Những phát triển gần đây trong công nghệ klystron cho máy va chạm tiết kiệm năng lượng trong tương lai
Nguyên lý hoạt động Tốc độ electron dọc mô phỏng, từ màu xanh lam (đứng yên) đến màu cam (nhanh), được phủ lên sơ đồ đơn giản hóa của klystron kiểu TH2167HE. Súng electron (bên trái) phát ra các electron được gom lại bởi một khoang đầu vào được kích thích bởi sóng RF đầu vào (mũi tên đỏ, bên trái). Bốn khoang trung gian cải thiện sự gom lại electron, cho đến khi khoang đầu ra nhanh chóng làm chậm các electron hiện đã được gom lại chặt chẽ, tạo ra sóng RF được khuếch đại mạnh (mũi tên đỏ, bên phải) thông qua một ống dẫn sóng đồng trục. Ống chân không được bọc trong một solenoid để chứa chùm tia. Tín dụng: I Syratchev (mô phỏng)/A Epshtein (nghệ thuật)
Boson Higgs là vật thể hấp dẫn và khác thường nhất mà khoa học cơ bản từng phát hiện ra. Không có ưu tiên thực nghiệm nào cao hơn đối với vật lý hạt hơn là xây dựng một máy va chạm electron-positron để tạo ra nó một cách dồi dào và nghiên cứu nó một cách chính xác.
Với tầm quan trọng của hiệu quả năng lượng và hiệu quả chi phí trong bối cảnh địa chính trị hiện nay, điều này mang lại tầm quan trọng chiến lược độc đáo cho việc phát triển một công nghệ khiêm tốn có tên là klystron—một công nghệ sẽ tiêu thụ phần lớn năng lượng tại mọi máy va chạm electron-positron lớn đang được xem xét, nhưng về mặt lịch sử chỉ đạt được hiệu quả năng lượng 60%.
Klystron được phát minh vào năm 1937 bởi hai anh em người Mỹ, Russell và Sigurd Varian. Hai anh em Varian muốn cải thiện hệ thống radar máy bay. Vào thời điểm đó, nhu cầu về khả năng khuếch đại tần số cao tốt hơn để phát hiện các vật thể ở xa bằng radar ngày càng tăng, một công nghệ quan trọng trong giai đoạn dẫn đến Thế chiến thứ II.
Nguồn RF của Varian hoạt động ở tần số khoảng 3,2 GHz hoặc bước sóng khoảng 9,4 cm, trong vùng vi sóng của quang phổ điện từ. Vào thời điểm đó, đây là tần số cực kỳ cao—các ống chân không thông thường phải vật lộn để vượt quá 300 MHz. Các bước sóng vi sóng hứa hẹn độ phân giải tốt hơn, ít nhiễu hơn và khả năng xuyên qua mưa và sương mù. Quan trọng là, ăng-ten có thể đủ nhỏ để lắp trên tàu và máy bay. Nhưng nguồn phát quá yếu đối với radar.
Thiên tài của Varian là phát minh ra cách khuếch đại tín hiệu điện từ lên tới 30 dB, hay hệ số 1.000. Quân đội Hoa Kỳ và Anh đã sử dụng klystron cho radar trên không, phát hiện tàu ngầm U-boat ở Đại Tây Dương và nhắm mục tiêu bằng súng hải quân ngoài tầm nhìn. Radar đã giúp giành chiến thắng trong Trận chiến nước Anh, Trận chiến Đại Tây Dương và các trận hải chiến Thái Bình Dương, khiến các cuộc tấn công bất ngờ trở nên khó khăn hơn bằng cách đưa ra cảnh báo trước. Winston Churchill gọi radar là "vũ khí bí mật của Thế chiến II" và klystron là một trong những công nghệ hỗ trợ của nó.
Với độ lợi cao và băng thông hẹp, klystron là bộ khuếch đại vi sóng thực tế đầu tiên và trở thành nền tảng trong công nghệ tần số vô tuyến (RF). Đây là lần đầu tiên mọi người khuếch đại vi sóng hiệu quả với độ ổn định và định hướng. Klystron đã được sử dụng trong truyền thông vệ tinh, phát sóng và máy gia tốc hạt, nơi chúng cung cấp năng lượng cho các khoang RF cộng hưởng để tăng tốc các chùm tia. Do đó, Klystron có mặt ở khắp mọi nơi trong các máy gia tốc y tế, công nghiệp và nghiên cứu—và không kém phần quan trọng trong thế hệ nhà máy Higgs tiếp theo, đóng vai trò trung tâm trong tương lai của vật lý năng lượng cao.
