateur est constituée d'aimants permanents, qui ne nécessitent pas d'électricité pour fonctionner. Celles-ci devraient devenir les technologies les plus économes en énergie pour les accélérateurs hautes performances du futur.
"La réutilisation de l'énergie d'un faisceau de particules dans ce nouveau type d'accélérateur permet de disposer de faisceaux plus lumineux, qui aurait demandé trop d'énergie jusqu'à présent, " dit Georg Hoffstaetter, professeur de physique et chercheur principal pour Cornell. En plus des applications mentionnées ci-dessus, Hoffstaetter souligne que "une telle technologie innovante et ces faisceaux plus lumineux conduiront probablement à des utilisations supplémentaires encore à imaginer".
La construction du CBETA a été financée par la New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA) et a utilisé des composants développés avec des fonds de la National Science Foundation (NSF) et de partenaires industriels. L'équipe CBETA a atteint l'étape clé de la récupération d'énergie complète et de la réaccélération des particules aux premières heures du 24 décembre, 2019, dans les délais. Depuis, l'équipe a continué à améliorer les performances de CBETA.
Alicia Barton, Président et CEO, NYSERDA, mentionné, « La NYSERDA est extrêmement fière de soutenir ce projet révolutionnaire et nous sommes impatients de voir comment il améliore notre capacité à relever les défis scientifiques et sociétaux les plus urgents de notre époque. leadership et nous félicitons nos partenaires pour cette étape importante. »
Georg Hoffstaetter (à gauche) et Dejan Trbojevic à l'installation CBETA de l'Université Cornell. Crédit :Université Cornell
Principes de base de la conception de la récupération d'énergie
La machine CBETA comprend le premier accélérateur linéaire supraconducteur de récupération d'énergie à huit passes au monde, dans lequel un faisceau est accéléré en passant quatre fois à travers une cavité supraconductrice à radiofréquence (SRF) pour atteindre son énergie la plus élevée. En faisant quatre autres passages dans la même cavité, mais cette fois en décélération, l'énergie du faisceau est captée et mise à disposition pour l'accélération de nouvelles particules. Ce concept ERL a été proposé pour la première fois en 1965 par Maury Tigner, professeur émérite à l'Université Cornell, mais il a fallu des décennies de travail à Cornell et ailleurs pour développer la technologie nécessaire.
Après chaque passage dans l'appareil d'accélération, les particules ont une énergie différente et traversent leur propre "voie" à travers une chaîne spéciale d'aimants, appelée ligne de lumière à gradient linéaire alterné à champ fixe (FFA-LG), qui reboucle les particules vers les cavités SRF. Les aimants permanents qui composent cette ligne de lumière ont été conçus, développé, et précisément formé à Brookhaven pour permettre à tous les faisceaux de traverser la même structure magnétique, même s'ils ont quatre énergies différentes. Cette conception réduit le besoin de plusieurs anneaux d'accélérateur pour accueillir des faisceaux à différentes énergies et élimine le besoin d'électricité pour alimenter les aimants, réduire davantage les coûts et améliorer l'efficacité globale.
Dejan Trbojevic, physicien principal et chercheur principal pour la participation de Brookhaven au projet, a d'abord décrit l'idée d'accélérer des faisceaux à plusieurs énergies dans une seule ligne de lumière constituée d'aimants à gradient alternatif à champ fixe dans un atelier de collisionneur de muons en 1999. Pendant ce temps, Cornell développait des composants pour un ERL supraconducteur.
"Avec la CBETA, l'idée était de montrer que la boucle de retour à une seule ligne de faisceau de Brookhaven fonctionnerait avec la technologie ERL de Cornell pour l'accélération des électrons, particules avec beaucoup plus d'applications potentielles que leurs cousins muons plus lourds, " a déclaré Trbojevic.
Fin décembre, avec le physicien de Cornell Adam Bartnik comme opérateur principal, C'est exactement ce que CBETA a fait. Partant d'un faisceau d'électrons à l'énergie de six millions d'électrons-volts (MeV), les composants de l'accélérateur ont amené les particules à 42, 78, 114, et 150 MeV en quatre passages dans l'ERL. Après décélération pendant quatre passages supplémentaires dans les cavités SRF, les particules ont atteint leur énergie d'origine de 6 MeV, exactement à la même position que le faisceau de départ. Cela a montré que la récupération complète de l'énergie des électrons avait été obtenue, et que les cavités SRF ont été alimentées pour accélérer le prochain lot de particules.
Cette réalisation fait de CBETA le premier ERL multitours à récupérer l'énergie des faisceaux de particules accélérés dans les structures accélératrices SRF, et le premier accélérateur à utiliser une seule ligne de lumière avec des champs magnétiques fixes pour transporter sept différents faisceaux d'énergie d'accélération et de décélération.
"Nous n'aurions pas pu atteindre ces résultats sans de nombreuses contributions tout au long de la conception, construction, et des phases de mise en service par les scientifiques, ingénieurs, et le personnel technique de Brookhaven et de Cornell, avec l'apport de nombreux partenaires industriels et d'experts renommés en accélérateurs, " a déclaré l'ingénieur du Brookhaven Lab, Rob Michnoff, directeur du projet CBETA.
