Como blocos de construção fundamentais da matéria, os prótons são parte de todas as coisas que nos cercam. No Instituto Paul Scherrer PSI, Contudo, eles saem de sua função usual e são implantados para gerar outras partículas, ou seja, nêutrons e múons, que são posteriormente usados ​​para estudar materiais. Com este objetivo, os prótons precisam primeiro ser acelerados. Um papel importante nisso é desempenhado por um acelerador de três estágios, no meio do qual está o acelerador conhecido como Injetor 2.

Três aceleradores dispostos em série constituem a facilidade de aceleração de prótons em PSI:começa com o formato de cogumelo, acelerador Cockcroft-Walton de cerca de 10 metros de altura, em que os prótons são gerados e pré-acelerados. Termina com o grande acelerador de prótons, um acelerador de anel, que no jargão técnico é chamado de cíclotron. Aqui, os prótons são acelerados a 80% da velocidade da luz. Entre as arquibancadas, o injetor 2, um acelerador de anel menor, igualmente classificado como um cíclotron. Sua função como pré-acelerador é entregar prótons ao grande ciclotron com 38% da velocidade da luz. Como as engrenagens de um automóvel, os aceleradores se complementam consecutivamente. Pense em Cockcroft-Walton como a primeira marcha:os prótons obtêm uma aceleração inicial ao longo de um trecho reto. Injetor 2, segunda marcha:a velocidade dos prótons aumenta à medida que circulam pelo anel. O grande acelerador, terceira marcha:novamente andando em círculos, os prótons são trazidos até a velocidade final desejada. Como dirigir um carro, você simplesmente não pode passar sem a primeira e a segunda marcha.

Depois que os prótons são gerados, eles são guiados por um vácuo dentro do Cockcroft-Walton para que não colidam com as moléculas de ar. Aqui, o vácuo não significa simplesmente uma câmara evacuada, já que sempre resta um pouco de ar. Um vácuo pode ter qualidade variável - quanto melhor for o vácuo, menos gás contém. O vácuo em torno dos prótons não é exatamente da mesma qualidade em todos os lugares à medida que eles passam pelas três instalações. O vácuo mantido no Injetor 2, por exemplo, corresponde a um bilionésimo da pressão atmosférica; em outras palavras, apenas vestígios extremamente pequenos de gás estão presentes.

Cada um dos três aceleradores está alojado em seu próprio corredor. À primeira vista, O injetor 2 aparece em seus 12 metros de altura, sala quase quadrada, na forma de ímãs alternados de cor turquesa, quatro ao todo, e quatro ressonadores prateados - todos quase da altura de um homem - que são alinhados radialmente. De cima, este arranjo de ímãs e ressonadores parece um bolo já cortado em porções, com as pontas das fatias cortadas.

Os ressonadores produzem um campo elétrico alternado pelo qual os prótons são cada vez mais acelerados. E os ímãs garantem que os prótons circulem em torno do centro do injetor 80 vezes. O campo magnético varia do meio para o exterior de tal forma que os prótons, que iniciam sua circulação por dentro, sempre precisa da mesma quantidade de tempo para completar uma volta, mesmo que o caminho que eles percorram seja cada vez mais longo.

No acelerador, nenhum próton vai sozinho

Prótons não são solitários no acelerador. Eles viajam em pequenos grupos ou pacotes. Uma vez que os prótons carregam uma carga elétrica positiva, eles se repelem e, ao longo de sua trajetória, afastam-se uns dos outros dentro deste agrupamento até que um efeito importante se defina:Com o tempo, de acordo com Joachim Grillenberger, responsável pela operação da instalação de prótons, o feixe focaliza a si mesmo. O que isso significa é que depois de dez ou vinte voltas ao redor do ringue, os grupos de prótons se agrupam e assumem a forma de uma bola, que eles retêm.

Para ajustar o feixe de prótons no injetor 2, colimadores são usados. Esses componentes são feitos principalmente de cobre, tem uma abertura, e são posicionados em locais adequados ao longo do caminho espiral dos prótons. Apenas prótons que se movem na trajetória ideal passam pela abertura dos colimadores, e todos os outros prótons são absorvidos pelo cobre.

Os três caminhos dos prótons

Depois de ser acelerado no Injetor 2, três caminhos estão abertos para o feixe de prótons. A maior parte do feixe de prótons é guiada para uma maior aceleração no grande ciclotron. Os prótons acelerados atingem primeiro um dispositivo alvo que consiste em discos de carbono giratórios, gerando píons e múons no processo. Em seguida, eles continuam em seu caminho, finalmente colidindo com um bloco de metal para produzir nêutrons. Enquanto píons, múons, e nêutrons são centrais para a pesquisa, eles também, por outro lado, ajudar os pesquisadores a obter insights sobre a composição dos materiais. Uma parte muito pequena da corrente do feixe, cerca de dois por cento, pode ser enviado por um segundo caminho imediatamente após o Injetor 2. Esses prótons, então, produzem radionuclídeos que são aplicados no desenvolvimento de produtos farmacêuticos. Esses medicamentos são usados ​​em diagnósticos de câncer. O terceiro caminho leva a um beco sem saída onde os prótons são simplesmente absorvidos. Os prótons são sempre canalizados desta forma se não tiverem as propriedades adequadas para os dois outros caminhos:Os prótons são, nesse caso, muito lento ou muito rápido.

Olhando para trás

Quando a instalação de prótons começou a operar em 1974, o objetivo principal era usar os prótons para gerar píons. Pensou-se que os píons ajudariam a resolver as questões então atuais da física de partículas. Desde aquele tempo, a instalação foi adaptada repetidamente para atender às necessidades da ciência. No início, a instalação produziu uma corrente de feixe de 100 microamperes, extraordinariamente alto para as condições da época. Joachim Grillenberger:Hoje, cerca de 40 anos depois, uma corrente de feixe 24 vezes maior pode ser gerada. Naturalmente, isso só é possível porque a instalação foi sempre aprimorada e desenvolvida. A melhoria constante rendeu um recorde mundial para a instalação de prótons que detém desde 1994:ela fornece o feixe de prótons mais forte do mundo.

Para permanecer na vanguarda da tecnologia de aceleradores, você não pode descansar sobre os louros. O injetor 2 é um elo na cadeia da instalação do acelerador de prótons de três estágios. Ele também deve ser sempre mantido tecnologicamente atualizado para continuar a atender às altas demandas de desempenho e confiabilidade operacional, diz Joachim Grillenberger. Atualmente, junto com colegas, ele está liderando um projeto que tornará o Injector 2 ainda mais capaz:em 2018 e 2019, novos ressonadores serão instalados, e toda a cadeia de amplificação será modernizada. Como resultado, as partículas serão aceleradas em um intervalo de tempo ainda mais curto e menos prótons serão perdidos no processo de aceleração - aumentando o desempenho de toda a instalação. Assim, os especialistas em aceleradores também estão contribuindo para a modernização da fonte de nêutrons de fragmentação SINQ, que depende de prótons da instalação do acelerador para gerar seus nêutrons.