Klystron và Higgs
Các máy va chạm Hadron như LHC có xu hướng hình tròn. Giới hạn năng lượng cơ bản của chúng được xác định bởi cường độ tối đa của nam châm uốn cong và chu vi của đường hầm. Một số ít khoang RF liên tục tăng tốc các chùm proton hoặc ion sau khi hàng trăm hoặc hàng nghìn nam châm uốn cong buộc các chùm tia quay trở lại qua chúng.
Nhờ các va chạm sạch và có thể kiểm soát chính xác, tất cả các nhà máy Higgs đang được xem xét đều là máy va chạm electron-positron. Máy va chạm electron-positron có thể có cấu trúc hình tròn hoặc tuyến tính. Động lực học của máy va chạm electron-positron hình tròn khác biệt hoàn toàn vì các hạt nhẹ hơn proton 2.000 lần.
Sức mạnh cần thiết từ nam châm uốn cong tương đối thấp đối với bất kỳ chu vi thực tế nào, tuy nhiên, năng lượng của các hạt phải được bổ sung liên tục, vì chúng bức xạ năng lượng trong các khúc cua thông qua bức xạ synchrotron, đòi hỏi hàng trăm khoang RF. Các khoang RF cũng quan trọng như nhau trong trường hợp tuyến tính. Ở đây, tất cả năng lượng phải được truyền trong một lần duy nhất, với mỗi khoang chỉ tăng tốc chùm tia một lần, đòi hỏi hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn khoang RF.
Dù bằng cách nào, 50 đến 60% tổng năng lượng tiêu thụ của máy va chạm electron-positron được sử dụng để tăng tốc RF, so với một phần tương đối nhỏ trong máy va chạm hadron. Việc cung cấp năng lượng hiệu quả cho các khoang RF có tầm quan trọng tối cao đối với hiệu quả năng lượng và hiệu quả chi phí của toàn bộ cơ sở. Do đó, gia tốc RF có ý nghĩa lớn hơn nhiều tại các máy va chạm electron-positron so với máy va chạm hadron.
Từ một cây bút đến một chiếc ô tô cỡ trung
Các khoang RF không thể chỉ đơn giản là bịt kín
vào tường. Những cấu trúc cộng hưởng được điều chỉnh tinh vi này phải được kích thích bằng năng lượng RF—một trường điện từ vi sóng xen kẽ được cung cấp qua các ống dẫn sóng ở tần số thích hợp. Do hình dạng của các khoang cộng hưởng, điều này kích thích một trường điện dao động trên trục. Các hạt đến khi trường điện có hướng đúng sẽ được tăng tốc. Vì lý do này, các hạt trong máy gia tốc di chuyển theo từng nhóm cách nhau một khoảng cách dài, trong đó trường RF không được tối ưu hóa để tăng tốc.
Mặc dù có sự phát triển của bộ khuếch đại trạng thái rắn hiện đại, klystron của Varians vẫn là công nghệ thiết thực nhất để tạo ra RF khi công suất cần thiết ở mức MW. Chúng có thể nhỏ như một cây bút hoặc lớn và nặng như một chiếc ô tô cỡ trung, tùy thuộc vào tần số và công suất cần thiết. Máy va chạm tuyến tính sử dụng tần số cao hơn vì chúng cũng đi kèm với độ dốc cao hơn và làm cho máy gia tốc tuyến tính ngắn hơn, trong khi máy va chạm tròn không cần độ dốc cao vì năng lượng được cung cấp cho mỗi vòng quay nhỏ hơn.
Klystron thuộc phân loại chung của ống chân không—máy gia tốc electron thu nhỏ hoàn toàn khép kín với nguồn riêng, đường đi tăng tốc và "vùng tương tác" nơi trường RF được tạo ra. Tên của chúng bắt nguồn từ động từ tiếng Hy Lạp mô tả hành động của sóng đập vào bờ biển. Trong klystron, công suất RF được tạo ra khi các electron đập vào trường điện giảm tốc.
Mỗi klystron chứa ít nhất hai khoang: một đầu vào và một đầu ra. Khoang đầu vào được cấp nguồn bởi một nguồn RF yếu phải được khuếch đại. Khoang đầu ra tạo ra tín hiệu RF khuếch đại mạnh do klystron tạo ra. Tất cả những thứ này được đóng gói trong một thể tích chân không cực cao bên trong trường của một cuộn dây điện từ để tập trung.
