Illinois Accelerator Research Center (I ARC) Dr. Charli e Cooper - PowerPoint PPT Presentation

F ERMILAB-SLIDES-17-006-DI Illinois ¡ Accelerator ¡ Research ¡ Center ¡(I ARC) Dr. ¡ Charli e ¡ Cooper General ¡ Manage r ¡ of ¡ IARC ¡ at Fermi ¡N ational ¡ Accelerator ¡L ab ICARST ¡ 2017 , ¡ Vienn a, ¡ Austria Wednesday ¡ April ¡ 26th, ¡ 16:30 ¡ – 18:30 This manuscript has been authored by Fermi Research Alliance, LLC under Contract No. DE-AC02-07CH11359 with the U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of High Energy Physics

Fermi ¡N ational ¡ Accelerato r ¡L ab • Fermi ¡i s ¡ ¡a ¡N ational ¡L ab ¡Fu nded ¡b y ¡t h e ¡Dep artment ¡o f ¡E nergy • ~ ¡ $360 ¡ M/yr operating ¡b udget ¡wi th ¡1 700 ¡ staff ¡ (>2000 ¡ users) • Bas e ¡m ission ¡o f ¡d iscovery ¡s cien ce ¡t hrough ¡h igh ¡en ergy ¡p hysics ¡r esearch • Celebrating ¡ 50 ¡ years ¡ of ¡ science(Discovery ¡ of ¡ Top ¡ Quark, ¡ Bottom ¡ Quark, ¡ Observation ¡ Tau ¡ Neutrino) • Fundamental ¡d iscovery ¡t ool ¡a t ¡Fer mi ¡i s ¡t h e ¡p articl e ¡a ccelerator • Largest ¡ concentration ¡ of ¡ accelerator ¡ experts ¡ in ¡ the ¡ World • Expertise ¡ in ¡ accelerator ¡ design, ¡ simulation, ¡ fabrication, ¡ integration ¡ and ¡ test • Uniqu e ¡ facilities ¡ for ¡ design, ¡ test ¡ and ¡ operation ¡ of ¡ accelerators 1 COOPER ¡| ¡I CARST ¡2 017

Illinois ¡ Accelerato r ¡ Resea rch ¡ Center • There ¡ have ¡ been ¡ and ¡ will ¡ continue ¡ to ¡ be ¡ new ¡ technologies ¡ develope d ¡ in ¡ the ¡ pursuit ¡ of ¡ basic ¡ science. ¡ (Accelerators, ¡ Detectors, ¡ Magnets, ¡ Computing) • IARC ¡ is ¡ focused ¡ on ¡ developing ¡ accelerato r ¡ based ¡ technologies ¡ to ¡ the ¡ poin t ¡ where ¡ they ¡ are ¡ attractive ¡ to ¡ industry. • Through ¡ IARC ¡ we ¡ can ¡ leverage ¡ Fermi’s ¡ human ¡ capital, ¡ facilities ¡ and ¡ technologies. • We ¡ believe ¡ that ¡ the ¡ technologies ¡ we ¡ are ¡ developing ¡at ¡ IARC ¡ will ¡ enabl e ¡new ¡f ields ¡a nd ¡d emonstrat e ¡Fer mi’s ¡i mpact, ¡b eyond ¡b asic ¡ discovery ¡ science, ¡ on ¡ the ¡ nation’s ¡ health, ¡ security ¡ an d ¡ wealth. • http://iarc.fnal.gov/ 2 COOPER ¡| ¡I CARST ¡2 017

Fermi’s ¡ Expertise • Accelerator ¡ Science • Beam ¡ dynamics, Simulation ¡ and ¡ Modeling Phase -­‑ space ¡ manipulation, ¡ Energy ¡ Deposition • Accelerator ¡ Operation • Accelerator ¡ Technology • Particle ¡ sources, ¡ targets, ¡ super -­‑ conducting ¡ RF ¡ cavities ¡ and ¡ cryomodules , ¡ conventional ¡m agnets, ¡s uperconducting ¡ magnets , ¡ cryogenic ¡ systems , ¡ hig h ¡ and ¡ low ¡ leve l ¡ RF ¡ systems, ¡ controls ¡ an d ¡ DAQ ¡ and ¡ be am ¡ cooling ¡ and ¡ be am ¡ instrumnetation • Detectors/Computing COOPER ¡| ¡I CARST ¡2 017 3

