Cientistas da Cornell University e do Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) demonstraram com sucesso a primeira captura e reutilização de energia do mundo em um acelerador de partículas multivoltas, onde os elétrons são acelerados e desacelerados em vários estágios e transportados em diferentes energias por meio de uma única linha de luz. Esse avanço abre caminho para aceleradores de partículas ultrabrilhantes que usam muito menos energia do que as máquinas atuais.

As aplicações incluem a produção de isótopos médicos, terapia do câncer, Fontes de raios X, e aplicações industriais, como produção de micro-chips, bem como máquinas mais eficientes em termos de energia para pesquisa básica em física, Ciência de materiais, e muitos outros campos. Um exemplo:os cientistas podem usar essa tecnologia de acelerador de recuperação de energia para gerar elétrons de forma eficiente para "resfriar" íons no Colisor de íons-elétrons, uma instalação de pesquisa de física nuclear planejada e inovadora que ficará localizada no Laboratório de Brookhaven.

O Acelerador de Teste Cornell-BNL ERL, ou CBETA, localizado em Cornell, é um acelerador Linear de Recuperação de Energia (ERL) que usa duas tecnologias "verdes" transformacionais:em vez de despejar a energia de partículas anteriormente aceleradas, ele recupera e reutiliza essa energia para acelerar o próximo lote de partículas. E a linha de luz que dirige as partículas através do acelerador é feita de ímãs permanentes, que não requerem eletricidade para funcionar. Espera-se que essas tecnologias se tornem as tecnologias mais eficientes em termos de energia para aceleradores de alto desempenho do futuro.

"Reutilizar a energia de um feixe de partículas neste novo tipo de acelerador torna os feixes mais brilhantes disponíveis, o que teria exigido muita energia até agora, "disse Georg Hoffstaetter, professor de física e investigador principal da Cornell. Além dos aplicativos mencionados acima, Hoffstaetter aponta que "essa tecnologia inovadora e esses feixes mais brilhantes provavelmente levarão a usos adicionais ainda a serem imaginados."

A construção do CBETA foi financiada pela Autoridade de Pesquisa e Desenvolvimento Energético do Estado de Nova York (NYSERDA) e componentes usados ​​que foram desenvolvidos com fundos da National Science Foundation (NSF) e parceiros industriais. A equipe CBETA atingiu o marco fundamental de recuperação total de energia e reaceleração de partículas nas primeiras horas de 24 de dezembro, 2019, na programação. Desde então, a equipe continuou aprimorando o desempenho do CBETA.

Alicia Barton, Presidente e CEO, NYSERDA, disse, "A NYSERDA está extremamente orgulhosa de apoiar este projeto inovador e esperamos ver como ele aumenta nossa capacidade de abordar os desafios científicos e sociais mais urgentes de nosso tempo. O apoio de Nova York para tecnologias que proporcionam benefícios para toda a economia é inabalável sob o governo do governador Cuomo liderança e parabenizamos nossos parceiros por este marco extraordinário. "

Conceitos básicos de recuperação de energia

A máquina CBETA inclui o primeiro acelerador Linear de Recuperação de Energia supercondutor de oito passagens do mundo, em que um feixe é acelerado passando quatro vezes através de uma cavidade de radiofrequência supercondutora (SRF) para atingir sua energia mais alta. Ao fazer mais quatro passagens pela mesma cavidade, mas desta vez desacelerando, a energia do feixe é capturada e disponibilizada para que novas partículas sejam aceleradas. Este conceito ERL foi proposto pela primeira vez em 1965 por Maury Tigner, professor emérito da Cornell University, mas levou décadas de trabalho em Cornell e em outros lugares para desenvolver a tecnologia necessária.

Após cada passagem pelo aparelho de aceleração, as partículas têm uma energia diferente e percorrem sua própria "pista" por meio de uma cadeia especial de ímãs, referido como linha de luz de gradiente linear alternado de campo fixo (FFA-LG), que circula as partículas de volta para as cavidades SRF. Os ímãs permanentes que compõem esta linha de luz foram projetados, desenvolvido, e com formato preciso em Brookhaven para permitir que todos os feixes atravessem a mesma estrutura magnética, embora tenham quatro energias diferentes. Este projeto reduz a necessidade de vários anéis aceleradores para acomodar feixes em diferentes energias e elimina a necessidade de eletricidade para alimentar os ímãs, reduzindo ainda mais os custos e melhorando a eficiência geral.

Dejan Trbojevic, físico sênior e investigador principal da participação de Brookhaven no projeto, descreveu pela primeira vez a ideia de feixes de aceleração em energias múltiplas em uma única linha de luz feita de ímãs de gradiente alternado de campo fixo em uma oficina de colisor de múons em 1999. Enquanto isso, Cornell estava desenvolvendo componentes para um ERL supercondutor.

"Com CBETA, a ideia era mostrar que o loop de retorno de linha de luz única de Brookhaven funcionaria com a tecnologia ERL de Cornell para a aceleração de elétrons, partículas com muito mais aplicações potenciais do que seus primos múon mais pesados, "Trbojevic disse.

No final de dezembro, com o físico Adam Bartnik da Cornell como o operador principal, CBETA fez exatamente isso. Começando com um feixe de elétrons na energia de seis milhões de elétron-volts (MeV), os componentes do acelerador levaram as partículas a 42, 78, 114, e 150 MeV em quatro passagens pelo ERL. Após a desaceleração durante quatro passagens adicionais através das cavidades SRF, as partículas atingiram sua energia original de 6 MeV - exatamente na mesma posição do feixe inicial. Isso mostrou que a recuperação total da energia do elétron foi alcançada, e que as cavidades SRF foram energizadas para acelerar o próximo lote de partículas.

Esta conquista torna CBETA o primeiro ERL multi-voltas a recuperar a energia de feixes de partículas aceleradas em estruturas de aceleração SRF, e o primeiro acelerador a usar uma única linha de luz com campos magnéticos fixos para transportar sete feixes de energia de aceleração e desaceleração diferentes.

"Não poderíamos ter alcançado esses resultados sem muitas contribuições ao longo do design, construção, e fases de comissionamento por cientistas, engenheiros, e equipe técnica em Brookhaven e Cornell, junto com a opinião de muitos parceiros industriais e renomados especialistas em aceleradores, "disse o engenheiro do Brookhaven Lab, Rob Michnoff, diretor do projeto CBETA.