Skuteczniejsze podejście do opracowywania akceleratorów cząstek elementarnych
Akceleratory cząstek są kluczowe dla utrzymania się Europy w czołówce badań naukowych, a także mają fundamentalne znaczenie dla zastosowań medycznych i innych gałęzi przemysłu. Od radioterapii po analizę dzieł sztuki i testowanie materiałów, akceleratory są kluczem do naszej innowacyjności w wielu sektorach. Nadal nie mamy dość takich instalacji, a coraz więcej potencjalnych zastosowań(odnośnik otworzy się w nowym oknie) jest identyfikowanych. Dostęp do nich jest wysoce konkurencyjny. Celem projektu I.FAST(odnośnik otworzy się w nowym oknie) było wspólne opracowanie portfolio zaawansowanych technologii akceleratorów cząstek. „Chcieliśmy wspierać rozwój bardziej efektywnych i przystępnych cenowo technologii o mniejszym wpływie na środowisko” — wyjaśnia koordynator projektu I.FAST Maurizio Vretenar, pracujący w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (CERN) w Szwajcarii. Zespół projektu postawił sobie za cel stworzenie środowiska sprzyjającego rozwojowi akceleratorów nowej generacji poprzez współpracę z przemysłem w celu utrzymania długoterminowej ewolucji technologii akceleratorów w Europie. Jak mówi Vretenar: „Chociaż przemysł i naukowcy już wcześniej ściśle współpracowali nad takimi wyzwaniami, projekt I.FAST odegrał kluczową rolę we wspieraniu kultury zaufania i wzajemnej współpracy między środowiskiem akademickim a przemysłem, co umożliwi dalsze innowacje w dziedzinie technologii akceleratorów cząstek”.
Maksymalizacja zastosowania innowacyjnych procesów na różnych platformach akceleratorów
Współpraca pozwoliła na usprawnienie procesu rozwoju, ograniczając powielanie wysiłków i zwiększając innowacyjność w społeczności akceleratorów cząstek. „Zmapowaliśmy możliwości i ułatwiliśmy rozwój przełomowych technologii wspólnych dla wielu platform akceleratorów” — zauważa Vretenar. Niespełna 50 partnerów, w tym 17 firm jako partnerzy współinnowacji, podjęło wspólne działania w celu zbadania nowych koncepcji akceleratorów i zaawansowanego prototypowania kluczowych technologii. Technologie te obejmują nowe projekty i koncepcje akceleratorów. „Umożliwiliśmy również zastosowanie zaawansowanych technologii nadprzewodzących w magnesach i wnękach oraz nowatorskich technik zwiększania jasności synchrotronowych źródeł światła” — dodaje Vretenar. Osiągnięto i przetestowano osadzanie cienkich warstw nadprzewodzących na różnych podłożach w celu poprawy wydajności i zmniejszenia zużycia energii przez układy przyspieszające. W ramach projektu opracowano strategie i technologie mające na celu poprawę efektywności energetycznej oraz nowe społeczne zastosowania akceleratorów. Zbadano nowe technologie dla przyszłych akceleratorów, w szczególności uczenie maszynowe, które miały poprawić wydajność.
Wykorzystanie druku 3D do przekształcenia metod produkcji i napraw akceleratorów
Jednym z przełomów było zastosowanie wytwarzania przyrostowego (AM), powszechnie znanego jako druk 3D. To transformacyjny proces, w którym warstwa po warstwie obiekty 3D są budowane na podstawie cyfrowych projektów. Kontrastuje to z tradycyjnymi, subtraktywnymi lub formatywnymi metodami i pozwala na bezprecedensową złożoność geometryczną, zmniejszenie ilości odpadów materiałowych i szybkie prototypowanie. W projekcie wykorzystano technologię AM do produkcji serii prototypów struktur przyspieszających typu kwadrupole częstotliwości radiowej (RFQ), wykonanych z czystej miedzi. Są to wyspecjalizowane, kompaktowe akceleratory o długości nieco ponad metra, używane bezpośrednio za źródłem cząstek w celu zagęszczenia wiązki i nadania jej pierwszego impulsu energetycznego. Akceleratory RFQ są wykorzystywane jako wtryskiwacze w dużych akceleratorach oraz w medycynie i analizie dzieł sztuki. „Pozwala nam to zarówno obniżyć koszty, jak i stosować bardziej złożone geometrie, co prowadzi do poprawy wydajności. Ta innowacja może utorować drogę do nowych zastosowań w produkcji izotopów medycznych lub nowych, nowoczesnych rozwiązań do analizy materiałów i powierzchni” — wyjaśnia Vretenar. Ta światowa premiera była przedmiotem kilku publikacji i została zaprezentowana na konferencjach i wystawach przemysłowych. Trwa dalsza optymalizacja i charakteryzacja prototypów. Inne zastosowania AM zostały zidentyfikowane w dziedzinie źródeł jonów, małych i złożonych struktur, od których zależy jakość wiązki cząstek i naprawa uszkodzonych elementów akceleratora. W ramach projektu I.FAST zbudowano 13 prototypów wysokiego poziomu do testowania nowych technologii akceleratorów i opracowano osiem raportów określających mapy drogowe dla rozwoju krytycznych technologii akceleratorów. „Sukces projektu wynikał ze wzmocnienia współpracy, w szczególności z przemysłem, w ramach otwartego środowiska innowacji. Za każdą technologią stoją ludzie, a nasz sukces jest w dużej mierze zasługą naszego multidyscyplinarnego zespołu i relacji, które zbudowaliśmy”.