Os balões podem ajudar a criar um espaço perfeito para uma festa. Agora, eles também podem ajudar quando se trata de acelerar as partículas até quase a velocidade da luz.

O uso inovador de balões fornece um novo, forma patenteada para os engenheiros moldarem o coração metálico dos aceleradores de partículas.

Muitos aceleradores de partículas usam estruturas chamadas cavidades, que fornecem o impulso necessário para acelerar as partículas a energias cada vez mais altas à medida que as partículas avançam uma após a outra. Situado nas profundezas de um acelerador e resfriado por uma concha contendo hélio líquido, as cavidades devem ter a forma e o tamanho certos para elevar as partículas às energias desejadas. Mesmo pequenas diferenças na forma dessas câmaras de metal fazem grandes diferenças nos campos elétricos que são gerados dentro das cavidades para empurrar as partículas a velocidades maiores.

Diante de uma cavidade específica que estava deformada demais para ser usada e inacessível por causa de sua concha de metal, Os engenheiros do Fermilab, Mohamed Hassan e Donato Passarelli, tiveram uma ideia:e se você pudesse remodelar uma cavidade sem remover a concha ao redor? Eles foram trabalhar, desenvolver um processo inovador chamado ajuste de balão.

"Espero que o ajuste de balão seja um exemplo para a comunidade de aceleradores - que devemos pensar fora da caixa e nem sempre nos ater ao padrão e à técnica comum, "disse Passarelli.

O processo de ajuste de balão patenteado é uma nova opção no conjunto de técnicas usadas para preparar cavidades antes de serem instaladas em um acelerador.

A maioria das cavidades de aceleração são uma série de círculos, células ocas que parecem um fio gigante de contas de metal. Antes de qualquer cavidade ser instalada, é cuidadosamente testado e ajustado usando uma máquina automatizada que agarra as bordas de cada célula para fazer pequenos, ajustes precisos:um pequeno empurrão aqui, um pequeno alongamento aí. O processo continua até que a cavidade seja ajustada para que, uma vez que a cavidade está instalada e funcionando dentro de um acelerador, está na forma de produzir o campo elétrico perfeito para impulsionar partículas carregadas.

Mas antes que a maioria das cavidades possam ser instaladas, eles também devem ser equipados com uma camisa de metal para que a cavidade possa ser resfriada a temperaturas extremamente baixas com hélio líquido. Depois disso, a única maneira fácil de aplicar forças às células é empurrar ou puxar as extremidades da cavidade, em vez de direcionar cada célula individualmente. Se uma cavidade ficar deformada durante ou após o processo de colocar a jaqueta, o método de afinação tradicional não pode ser aplicado sem cortar a jaqueta de metal - uma tarefa laboriosa, tarefa demorada.

Hassan e Passarelli começaram a contemplar esse desafio depois que uma antiga cavidade de teste deformou durante um teste de pressão.

"Após o teste de pressão, Eu estava determinado a encontrar uma maneira de consertar essa cavidade e pensei, 'Por que não acessá-lo de dentro, que é acessível mesmo com uma jaqueta? '", disse Hassan.

A necessidade de aplicar a força dentro das cavidades sem riscar a superfície interna ou introduzir níveis inaceitáveis ​​de contaminação os levou a usar balões especialmente projetados feitos de náilon emborrachado.

Uma bomba enche cada balão com ar até aplicar cerca de dois bares de pressão - um pouco menos do que o recomendado para pneus de carro padrão. Isso não é pressão suficiente para remodelar uma célula da cavidade por conta própria, mas essa pressão pode ser usada para influenciar qual célula se deforma quando as forças são aplicadas às extremidades de uma cavidade em temperatura ambiente. Os balões permitem que você selecione uma célula específica, esticando ou apertando.

Se uma determinada célula precisa ser esticada, um balão inflado dentro dele fornece um empurrão extra para que ele se expanda conforme as flanges são separadas. Considerando que se uma célula precisa ser comprimida, uma série de balões pode suportar todas as outras células à medida que as duas extremidades são unidas.

Os engenheiros e sua equipe demonstraram o conceito ajustando uma cavidade sem revestimento. Em seguida, eles voltaram sua atenção para a cavidade deformada que os inspirou a desenvolver o processo. Eles conseguiram devolvê-lo à condição de uso.

"O ajuste do balão será uma boa ferramenta adicional para a produção de cavidades que pode economizar um pouco de tempo e dinheiro, "Hassan disse.

Cavidades de alto desempenho são componentes cruciais no próximo acelerador PIP-II do Fermilab e no laser de raios-X LCLS-II do SLAC National Accelerator Laboratory, e eles são uma parte importante de um projeto atual do Fermilab para estender o tempo que um qubit pode manter informações.

A técnica de ajuste de balão foi recentemente patenteada, acelerando através do escritório de patentes em tempo recorde para o Fermilab, disse Aaron Sauers, o executivo de patentes e licenciamento do laboratório.

"Mohamed e Donato desenvolveram um método e um aparelho verdadeiramente bonitos para ajustar cavidades revestidas, "Sauers disse." Eu estava animado para registrar o pedido de patente de sua invenção. "

Hassan e Passarelli veem o ajuste automático do balão como uma possibilidade, o que poderia torná-lo tão conveniente de usar quanto o método atual é para cavidades sem revestimento. A técnica também pode encontrar aplicações em outros campos que usam cavidades semelhantes.

"A esperança é que as pessoas que olham para essa ideia se inspirem e adaptem ou usem essa técnica em sua própria aplicação, "Passarelli disse.