Acelerador de partículas do Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Crédito:IFUSP
O uso de aceleradores de partículas não se limita à pesquisa básica em física de alta energia. Aceleradores de grande escala e instrumentos gigantescos como o Large Hadron Collider (LHC) são usados para esta finalidade, mas aceleradores relativamente pequenos são usados na medicina (diagnóstico por imagem, tratamento de câncer), indústria (esterilização de alimentos, digitalização de carga, Engenharia Eletrônica), e vários tipos de investigação (prospecção de petróleo, levantamento arqueológico, análise de obras de arte).
Seja qual for o uso, controlar o caos e aumentar a eficiência do fluxo de partículas são os objetivos da comunidade científica neste campo.
Um artigo descrevendo uma nova contribuição nesta direção foi recentemente publicado na revista. Física dos Plasmas por Meirielen Caetano de Sousa, Pós-doutorando com bolsa da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP trabalhando no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP) no Brasil, e seu supervisor Iberê Luiz Caldas, Professor Titular do IF-USP.
“Fizemos um estudo teórico com modelagem e simulação numérica para investigar formas de controlar o caos dentro de aceleradores e aumentar a velocidade máxima de partículas aceleradas, "Disse Sousa.
Os autores projetaram um mecanismo baseado na implantação de uma barreira de transporte para confinar as partículas e evitar que se movam de uma região do acelerador para outra. Este procedimento ainda não foi implementado em aceleradores comuns, mas é usado em tokamaks (reatores toroidais experimentais usados na pesquisa de fusão nuclear), onde o plasma superaquecido é impedido pelo confinamento de partículas de interagir com as paredes do dispositivo.
"Em tokamaks, a barreira de transporte é obtida por meio de eletrodos inseridos na borda do plasma para alterar o campo elétrico. Isso ainda não foi feito em aceleradores, onde a solução usual é adicionar uma onda eletrostática com parâmetros bem definidos ao sistema, "disse a pesquisadora.
"Quando a onda interage com as partículas, ele controla o caos no sistema, mas cria múltiplas barreiras que não selam a região com tanta precisão. Esta é uma solução menos robusta. Em nosso estudo, modelamos um sistema com uma única barreira ao longo de linhas semelhantes ao que acontece nos tokamaks. "
Esta única barreira robusta seria produzida por uma perturbação magnética ressonante. Em resposta ao RMP, o plasma está confinado a uma única região.
A imagem compara as trajetórias das partículas sem (mão esquerda) e com (mão direita) a presença da barreira de transporte. O eixo vertical é proporcional à energia das partículas no acelerador. Os pontos azuis na figura à esquerda representam as trajetórias possíveis das partículas. A energia aumenta e diminui de forma irregular ou caótica. Quando a barreira de transporte é introduzida, todas as trajetórias tornam-se regulares (malva, linhas vermelhas e verdes). Todas as partículas no acelerador podem ter energia semelhante, aumentando a eficiência do feixe de partículas. Crédito:Meirielen Caetano de Sousa e Iberê Luiz Caldas (IFUSP)
“Criamos o modelo e o descrevemos matematicamente. As simulações numéricas mostraram que ele funciona. O próximo passo é levar a proposta a físicos experimentais que possam testá-la na prática, "Disse Sousa.
As partículas são geradas por um canhão de elétrons devido à diferença de potencial entre o ânodo e o cátodo ou pela aplicação de um pulso de laser no plasma. Eles são acelerados por injeções sucessivas de energia de ondas eletromagnéticas. A interação entre as ondas e partículas cria o caos. Uma solução testada experimentalmente em aceleradores consiste em adicionar outra onda com parâmetros ajustados para compensar o processo caótico.
"Isso foi discutido em um artigo anterior publicado em 2012 em Revisão Física E . O método funciona, mas como observado, ele cria múltiplas barreiras de transporte que são suscetíveis a perturbação, tornando o confinamento de partículas menos eficaz. Neste último estudo, modelamos uma solução baseada em uma única barreira robusta, que continua a existir mesmo na presença de altas perturbações, "Disse Sousa.
Substituição de radioisótopos
A barreira de transporte controla o caos, permitindo que a velocidade máxima da partícula aumente e reduzindo a velocidade inicial necessária. Para uma onda de baixa amplitude, a velocidade final simulada aumentou 7 por cento, e a velocidade inicial caiu 73%.
Para uma onda de maior amplitude, o sistema provou ser caótico sem a barreira, mas foi regularizado com a barreira. A velocidade final aumentou 3 por cento, e a velocidade inicial caiu aproximadamente 98 por cento. Isso mostra que a principal contribuição da barreira de transporte é a redução da velocidade inicial necessária para as partículas ao serem injetadas no acelerador.
"O que se espera de um acelerador é que todas as partículas cheguem juntas no final sem se perder no caminho, e com mais ou menos a mesma energia e velocidade. Se eles se comportam de forma caótica, isso não acontece, e o feixe não serve para nenhuma aplicação, "Disse Caldas.
“A emissão de partículas para uso médico ou industrial ainda se baseia principalmente no uso de materiais radioativos. Isso causa uma série de problemas, como poluição, decadência do material emissor que requer reposição, e alto custo. Os aceleradores evitam esses problemas e são um substituto parcial dos radioisótopos. Daí o grande interesse na otimização do funcionamento do acelerador, disse o orientador de bolsa da FAPESP.
