تحقیقات فیزیک ذرات نیرو در فرمیلب

به احتمال زیاد درباره بسیاری از اکتشافات هیجان انگیز در تحقیقات فیزیک ذرات در Fermilab شنیده یا خوانده اید . شتاب‌دهنده‌های قدرتمند ذرات، از جمله Booster synchrotron با حفره‌های RF منحصربه‌فرد تنظیم‌شده با فریت، آزمایشگاه را به طور مداوم در خط مقدم اکتشاف قرار می‌دهند. ارتقاء حفره‌های تقویت‌کننده RF 40 ساله آنها را قادر می‌سازد تا پرتوهای ذرات را با شدت‌های بالاتر تولید و حفظ کنند… اما آیا آنها بیش از حد گرم می‌شوند؟ بیاموزید که مهندسان Fermilab چگونه به این چالش مهم طراحی رسیدگی می کنند.

تقویت کننده سنکروترون

در پس اکتشافاتی مانند تاو نوترینو و کوارک پایین، زنجیره ای از شتاب دهنده های ذرات در حال تکامل است که از دهه 1970 به طور مداوم پرتوهای با شدت بالا را برای آزمایش های فیزیک ذرات در Fermilab ارائه کرده است. در یک مرحله میانی از زنجیره شتاب دهنده، یک شتاب دهنده ذرات چرخه ای (در شکل زیر نشان داده شده است) قرار دارد که در حدود 20 فوت زیر زمین قرار دارد و به عنوان سنکروترون تقویت کننده شناخته می شود. همانطور که از نامش پیداست، این سنکروترون انرژی ذرات ورودی را قبل از اینکه برای آزمایش به انژکتور اصلی یا خطوط پرتو زیرزمینی منتقل شوند، 20 برابر افزایش می‌دهد .

زنجیره شتاب دهنده Fermilab که مکان Booster synchrotro n را نشان می دهد.

در حال حاضر، 19 حفره RF تنظیم شده با فریت در سراسر تونل سینکروترون بوستر 474 متری وجود دارد. این حفره‌های RF اسب‌های کاری هستند که مسئول شتاب بخشیدن به پرتو ورودی از پروتون‌های با بار مثبت هستند، در حالی که آهنرباهای خمشی اضافی ذرات را در یک مسیر دایره‌ای حرکت می‌دهند. حفره‌های RF تقویت‌کننده در حال حاضر از نرخ تکرار 7 هرتز پشتیبانی می‌کنند که نشان می‌دهد چقدر ذرات تولید و از طریق زنجیره شتاب‌دهنده ارسال می‌شوند.

عکس‌هایی از یک حفره RF فریت مسی که از سینکروترون بوستر و تیونر فریت برداشته شده است.
یک حفره RF تنظیم شده با فریت مسی از سینکروترون بوستر (سمت چپ) و یکی از تیونرهای فریت (راست) برداشته شده است.

حفره های بوستر RF که با جزئیات بیشتر در نمودار زیر نشان داده شده اند، تشدید کننده های نیمه موجی هستند که با اندازه و شکلی طراحی شده اند که امکان کار بر روی فرکانس های 37 مگاهرتز تا 53 مگاهرتز را فراهم می کند.

نمودارهای نمای جلو و جانبی یک حفره RF تقویت کننده
نقشه های نمای جلو و جانبی یک حفره RF تقویت کننده.

در اطراف بیرونی حفره، یک تقویت کننده قدرت تترود را خواهید دید که سیگنال RF را به اضافه سه تیونر فریت کواکسیال ارائه می کند که بار متغیری را ارائه می دهد. با استفاده از سه تیونر فریت که در فواصل 90 درجه در اطراف حفره قرار گرفته اند، چگالی تلفات توان در هر تیونر کاهش می یابد و در نتیجه به پایین نگه داشتن دمای عملیاتی کمک می کند.

پروتون هایی که از طریق بوستر در حال چرخش هستند به طور متوالی وارد هر حفره RF می شوند و در امتداد لوله پرتو مرکزی توسط میدان های الکترومغناطیسی نوسانی شتاب می گیرند. پروتون ها تا زمانی که به انرژی مورد نظر خود یعنی 8 گیگا ولت برسند به چرخش خود ادامه می دهند. برای رسیدن به این انرژی هدف، فرکانس نوسان به سرعت با تغییر بایاس روی تیونرهای فریت افزایش می‌یابد.

