Um acelerador de partículas avançado projetado no Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA poderia reduzir o custo e aumentar a versatilidade das instalações para pesquisa física e tratamento de câncer. Ele usa peso leve, Quadros impressos em 3-D para manter blocos de ímãs permanentes e um método inovador para ajustar o campo magnético para direcionar vários feixes em diferentes energias através de um único tubo de feixe.

Com este design, os físicos poderiam acelerar as partículas em vários estágios para energias cada vez mais altas dentro de um único anel de ímãs, em vez de exigir mais de um anel para atingir essas energias. Em um ambiente médico, onde a energia dos feixes de partículas determina o quão longe eles penetram no corpo, os médicos poderiam fornecer mais facilmente uma gama de energias para zapear um tumor em toda a sua profundidade.

Cientistas testando um protótipo do compacto, design de baixo custo no Accelerator Test Facility (ATF) de Brookhaven - um DOE Office of Science User Facility - dizem que saiu com louvor. Imagens codificadas por cores mostram como uma série de feixes de elétrons acelerados para cinco energias diferentes passaram com sucesso pela curva de um metro e meio de ímãs, com cada feixe traçando um caminho diferente dentro do mesmo tubo de feixe de duas polegadas de diâmetro.

"Para cada um dos cinco níveis de energia, injetamos o feixe na trajetória "ideal" para essa energia e digitalizamos para ver o que acontece quando está um pouco fora da órbita ideal, "disse o físico do Brookhaven Lab, Stephen Brooks, arquiteto-chefe do projeto. Christina Swinson, um físico do ATF, direcionou o feixe através da linha ATF e do conjunto magnético de Brooks e desempenhou um papel essencial na execução dos experimentos.

"Projetamos esses experimentos para testar nossas previsões e ver o quão longe você pode ir da trajetória de chegada ideal e ainda fazer o feixe passar. Para a maior parte, toda a viga que entrou saiu na outra extremidade, "Disse Brooks.

Os feixes alcançaram energias mais do que 3,5 vezes o que havia sido alcançado anteriormente em um acelerador semelhante feito de eletroímãs significativamente maiores, com uma duplicação da razão entre os feixes de energia mais alta e mais baixa.

"Esses testes nos dão a confiança de que esta tecnologia de acelerador pode ser usada para transportar feixes em uma ampla gama de energias, "Disse Brooks.

Sem fios necessários

A maioria dos aceleradores de partículas usa eletroímãs para gerar os poderosos campos magnéticos necessários para orientar um feixe de partículas carregadas. Para transportar partículas de diferentes energias, os cientistas mudam a força do campo magnético aumentando ou diminuindo a corrente elétrica que passa pelos ímãs.

O design de Brooks usa ímãs permanentes, o tipo que permanece magnético sem corrente elétrica - como os que grudam na geladeira, apenas mais forte. Ao organizar blocos magnéticos de formas diferentes para formar um círculo, Brooks cria um campo magnético fixo que varia em intensidade em diferentes posições dentro da abertura central de cada matriz de ímã em forma de donut.

Quando os ímãs são alinhados ponta a ponta como contas em um colar para formar um arco curvo - como no experimento ATF com a ajuda da equipe de pesquisa de Brookhaven para atingir o alinhamento de precisão - as partículas de energia mais alta movem-se para a parte mais forte do campo. Alternar as direções de campo de ímãs sequenciais mantém as partículas oscilando ao longo de sua trajetória preferida à medida que se movem através do arco, sem energia necessária para acomodar partículas de energias diferentes.

Sem eletricidade significa menos infraestrutura de apoio e operação mais fácil, que contribuem para o potencial significativo de economia de custos deste não escalonamento, campo fixo, tecnologia de acelerador de gradiente alternado.

Design simplificado

Brooks trabalhou com George Mahler e Steven Trabocchi, engenheiros do Departamento de Acelerador-Colisor de Brookhaven, para montar os ímãs aparentemente simples, mas poderosos.

