Quando se trata de aceleradores de partículas, ímãs são uma chave para o sucesso. Campos magnéticos poderosos mantêm os feixes de partículas "no caminho certo" à medida que são aumentados para uma energia mais elevada, colidiu com colisões para experimentos de física, ou entregue a pacientes para zap tumores. Os ímãs inovadores têm o potencial de melhorar todas essas aplicações.

Esse é um dos objetivos do acelerador de teste Cornell-Brookhaven "Energy-Recovery Linac", ou CBETA, em construção na Cornell University e financiado pela Autoridade de Pesquisa e Desenvolvimento Energético do Estado de Nova York (NYSERDA). O CBETA conta com uma linha de luz feita de ímãs de última geração projetada por físicos do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA que pode transportar quatro feixes com energias muito diferentes ao mesmo tempo.

"Cientistas e engenheiros do Departamento de Acelerador-Colisor de Brookhaven (C-AD) acabaram de concluir a produção e montagem de 216 campos fixos de qualidade excepcional, gradiente alternado, ímãs permanentes para este projeto - um marco importante, "disse o presidente do C-AD, Thomas Roser, que supervisiona as contribuições do Laboratório para CBETA.

O novo design do ímã, desenvolvido pelo físico de Brookhaven Stephen Brooks e pelo engenheiro C-AD George Mahler, tem um campo magnético fixo que varia em intensidade em diferentes pontos dentro da abertura de cada ímã circular. "Em vez de aumentar o campo magnético para acomodar feixes de energias diferentes, feixes com energias diferentes simplesmente encontram seu próprio 'ponto ideal' dentro da abertura, "disse Brooks. O resultado:feixes em quatro energias diferentes podem passar por uma única linha de luz simultaneamente.

Em CBETA, uma cadeia desses ímãs amarrados juntos como contas em um colar formará o que é chamado de loop de retorno que envia repetidamente pacotes de elétrons para um acelerador linear (linac). Quatro viagens através das cavidades de radiofrequência supercondutoras do linac aumentarão a energia dos elétrons, e outros quatro irão desacelerá-los para que a energia armazenada no feixe possa ser recuperada e reutilizada para a próxima rodada de aceleração.

"Os cachos em diferentes energias estão todos juntos no ciclo de retorno, com campos magnéticos alternados, mantendo-os oscilando ao longo de seus caminhos individuais, mas então eles se fundem e entram no linac sequencialmente, "explicou o engenheiro mecânico chefe da C-AD, Joseph Tuozzolo." À medida que um grupo passa e é acelerado, outro grupo é desacelerado e a energia recuperada da desaceleração pode acelerar o próximo grupo. "

Mesmo quando os feixes são usados ​​para experimentos, a recuperação de energia deve ser próxima a 99,9 por cento, tornando este "linac de recuperação de energia supercondutor (ERL)" uma virada de jogo em potencial em termos de eficiência. Novos feixes de elétrons próximos à velocidade da luz são trazidos à energia máxima a cada microssegundo, portanto, novos feixes estão sempre disponíveis para experimentos.

Essa é uma das grandes vantagens do uso de ímãs permanentes. Eletroímãs, que requerem eletricidade para mudar a força do campo magnético, nunca seria capaz de aumentar rápido o suficiente, ele explicou. Usando ímãs de campo fixo permanentes que não requerem eletricidade, como os ímãs que grudam em sua geladeira, apenas muito mais forte - evita esse problema e reduz a energia / custo necessário para operar o acelerador.

Para preparar os ímãs para CBETA, a equipe de Brookhaven começou com conjuntos de ímã permanente de alta qualidade produzidos pela KYMA, uma empresa de manufatura de imãs, baseado no design desenvolvido por Brooks e Mahler. Tuozzolo da C-AD organizou e liderou o esforço de aquisição com a KYMA e a aquisição dos outros componentes para o ciclo de retorno.

Os engenheiros da Divisão de Íman Supercondutor de Brookhaven tomaram medidas precisas da força do campo de cada ímã e usaram um sistema de correção de campo magnético desenvolvido e construído pela Brooks para ajustar os campos para atingir a precisão necessária para CBETA. Mahler então liderou a montagem dos ímãs acabados em placas de viga que os manterão em perfeito alinhamento no acelerador acabado, enquanto o engenheiro C-AD Robert Michnoff liderou o esforço para construir e testar componentes eletrônicos para monitores de posição de feixe que rastrearão os caminhos das partículas através da linha de luz.

"A equipe CBETA de Brookhaven atingiu as metas deste marco nove dias antes do programado, graças ao trabalho de pessoas extremamente dedicadas que realizam várias medições magnéticas e levantamentos magnéticos ao longo de muitos longos dias de trabalho, "Roser disse.

Os componentes montados em Brookhaven estão agora a caminho de Cornell para a montagem final do acelerador. A equipe CBETA começará a comissionar o acelerador em março de 2019, executando-o através das primeiras etapas para a funcionalidade completa.

As tecnologias desenvolvidas para CBETA podem revolucionar a ciência do acelerador com múltiplas aplicações potenciais, a equipe diz.

Por exemplo, tal ERL seria uma maneira eficiente de acelerar e reutilizar feixes de elétrons para resfriar feixes de íons pesados ​​em um futuro colisor elétron-íon proposto (EIC) sendo considerado pelo DOE Office of Nuclear Physics. O pico de energia que o CBETA espera atingir em seu feixe de elétrons seria uma combinação perfeita para extrair o excesso de calor dos feixes de íons para manter os íons firmemente agrupados - um requisito para maximizar as interações das partículas em um colisor.

A inovadora tecnologia magnética desenvolvida para CBETA também pode ser usada em aceleradores que produzem isótopos médicos, gravar chips de computador em escalas cada vez menores, ou entregar prótons de alta energia ou feixes de partículas para visar com precisão os tumores. Os sistemas de entrega de feixe feitos de ímãs permanentes em pequena escala podem reduzir drasticamente o custo dos aceleradores de terapia contra o câncer de feixe de partículas, potencialmente tornando este tratamento promissor mais amplamente disponível.

“É emocionante fazer parte de um projeto que tem tantas possibilidades para a ciência básica e para a sociedade, "Disse Brooks.