Utilizando piezas industriales disponibles en el mercado, un equipo de investigadores de los sectores público y privado ha creado un prototipo de un pequeño acelerador de partículas que podría tener un gran impacto en el avance de la tecnología para aplicaciones comerciales.
Si estás familiarizado con los aceleradores de partículas, sabrás que son grandes. Y caro. Y tardan mucho en construirse. En el Centro de El Gran Colisionador de Hadrones del CERN, por ejemplo, es un anillo repleto de imanes de 27 kilómetros de largo. Esa instalación tardó unos 10 años en ponerse en funcionamiento y tenía un precio de alrededor de 5.000 millones de dólares. Sin embargo, la idea de utilizar electrones excitados, el «producto» de los aceleradores de partículas, podría tener aplicaciones que van más allá de una instalación tan puramente orientada a la investigación si tan sólo existiera una forma de producirlos utilizando maquinaria más compacta y asequible.
Ese fue el pensamiento que impulsó a los científicos de una variedad de instalaciones, incluida la Instalación del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. y la compañía de energía y defensa General Atomics, a buscar formas de hacer un acelerador de partículas de haz de electrones compacto y más asequible. Lo consiguieron gracias a dos nuevas innovaciones.
Obtener una transferencia
El primero de estos avances fue la forma en que se diseñó la cámara del acelerador. Al crear el prototipo, los miembros del equipo sabían que querían centrarse en la aceleración de partículas de radiofrecuencia superconductora (SRF), como el sistema encontrado en el Laboratorio Jefferson. Instalación de acelerador de haz de electrones continuo. Estos aceleradores suelen estar revestidos con un metal llamado niobio, que se vuelve superconductor cerca del cero absoluto.
Atómica general
Para el nuevo prototipo, el equipo comenzó con niobio, pero luego añadió una capa de una aleación de niobio y estaño encima. Esto significó que la cámara podría funcionar a una temperatura más alta, eliminando la necesidad de un superenfriamiento tan intenso.
A continuación, los científicos cubrieron el exterior de la cámara primero con una capa de revestimiento de cobre de 2 mm (0,08 pulgadas), seguida de una capa más gruesa de 5 mm (0,2 pulgadas). Este diseño permitió que la cámara transfiriera más fácilmente el calor creado durante el proceso de aceleración de partículas al exterior a través de un proceso de conducción.
«Básicamente construimos una manta térmica de cobre en el exterior de la cavidad mediante una combinación de pulverización en frío y galvanoplastia», dijo Gianluigi «Gigi» Ciovati, científico del Laboratorio Jefferson que dirige el proyecto. «Esto proporciona una ruta de alta conductividad térmica para que el calor generado en la superficie interior se mueva hacia la superficie exterior y luego hacia el crioenfriador».
Gracias a este diseño basado en conducción, el sistema puede funcionar a 4 Kelvin (-452 °F), que es el doble de la temperatura necesaria en sistemas más grandes.
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Manteniéndolo fresco
Y eso nos lleva a la segunda innovación: el crioenfriador.
En los aceleradores de partículas grandes, el sistema normalmente se enfría mediante una planta criogénica de helio líquido. Una máquina de este tipo no sólo es costosa de construir, sino también de mantener.
En el nuevo prototipo, el equipo decidió utilizar crioenfriadores disponibles en el mercado, sistemas de refrigeración que se utilizan, entre otras cosas, para mantener fríos los imanes superconductores en muchas máquinas de resonancia magnética. Los crioenfriadores se montaron con sus «cabezas frías» mirando hacia la cámara del acelerador y se descubrió que lograron enfriar la nueva cámara basada en conducción a los 4 Kelvin necesarios.
«Una de las tecnologías innovadoras es la capacidad de enfriar la cavidad por conducción con estos dispositivos comerciales compactos, en lugar de tener plantas de enfriamiento criogénicas grandes, complejas y más caras», dijo Ciovati. «Las crioplantas de helio líquido no serán necesarias para el sistema en el que estamos trabajando».
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Pruebas
El nuevo diseño fue probado en General Atomics en un sistema conocido como criostato horizontal.
«Primero, se evacuó el aire del criostato y luego se enfrió la cavidad por debajo de su umbral superconductor y se excitó con una pequeña señal de RF para demostrar el gradiente de aceleración eléctrica», dijo Drew Packard, científico de la división de Energía de Fusión Magnética (MFE). de Atómica General. «Con el diagnóstico, demostramos que el rendimiento de la cavidad enfriada por conducción alcanzó las mismas especificaciones que las pruebas anteriores de helio líquido realizadas en el Laboratorio Jefferson».
De hecho, se demostró que el prototipo produce un campo magnético superficial máximo de 50 miliTesla que, según los investigadores, es el más alto jamás producido a partir de configuraciones similares. El equipo dice que esto sirve como prueba de que su nuevo acelerador compacto podría producir electrones con una ganancia de 1 millón de electronvoltios (MeV), lo que le permite tener viabilidad comercial. Un sistema de este tipo podría ayudar a producir isótopos para la medicina nuclear, por ejemplo, o ayudar a limpiar el medio ambiente.
«Los haces de electrones son útiles en una variedad de aplicaciones comerciales», dijo Packard. «Esta tecnología de acelerador superconductor compacto tiene un potencial considerable para la remediación ambiental, un ejemplo de ello es la purificación del agua.
«El agua no tratada puede contener concentraciones peligrosas de sustancias químicas como productos farmacéuticos o PFAS, así como patógenos dañinos como E. coli o salmonella. Los rayos de electrones son muy efectivos para desgarrar y descomponer moléculas complejas y compuestos orgánicos en partículas más básicas que son menos amenaza para la salud humana y el medio ambiente.»
El equipo dice que ahora explorará formas de impulsar el sistema para que su haz de electrones pueda penetrar más profundamente en los materiales, al mismo tiempo que buscará formas de agregarle módulos para que funcione aún mejor.
La investigación que describe el sistema ha sido publicada en la revista Aceleradores y haces de revisión física
