Os físicos geralmente não têm escassez de planos para construir aceleradores de partículas muito caros – mas alguns pesquisadores estão trabalhando para tornar a tecnologia dos aceleradores mais barata, e uma maneira é reciclar grande parte da energia inicialmente usada para acelerar partículas. Uma colaboração nos EUA mostrou agora que pode operar com sucesso esse “linac de recuperação de energia” combinando cavidades supercondutoras com ímãs permanentes projetados com precisão.
O síncrotron tem sido uma maneira popular de acelerar elétrons e outras partículas carregadas. A energia é transferida para grupos de partículas carregadas enviando-as através de uma série de cavidades de radiofreqüência, enquanto os ímãs os mantêm em um caminho circular por milhares de órbitas. Essas máquinas são amplamente usadas como colisores de alta energia e como fontes de raios-X muito brilhantes para uma ampla gama de ciências.
Enquanto essa aceleração cíclica produz potências médias muito altas, os cachos de partículas gradualmente se espalham e perdem intensidade e polarização. Como resultado, os aceleradores lineares (linacs) são usados para criar os feixes de partículas mais brilhantes. Elas disparam partículas em um único tiro ao longo de uma seção reta de cavidades, produzindo cachos com energias muito altas e intensidades excepcionais. Mas essas máquinas também têm uma desvantagem – elas consomem uma enorme quantidade de energia por tiro, o que limita sua taxa de queima.
Melhor dos dois mundos
Os linacs de recuperação de energia (ERLs) são projetados para combinar o melhor dos dois mundos. Esses dispositivos enviam elétrons através de um linac e os guiam de volta ao circuito de volta à entrada do acelerador – com apenas alguns deles tendo sua energia consumida ao longo do caminho. Esse processo ocorre N vezes, com as partículas ganhando energia a cada turno. Então a lógica é invertida, graças a uma mudança no comprimento do caminho dos elétrons de meio comprimento de onda da cavidade. As partículas viajam mais N vezes ao redor do circuito, mas, em vez de absorver energia adicional das cavidades, devolvem-no. Uma vez que seus turnos estão completos e eles perderam toda a energia que adquiriram originalmente, eles são descartados.
Com a maior parte dessa energia transferida para outros elétrons posteriormente injetados no circuito, que passam pelos mesmos ciclos 2N, um ERL pode acelerar um determinado número de partículas usando uma pequena fração da energia consumida pelo linac equivalente. Em princípio, isso permite que esse dispositivo gere luminosidades muito mais altas a partir de um determinado orçamento de eletricidade ou consuma menos energia para uma determinada luminosidade. Embora a última opção reduza os custos operacionais, ambos devem reduzir os custos de construção – considerando que as cavidades de linac são mais caras de construir do que os ímãs usados para direcionar elétrons.
A idéia não é nova, tendo sido apresentada originalmente por Maury Tigner, na Universidade Cornell, nos EUA, em 1965. No entanto, o esquema precisou superar vários obstáculos nas décadas seguintes. Um deles vem desenvolvendo as cavidades supercondutoras que tornam os linacs mais eficientes em termos energéticos. Outro desafio foi mesclar vigas na entrada do linac e separá-las na saída, além de lidar com os modos de ordem superior dentro das cavidades que podem causar a quebra de grupos de partículas. Não obstante as dificuldades, o esquema foi colocado em prática em vários locais, incluindo a Universidade Estadual de Novosibirsk, na Rússia, que operou um ERL de cavidade de cobre com múltiplas curvas (N = 4) pela primeira vez.
Passes múltiplos
O trabalho mais recente, realizado por Georg Hoffstaetter, da Cornell University e colegas, faz progressos ao demonstrar várias passagens usando um linac supercondutor. O acelerador de teste de recuperação de energia e linac de Cornell Brookhaven (CBETA) foi construído e testado na Cornell, mas conta com ímãs desenvolvidos por Dejan Trbojevic e equipe do Laboratório Nacional de Brookhaven. Eles são bem diferentes dos eletroímãs usados nos síncrotrons, cujos campos aumentam para impedir que os elétrons voem para fora da máquina à medida que aumentam a velocidade – mas não podem acomodar elétrons com energias diferentes. Em vez disso, os ímãs do CBETA geram um formato de campo para que possam guiar simultaneamente oito conjuntos de elétrons, com quatro energias diferentes, ao redor do circuito de volta ao linac. Por serem permanentes, e não eletromagnéticos, esses ímãs de “gradiente alternado de campo fixo” fornecem um recurso adicional de economia de energia em relação aos linacs tradicionais.
Hoffstaetter e colegas realizaram o primeiro teste do CBETA em junho do ano passado, mostrando que a máquina poderia recuperar 99,8% de sua energia de entrada após acelerar e desacelerar elétrons em passes únicos. Então, pouco antes do Natal, os pesquisadores demonstraram o complemento completo de oito passes. Como eles relatam em um artigo aceito para publicação em Physical Review Letters, eles pegaram elétrons em energia cinética de 6 MeV e aumentaram sua energia para 42, 78, 114 e 150 MeV, antes de diminuir a energia para que ela voltasse a 6 MeV .
Os pesquisadores dizem que a tecnologia CBETA pode ser usada em uma variedade de aplicações, incluindo produção de isótopos médicos, terapia contra o câncer ou na fabricação de microchips. Também foi projetado para mostrar como “resfriar” os íons que serão colididos no coletor de íons de elétron de US $ 2 bilhões aprovado para construção no laboratório de Brookhaven em janeiro. Projetado para sondar a composição de prótons e nêutrons com precisão sem precedentes, o colisor depende de minimizar a energia das partículas para maximizar as taxas de colisão.
Tendo demonstrado que o CBETA pode funcionar em princípio, Hoffstaetter e colegas estão agora trabalhando para aumentar seu desempenho. Para proteger equipamentos e pessoal, eles restringiram a corrente da máquina na corrida de dezembro a apenas alguns nanoamp. Mas agora eles querem elevar isso para uma meta de 40 mA. “Um empurrão para a corrente alta será o próximo estágio deste acelerador”, eles escrevem.
Publicado em 30/06/2020 05h24
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