Em nome do CERN, pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram um dispositivo de alta tecnologia para a produção de produtos extremamente precisos, pulsos de alta tensão que podem ser usados ​​na próxima geração de aceleradores de partículas.

O uso mais conhecido de pulsos de alta tensão é em cercas elétricas em fazendas. Contudo, aceleradores de partículas em instalações de pesquisa de grande escala como o CERN em Genebra também dependem de geradores de pulso de alta tensão - mas estes produzem pulsos com energias e tensões muito mais altas do que aqueles usados ​​em cercas agrícolas. O trabalho preparatório está em andamento no CERN para o próximo projeto de pesquisa em grande escala a partir de 2025. Um dos dois projetos potenciais é a construção de um acelerador linear de 50 quilômetros em um túnel que vai de Nyon ao desfiladeiro do vale do Ródano perto de Bellegarde, na França (Projeto CLIC, veja a caixa). Pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram um gerador de pulso necessário para este acelerador no âmbito de um acordo de colaboração com o CERN. Alguns dias atrás, protótipos foram entregues ao CERN, onde agora serão colocados à prova.

O gerador de pulso, que ocupa aproximadamente três metros cúbicos, produz pulsos de 180, 000 volts da fonte de alimentação pública de 400 volts, que duram exatamente 140 milionésimos de segundo. Para garantir que a fonte de alimentação pública seja carregada uniformemente e não seja interrompida por pulsos de pico, 8 capacitores grandes e quase 200 pequenos (dispositivos de armazenamento temporário de energia) dentro do gerador de pulsos são carregados e descarregados continuamente 50 vezes por segundo. Um transformador especialmente desenvolvido garante que a tensão de saída necessária seja alcançada da forma mais rápida e eficiente possível.

Várias centenas de estágios de aceleração

O potencial futuro projeto de pesquisa em larga escala no CERN incluirá a aceleração de elétrons e pósitrons (antipartículas de elétrons). "Esta aceleração ocorrerá em um clístron, que depende dos pulsos de alta tensão fornecidos pelo gerador de pulsos, "explica Jürgen Biela, Professor de Sistemas Eletrônicos de Alta Potência na ETH Zurique. Os pulsos de 140 microssegundos longos são usados ​​no clístron para produzir um campo alternado de frequência muito alta. Elétrons ou pósitrons são acelerados neste campo alternado.

Se o acelerador CLIC for construído, mais de mil clístrons serão necessários para acelerar elétrons e pósitrons em estágios até que se aproximem da velocidade da luz. Cada clístron seria alimentado por seu próprio gerador de pulsos.

Medição em tempo real para máxima eficiência

Um dos maiores desafios para os pesquisadores da ETH foi construir o gerador de pulsos de forma que os pulsos produzidos fossem todos de igual comprimento e magnitude com uma tolerância relativa de não mais que cem milésimos. Além disso, O CERN especificou que a tensão para cada pulso deve saltar de 0 volts para 180, 000 volts e vice-versa com extrema rapidez. Para alcançar isto, o dispositivo mede o fluxo de corrente cem mil vezes por segundo e o controla em tempo real.

"Se o salto do pulso fosse mais lento, mais energia não utilizada seria transmitida ao clístron, o que reduziria a eficiência energética do gerador de pulso, "explica Sebastian Blume. Durante a pesquisa de doutorado no laboratório de Biela, ele desempenhou um papel fundamental no desenvolvimento do gerador de pulsos. A eficiência é, portanto, um fator central, como o equipamento usa quantidades relativamente altas de energia:a potência de um gerador de pulsos é mais de cem vezes maior do que uma máquina de lavar ou um grande aspirador.

O professor Biela da ETH já desempenhou um papel fundamental no desenvolvimento de geradores de pulso para SwissFEL, a fonte de radiação síncrotron que começou a operar há alguns meses no Instituto Paul Scherrer, como parte de um projeto conjunto com a empresa suíça de engenharia elétrica Ampegon.

Acelerador linear ou acelerador de anel maior?

Prevê-se que o acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) no CERN funcionará até 2035 ou 2040. Além disso, as discussões estão atualmente focadas em dois possíveis programas de pesquisa em grande escala que estão competindo um com o outro. O CERN deve decidir qual instalar nos próximos três anos.

O projeto CLIC (Compact Linear Collider) usa um túnel de 50 quilômetros de comprimento para acelerar elétrons de uma extremidade e pósitrons da outra para o meio do túnel, onde eles colidem uns com os outros. O uso deste tipo de acelerador linear permite que partículas elementares, como o bóson de Higgs, sejam medidas com muito mais precisão do que atualmente é possível com o LHC, ou seria possível com o outro projeto futuro em discussão, o FCC (Future Circular Collider).

Um anel de aceleração com circunferência de 80 a 100 quilômetros está atualmente em discussão para o projeto FCC. Por comparação, o LHC tem uma circunferência de 27 quilômetros. A energia de colisão no FCC seria sete vezes maior do que a alcançada no LHC. Comparado com o projeto CLIC, isso tem a vantagem de fornecer uma plataforma melhor para a descoberta de novos efeitos e partículas fundamentais.