Bên trong klystron, các electron rời khỏi cực âm được nung nóng và được tăng tốc bởi điện áp cao được áp dụng giữa cực âm và cực dương. Khi chúng được đẩy về phía trước, một tín hiệu RF đầu vào nhỏ được áp dụng cho khoang đầu vào, có thể tăng tốc hoặc giảm tốc các electron tùy theo thời gian đến của chúng. Sau một thời gian trôi dài, các electron tăng tốc phát ra muộn sẽ bắt kịp các electron giảm tốc phát ra sớm, giao nhau với các electron không thấy lực tăng tốc ròng nào. Đây được gọi là sự tập hợp vận tốc.
Một khoang tăng tốc thụ động thứ hai được đặt tại vị trí xảy ra sự tập hợp tối đa. Mặc dù có thiết kế tương đương, khoang này hoạt động theo cách ngược lại với các khoang được sử dụng trong máy gia tốc hạt. Thay vì chuyển đổi năng lượng của trường điện từ thành động năng của các hạt, động năng của các hạt được chuyển đổi thành sóng điện từ RF. Quá trình này có thể được tăng cường bằng sự hiện diện của các khoang thụ động khác giữa hai khoang đã đề cập ở trên, cũng như bằng một số lần lặp lại của quá trình tập hợp và tách cụm trước khi đến khoang đầu ra. Sau khi giảm tốc, chùm tia đã sử dụng sẽ kết thúc vòng đời của nó trong một bộ thu gom hoặc bộ thu gom làm mát bằng nước.
Tối ưu hóa hiệu quả
Klystron về cơ bản là bộ khuếch đại RF có độ khuếch đại rất cao theo thứ tự từ 30 đến 60 dB và băng thông rất hẹp. Chúng có thể được chế tạo ở bất kỳ tần số nào từ vài trăm MHz đến hàng chục GHz, nhưng mỗi loại hoạt động trong một phạm vi tần số rất nhỏ được gọi là băng thông. Sau khi phát sóng phụ thuộc vào các ống chân không có băng thông rộng hơn, ứng dụng của chúng trong các máy gia tốc hạt đã trở thành một thị trường nhỏ cho các klystron công suất cao.
Hầu hết các klystron phục vụ khoa học đều được sản xuất bởi một số ít công ty cung cấp một số lượng hạn chế các mẫu đã hoạt động trong nhiều thập kỷ. Tần số, công suất và chu kỳ hoạt động của chúng có thể không tương ứng với các thông số kỹ thuật của một máy gia tốc mới đang được xem xét—và trong hầu hết các trường hợp, ít hoặc không có suy nghĩ nào được đưa ra về hiệu quả năng lượng hoặc dấu chân carbon.
Tuy nhiên, khi tìm kiếm các giải pháp phù hợp cho máy va chạm vật lý hạt tiếp theo, việc tối ưu hóa hiệu quả năng lượng của klystron và các thiết bị khác sẽ quyết định hóa đơn tiền điện cuối cùng và lượng khí thải CO2 là một nhiệm vụ có tầm quan trọng tối đa. Do đó, gần một thập kỷ trước, các chuyên gia RF tại CERN và Đại học Lancaster đã bắt đầu dự án Klystron hiệu suất cao (HEK) để tối đa hóa hiệu suất chùm tia sang RF: một phần công suất chứa trong chùm electron của klystron được chuyển đổi thành công suất RF bởi khoang đầu ra.
Độ phức tạp của klystron nằm ở các trường phi tuyến tính mà các electron phải chịu. Ở cực âm và các giai đoạn đầu tiên của gia tốc tĩnh điện, hiệu ứng tập thể của các lực "điện tích không gian" giữa các electron quyết định động lực học phi tuyến tính mạnh của chùm tia. Điều tương tự cũng đúng khi chùm tia bó chặt dọc theo ống, với lực đẩy lẫn nhau giữa các electron ngăn cản chùm tia tối ưu tại khoang đầu ra.
Vì lý do này, việc thiết kế klystron không dễ bị ảnh hưởng bởi các phép tính phân tích đơn giản. Từ năm 2017, CERN đã phát triển một mã có tên là KlyC để mô phỏng chùm tia dọc theo kênh klystron
và tối ưu hóa các thông số như tần số và khoảng cách giữa các khoang nhanh hơn từ 100 đến 1.000 lần so với mã 3D thương mại. KlyC có sẵn trong phạm vi công cộng và đang được sử dụng bởi một danh sách ngày càng dài các phòng thí nghiệm và đối tác công nghiệp.
