Fyzika sa mení. Nový urýchľovač je 100-krát silnejší, pritom žerie zlomok energie

Americkí výskumníci vyvinuli nový typ magnetickej architektúry pre synchrotrónový urýchľovač, ktorý môže radikálne zmeniť spôsob generovania vysokoenergetických lúčov pri minimálnej spotrebe energie, informuje Interesting Engineering. Ide o prototyp komplexne zakriveného magnetického poľa s permanentnými magnetmi, ktoré umožňujú znížiť energetickú náročnosť zo súčasných 1,7 megawattu na len 0,3 megawattu pri zachovaní či dokonca zvýšení výkonu.

Zvládol to bez porúch

Základom inovácie je integrácia kvadrupólovej a dipólovej funkcie do jedného magnetického celku, čím sa dosahuje výrazné zníženie emitancie elektrónového zväzku. Nižšia emitancia znamená, že elektróny sú v lúči usporiadané kompaktnejšie, čo vedie k vyššej jasnosti generovaného röntgenového žiarenia. Práve to je kľúčové pre aplikácie v röntgenovej spektroskopii, difrakcii a zobrazovaní na atómovej úrovni.

Zariadenie NSLS-II s pracovnou energiou 3 GeV je jedným z najvýkonnejších synchrotrónov na svete, ktorý dodáva extrémne intenzívne lúče pre výskum štruktúry proteínov, materiálových rozhraní či chemických reakcií v batériách. Nový návrh magnetov, založený na konfigurácii Halbachovho valca, využíva permanentné magnety s optimalizovanou orientáciou magnetizácie, čo umožňuje plynulú integráciu ohýbania a zaostrovania lúča.

Praktickú realizáciu tohto návrhu umožnili presné inžinierske postupy vrátane obrábania tenkostenných vákuových komôr, strojového učenia pre optimalizáciu parametrov zväzku a vysokopresných magnetických meraní s pomocou vlastného systému cievok vyvinutého v spolupráci s Fermilabom.

Testovací model pracoval s elektrónovým lúčom s energiou 200 MeV, pričom ide o zmenšený variant plnohodnotného zariadenia. Napriek tomu dokázal reprodukovať očakávané magnetické efekty bez výskytu vyšších harmonických porúch, ktoré by mohli degradovať kvalitu lúča.

BNL

Prispela aj AI

Význam tohto vývoja presahuje rámec samotného NSLS-II. Úspora energie, eliminácia potreby chladenia a napájania magnetov a súčasné zvýšenie výkonu môžu byť rozhodujúce aj pre ďalšie generácie synchrotrónov a urýchľovačov, ktoré sa uplatňujú v základnom výskume, vývoji liekov či kvantovej technológii.

Výskumný tím zároveň preukázal, že pokročilé nástroje umelej inteligencie môžu významne prispieť k optimalizácii dizajnu urýchľovačov, predikcii magnetických polí a korekcii odchýlok. Tento prístup sa stal neoddeliteľnou súčasťou ich návrhu už počas kolaboratívneho výskumného projektu AI Jam Session pod záštitou DOE.

Vývoj prototypu trval šesť rokov a aktuálne sa pripravuje jeho inštalácia do existujúceho tunela NSLS-II. Ak sa potvrdí jeho stabilita a spoľahlivosť v reálnej prevádzke, bude nasledovať plnohodnotná modernizácia celej urýchľovacej sústavy. Táto technológia by mohla reprezentovať nový štandard pre výskum v 21. storočí.

Čítajte viac z kategórie: Novinky