مدرن کردن شتاب دهنده های ذرات

با آزمایش‌های آتی در آزمایشگاه که به پرتوهای با شدت بالاتر نیاز دارند، طرح بهبود پروتون (PIP) در حال حاضر تحت رهبری ویلیام پلیکو و رابرت زواسکا در حال اجراست تا اطمینان حاصل شود که شتاب‌دهنده‌های ذرات می‌توانند این خواسته‌ها را برآورده کنند. مدرن کردن شتاب دهنده های ذرات، از جمله تقویت کننده، آنها را قادر می سازد تا پرتوهای ذرات را با شدت جریان دو برابر تا سال 2025 تولید و حفظ کنند. دو برابر نرخ جریان – و احتمالاً در یک ولتاژ شتاب بالاتر.

از بخش شتاب دهنده در Fermilab، جان رید در حال هماهنگ کردن فرآیند چالش برانگیز برای بازسازی، واجد شرایط بودن و آزمایش حفره‌های RF منحصر به فرد تنظیم‌شده با فریت تقویت‌کننده مطابق با PIP است. Mohamed Awida Hassan و Timergali Khabiboulline، از دپارتمان توسعه ابررسانایی و فرکانس رادیویی، با Reid همکاری می کنند تا اطمینان حاصل کنند که تلفات الکترومغناطیسی منجر به گرم شدن بیش از حد حفره های RF و تیونرها و کاهش طول عمر آنها نمی شود. حسن در یک مصاحبه و مقاله اخیر درباره کارشان توضیح می‌دهد که آنها «از شبیه‌سازی چندفیزیکی و اندازه‌گیری‌های فیزیکی ارائه شده توسط همکاران در بخش شتاب‌دهنده برای ارزیابی خواص RF، حرارتی و مکانیکی حفره‌های تقویت‌کننده RF استفاده می‌کنند».

عکس مهندسان Fermilab در تونل بوستر
مهندسان معرفی شده در این مقاله با مهربانی چند دقیقه از وقت خود را برای عکاسی در تونل بوستر در حالی که سنکروترون برای تعمیر و نگهداری معمول خاموش بود، اختصاص دادند. از چپ به راست آنها عبارتند از: رابرت زواسکا، ویلیام پلیکو، محمد حسن و تایمرگالی خابیبولین. (جان رید آن روز برای عکس در دسترس نبود.)

تجزیه و تحلیل حرارتی حفره های RF تقویت کننده

دوبرابر شدن بازده پروتون ساعتی از سینکروترون بوستر، تقاضاهای جدیدی را بر روی حفره های RF تنظیم شده با فریت ۴۰ ساله ایجاد می کند. افزایش نرخ تکرار و ولتاژ شتاب برای افزایش توان تلف شده در حفره‌های RF و تیونرها و به طور بالقوه باعث گرم شدن بیش از حد آنها می‌شود. اندازه‌گیری‌های فیزیکی دما، اگرچه انجام می‌شوند، اما به سختی به دست می‌آیند و اغلب نادرست هستند. بنابراین، اندازه‌گیری‌ها همراه با آنالیز حرارتی در COMSOL Multiphysics برای تخمین نیازهای خنک‌کننده اضافی حفره‌های RF ارتقا یافته برای اطمینان از تولید طولانی‌مدت پروتون استفاده می‌شود.

حسن و خابیبولین مدل حفره RF را همانطور که در تصویر زیر از COMSOL Desktop نشان داده شده است تنظیم کردند.

تصویری از مدل حفره RF تقویت کننده همانطور که در COMSOL Multiphysics مشاهده می شود
تصویری که تنظیم و تجزیه و تحلیل یک مدل چندفیزیکی از یک حفره RF تقویت کننده با تیونرهای فریت را نشان می دهد. نمودار سطح دما در پنجره Graphics نشان داده شده است.

در مدل آنها، آنالیز RF ابتدا برای حل میدان های الکتریکی و مغناطیسی که به عنوان منابع گرما در آنالیز حرارتی استفاده می شوند، انجام شد. نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل آنها تأیید می کند که افزایش دما بیش از 40 درجه سانتیگراد می تواند هنگام رفتن از ولتاژ شتاب دهنده 55 کیلو ولت و نرخ تکرار 7 هرتز به 60 کیلو ولت و 15 هرتز رخ دهد.

برای کمک به کاهش زمان، خطرات و هزینه های مرتبط با ارتقاء حفره های RF، از نتایج شبیه سازی برای تسهیل تصمیم گیری های طراحی با توجه به مکانیسم خنک کننده استفاده می شود. پیش‌بینی می‌شود که یک تقویت‌کننده ارتقا یافته به تولید پروتون‌های بیشتر برای یک دهه دیگر از اکتشافات شدید فیزیک کمک کند.