Facilities ¡ Accessible ¡ Through ¡I ARC • IARC ¡ Core ¡F acilities Offi ce ¡ Technology ¡a nd ¡ Heavy ¡ Assembly ¡ Building Engineering ¡Bu ilding Repurposed ¡ Collider ¡ Detector ¡ Facility • 47,000 ¡ square ¡ feet 42,000 ¡ sq ft • • 110 ¡ work ¡ spaces 50 ¡ T ¡ crane, ¡ 10 ¡ T ¡ crane ¡ • • 175 ¡ person ¡ conference ¡ hall Radiation ¡ shielding ¡ • • Light ¡ tech ¡ space 1.5 ¡ MW ¡ of ¡ Power2.0 ¡ MW ¡ of ¡ chilled ¡ • • Inside ¡ and ¡ outside ¡ eating ¡ area water • 600 ¡ W ¡ @ ¡ 4 ¡ K ¡ cryogenic ¡ refrigerator ¡ • 2 ¡ developmental ¡ accelerators • 4 COOPER ¡| ¡I CARST ¡2 017

Facilities ¡ Accessible ¡ Through ¡I ARC • Repurposed Industrial ¡ Accelerator • 4 -­‑ 22 ¡M eV, ¡~ ¡3 ¡k W • Radiabeam ARCIS ¡ Acceler. ¡( Cargo ¡ Scanning) • 2 -­‑ 9 ¡M eV, ¡~ ¡5 8 ¡k W • Infrastructure ¡f or ¡ Accelerator ¡& ¡ Subcomponent ¡D esign, ¡M anufacture ¡a nd ¡ Test • http://iarc.fnal.gov/pilot/files/FermilabAcceler atorCapabilities -­‑ print.pdf 5 COOPER ¡| ¡I CARST ¡2 017

Technology ¡ Maturation Compact ¡ Accelerator ¡ Platfor m ¡ Technology • Currently ¡ we ¡ are ¡ integrating ¡ multiple ¡ new ¡ technologies ¡ to ¡ create ¡a ¡ compac t, ¡ portable, ¡ high ¡ power ¡ electron ¡b eam ¡p latform ¡ accelerator. • In ¡ design ¡ phase • Build ¡ and ¡ tes t ¡ firs t ¡ article ¡ in ¡4 ¡ year ¡ time ¡ frame. • Tom ¡ Kroc ¡ will ¡ detail ¡ compact ¡a ccelerator ¡( A10 -­‑ 03) • We ¡ are ¡ concurrently ¡ developing ¡ applications ¡ for ¡ this ¡ compac t ¡ accelerator. COOPER ¡| ¡I CARST ¡2 017 6

Application ¡Areas • Water/Biosolids • Cargo ¡ Scanning • Modification ¡ of ¡ Materials ¡ (like ¡ pavement) • Medical ¡ Sterilization • Driving ¡ various ¡ industrial ¡ chemistries • GTL ¡ of ¡ flare ¡ gas • Rubber • Environmental ¡r emediation, ¡ Advanced ¡ Mnfg , ¡ food ¡ treatmen t, ¡ surface ¡ hardening , ¡ digita l ¡ electronics, ¡ mining COOPER ¡| ¡I CARST ¡2 017 7