Primeiro, eles usaram uma impressora 3-D para criar molduras de plástico para segurar os blocos magnéticos moldados, como peças de um quebra-cabeça, em torno da abertura central. "Tamanhos diferentes, ou espessuras de bloco, e as direções do magnetismo permitem um campo personalizado dentro da abertura, "Disse Brooks.

Depois que os blocos foram batidos nas estruturas com um martelo para criar uma montagem grosseira, John Cintorino, um técnico na divisão magnética do laboratório, mediu a força do campo. A equipe então ajustou cada montagem inserindo diferentes comprimentos de barras de ferro em até 64 posições em torno de um segundo cartucho impresso em 3D que se encaixa dentro do anel de ímãs. Um programa computacional que Brooks escreveu usa as medições de intensidade de campo de montagem grosseira para determinar exatamente quanto ferro vai para cada slot. Ele também está trabalhando atualmente em um robô para cortar e inserir as hastes de forma personalizada.

O ajuste fino de estágio final "compensa quaisquer erros na usinagem e posicionamento dos blocos magnéticos, "Brooks disse, melhorando a qualidade do campo 10 vezes sobre o conjunto grosso. As propriedades dos ímãs finais correspondem ou até superam as de eletroímãs sofisticados, que requerem engenharia e usinagem muito mais precisas para criar cada peça individual de metal.

"O único equipamento de alta tecnologia em nossa configuração é a bobina rotativa que usamos para fazer as medições de precisão, " ele disse.

Aplicações e próximas etapas

O leve, componentes compactos e operação simplificada da linha de transporte de feixe de ímã permanente da Brooks seria "uma melhoria dramática em relação ao que está atualmente no mercado para a entrega de feixes de partículas em centros de tratamento de câncer, "disse Dejan Trbojevic, Supervisor de Brooks, que detém várias patentes em projetos de pórticos para terapia de partículas.

Um gantry é a linha de luz em arco que entrega partículas que matam o câncer de um acelerador para um paciente. Em algumas instalações de terapia de partículas, o gantry e a infraestrutura de apoio podem pesar 50 toneladas ou mais, frequentemente ocupando uma ala especialmente construída de um hospital. Trbojevic estima que um pórtico usando o design compacto de Brooks pesaria apenas uma tonelada. Isso reduziria o custo de construção dessas instalações.

"Além disso, sem necessidade de eletricidade [para os ímãs] para alterar as intensidades de campo, seria muito mais fácil de operar, "Trbojevic disse.

A capacidade de acelerar as partículas rapidamente para níveis de energia cada vez mais altos dentro de um único anel acelerador também pode reduzir o custo de futuros experimentos de física propostos, incluindo um colisor de múons, uma fábrica de neutrinos, e um colisor de íons de elétrons (EIC). Nesses casos, componentes adicionais do acelerador aumentariam os feixes para uma energia mais alta.

Por exemplo, Físicos de Brookhaven têm colaborado com físicos da Universidade Cornell em um projeto de campo fixo semelhante chamado CBETA. Esse projeto, desenvolvido com financiamento da Autoridade de Pesquisa e Desenvolvimento Energético do Estado de Nova York (NYSERDA), é uma versão ligeiramente maior da máquina de Brooks e inclui todos os componentes do acelerador para elevar os feixes de elétrons às energias necessárias para um EIC. O CBETA também desacelera os elétrons, uma vez que eles foram usados ​​para experimentos para recuperar e reutilizar a maior parte da energia. Também testará feixes de múltiplas energias ao mesmo tempo, algo que o experimento de prova de princípio de Brooks no ATF não fez. Mas o teste bem-sucedido de Brooks fortalece a confiança de que o design CBETA é sólido.

"Todos no Departamento de acelerador-colisor de Brookhaven apoiaram muito este projeto, "disse Trbojevic, Investigador principal do Brookhaven no CBETA.

Como observou o presidente do departamento do Collider-Accelerator, Thomas Roser, "Todos esses esforços estão trabalhando em direção a conceitos de aceleradores avançados que irão beneficiar a ciência e a sociedade como um todo. Estamos ansiosos para o próximo capítulo na evolução desta tecnologia."