Perveance
Đặc điểm chính của klystron là một độ lớn không rõ ràng được thừa hưởng từ thiết kế súng điện tử được gọi là perveance. Đối với các perveance nhỏ, lực điện tích không gian nhỏ, do năng lượng cao hoặc cường độ thấp, giúp dễ dàng tập hợp. Đối với các perveance lớn, lực điện tích không gian chống lại việc tập hợp, làm giảm hiệu suất chùm tia tới RF. Các klystron công suất cao yêu cầu dòng điện lớn và do đó cần có perveance cao. Do đó, một cách để tạo ra các klystron hiệu suất cao, công suất cao là nhiều catốt tạo ra nhiều chùm electron có độ từ thông thấp trong một klystron "nhiều chùm tia" (MB).
Nhìn chung, có sự phụ thuộc gần như tuyến tính giữa độ từ thông và hiệu suất. Nhờ những nỗ lực trong những năm gần đây, các klystron hiệu suất cao hiện đang vượt trội hơn các klystron công nghiệp 10% về hiệu suất cho mọi giá trị độ xuyên thấu và đang tiến gần đến giới hạn lý thuyết cuối cùng.
Một trong những thiết kế đầu tiên được đưa vào cuộc sống dựa trên E37113, một klystron xung với công suất cực đại 6 MW hoạt động trong băng tần X ở tần số 12 GHz, được thương mại hóa bởi CANON ETD. Klystron này hiện đang được sử dụng tại cơ sở thử nghiệm tại CERN để xác thực các nguyên mẫu RF CLIC, có thể được hưởng lợi rất nhiều từ công suất lớn hơn. Là một phần của sự hợp tác với CERN, CANON ETD đã chế tạo một ống mới, theo thiết kế được tối ưu hóa tại CERN, để đạt hiệu suất chùm tia tới RF là 57% thay vì 42% ban đầu (xem hình ảnh "Klystron CLIC" và CERN Courier tháng 9/tháng 10 năm 2022 trang 9).
Vì giao diện của nó với nguồn điện áp cao (HV) và solenoid được giữ nguyên, nên giờ đây người ta có thể hưởng lợi từ 8 MW công suất RF cho cùng mức tiêu thụ năng lượng như trước. Vì những thay đổi trong quá trình sản xuất kênh ống chỉ là một phần nhỏ trong quá trình sản xuất thiết bị, nên giá của nó sẽ không tăng đáng kể, ngay cả khi cần các phương pháp sản xuất chính xác hơn.
Theo đuổi sức mạnh
Một ví dụ thành công khác về việc thiết kế lại ống để đạt hiệu suất cao là TH2167—klystron đằng sau LHC, do Thales sản xuất. Ban đầu cho thấy hiệu suất chùm tia tới RF là 60%, nhóm CERN đã thiết kế lại ống để đạt hiệu suất 10% và đạt 70%, trong khi vẫn sử dụng cùng một nguồn điện áp cao và solenoid.
Nguyên mẫu ống đã được chế tạo và hiện đang ở CERN, nơi nó đã chứng minh khả năng tạo ra 350 kW công suất RF với cùng năng lượng đầu vào như trước đây cần thiết để tạo ra 300 kW. Công suất này sẽ mang tính quyết định khi xử lý chùm tia cường độ cao hơn dự kiến sau khi nâng cấp độ sáng của LHC. Và tất cả những điều này một lần nữa với mức giá tương đương với các mẫu trước đó.
Cuộc tìm kiếm hiệu suất cao nhất vẫn chưa kết thúc. Nhóm CERN hiện đang nghiên cứu một thiết kế có thể cung cấp năng lượng cho máy va chạm Future Circular (FCC) được đề xuất. Sử dụng khoảng một trăm khoang tăng tốc, các chùm electron và positron sẽ cần được bổ sung 100 MW công suất RF và hiệu quả năng lượng là điều bắt buộc.
Mặc dù cùng một ống được sử dụng cho LHC, hiện đã tăng hiệu suất lên 70%, có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho FCC, CERN đang hướng tới một ống chân không có thể đạt hiệu suất hơn 80%. Một klystron đa chùm hai tầng ban đầu được thiết kế có khả năng đạt hiệu suất 86% và tạo ra 1 MW công suất sóng liên tục.
Được thúc đẩy bởi những thay đổi gần đây trong các thông số FCC, chúng tôi đã khám phá lại một thiết bị cũ gọi là tristron, không phải là klystron thông thường mà là "ống lưới" có cơ chế tập hợp chùm tia điện tử khác biệt. Triston có mức tăng công suất thấp hơn nhưng linh hoạt hơn nhiều. Các mô phỏng đã xác nhận rằng chúng có thể đạt hiệu suất cao tới 90%.
Đây có thể là một công nghệ đột phá với các ứng dụng vượt xa máy gia tốc. Sản xuất nguyên mẫu là cơ hội tuyệt vời để chuyển giao kiến thức từ nghiên cứu cơ bản sang các ứng dụng công nghiệp.