Municipal ¡ Wate r ¡ Treatment ¡v i a ¡ Compact ¡ Accelerator • Currently ¡p artnered ¡ SUN-TIMES GRAPHIC BY GREG GOOD Deep Tunnel Street River 1 Sewers from 125 e & Storm municipalities, including Intercepting Intercepting their offices, homes, with ¡M etropolitan ¡ o reclamation plant factories and businesses, 11 BIOSOLIDS DRYING AREA empty into seven wastewater treatment After the solids leave the last centrifuge they have a soil- plants in Cook County. like texture. They still have a water content of 75% and s approximately 320 feet below the Water ¡R eclamation ¡ need further treatment. They are transported by train face and as wide as 33 feet diameter. to the Lawndale Avenue Solids Management Area. The biosolids are spread out so the water can evaporate ending the process with 60%-70% solids. They are District ¡o f ¡ Chicago ¡ ARSE SCREENS then used for farms, landfill covers, golf courses, iminary treatment) Biosolids Biosolids highway shoulders, Screens remove large 9 Combined etc. – trash, wood, Water Water Sewer etc. – that could evaporation evaporation Systems 10 damage pumps. CENTRIFUGES CENTRIFUGES Solids are brok • Stickney ¡p lant, ¡l argest ¡ micro-organisms, producing gas in the process. The gas Deep heats the digester to 95 Tunnel degrees, Sewage for the microorganisms. to plant Water in ¡t he ¡w orld ¡(1 .2 ¡B illion ¡ SOLIDS TREATMENT returned to wastewater 8 CENTRIFUGES TREATMENT PROCESS WASTEWATER PROCESS treatment They rapidl to extracts more gal/day ) ¡ liquid from the solids. To landfill CONCENTRATION TANKS Solids to solid PUMPS treatment 7 • Incoming ¡w ater ¡i s ¡a ¡f uel ¡ process 3 AERATED GRIT TANKS Micro-organisms (Preliminary treatment) source ¡n ot ¡j ust ¡w aste are returned to the These use air bubbles keep lighter activated sludge tanks to continue materials suspended while grit, working sand and gravel sink to the bottom. Once the large material is on the bottom, a conveyor shovels it into a drain. What is collected is taken • Goal ¡o f ¡n et ¡z ero ¡e nergy ¡ to a landfill. operation 4 PRIMARY SETTLING TANKS (Primary treatment) Here, solids settle to the bottom. Fats and oils float to the top. A revolving 5 ACTIVATED SLUDGE conveyor with slats skim off • Desire ¡ to ¡r ecover ¡n itrates ¡ AERATION TANKS the floating fats and oils and • Biosolids can ¡b e ¡s old ¡a s ¡f ertilizer and ¡p hosphates 8 COOPER ¡| ¡I CARST ¡2 017

Accelerators ¡ for ¡ National ¡ Security Cargo ¡ scanning ¡ and ¡“ active ¡i nterrogation” ¡t o ¡d etect ¡s pecial ¡ • materials ¡ ¡ Typically ¡e mploy ¡x-­‑ ray ¡t ubes ¡o r ¡e lectron ¡b eam ¡a ccelerators ¡ • Electron ¡b eam ¡s ources ¡w ith ¡e nergies ¡6-­‑ 9 ¡M eV ¡a re ¡n eeded • Typically ¡b ased ¡o n ¡c opper ¡R adio -­‑ Frequency ¡(R F ) ¡ Accelerating ¡ • Structures ¡f irst ¡d eveloped ¡i n ¡t he ¡1 960’s ¡(p ulsed) Needs: ¡ Continuous ¡ Wave ¡ (CW) ¡ operation, ¡ higher ¡ beam ¡ power, ¡ • lighter ¡ and ¡ more ¡ efficient: ¡ for ¡ mobile ¡ applications 9 COOPER ¡| ¡I CARST ¡2 017

Compac t ¡ Accelerato r ¡ fo r ¡ Pavement • High ¡ power ¡ an d ¡ goo d ¡ penetration ¡ depth ¡ allow ¡ for ¡ 1 ¡ cm rapid ¡ deploymen t ¡ of ¡ new ¡ pavement • Enables ¡u se ¡of ¡new ¡t ypes ¡of ¡p avement ¡m aterials ¡ 2 ¡ cm that ¡ are ¡ more ¡ resilien t ¡ to ¡ we ar ¡ than ¡ asphalt • Can ¡ be ¡ used ¡ for ¡ applications ¡ like ¡ military ¡ runways, ¡ specialty ¡ coatings, ¡ and ¡ normal ¡ roadways • Penetration ¡ depth ¡ allows ¡ for ¡ cold ¡ repairs • Patent ¡ # COOPER ¡| ¡I CARST ¡2 017 10