Com uma luz poderosa o suficiente, você pode ver coisas que as pessoas pensavam que seriam impossíveis. Instalações de fonte de luz em grande escala geram essa luz poderosa, e os cientistas usam para criar materiais mais duráveis, construir baterias e computadores mais eficientes, e aprenda mais sobre o mundo natural.

Quando se trata de construir essas instalações enormes, espaço é dinheiro. Se você pode obter feixes de luz de alta energia de dispositivos menores, você pode economizar milhões em custos de construção. Adicione a isso a chance de melhorar significativamente as capacidades das fontes de luz existentes, e você tem a motivação por trás de um projeto que reuniu cientistas de três laboratórios nacionais do Departamento de Energia dos EUA.

Esta equipe acaba de atingir um marco importante que está em obras há mais de 15 anos:eles projetaram, construiu e testou totalmente um novo ímã de protótipo de meio metro de comprimento que atende aos requisitos para uso em instalações de fontes de luz existentes e futuras.

O próximo passo, de acordo com Efim Gluskin, um ilustre colega do Laboratório Nacional de Argonne do DOE, é dimensionar este protótipo, construir um com mais de um metro de comprimento, e instale-o na Fonte Avançada de Fótons, um DOE Office of Science User Facility em Argonne. Mas embora esses ímãs sejam compatíveis com fontes de luz como o APS, o verdadeiro investimento aqui, ele disse, está na próxima geração de instalações que ainda não foram construídas.

"A escala real desta tecnologia é para futuras instalações de laser de elétrons livres, "Gluskin disse." Se você reduzir o tamanho do dispositivo, você reduz o tamanho do túnel, e se você puder fazer isso, você pode economizar dezenas de milhões de dólares. Isso faz uma grande diferença. "

Esse objetivo de longo prazo trouxe Gluskin e seus colegas da Argonne para uma colaboração com cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e do Laboratório Nacional de Acelerador Fermi, ambos os laboratórios DOE. Cada laboratório tem buscado tecnologia supercondutora por décadas e, nos últimos anos, concentrou esforços de pesquisa e desenvolvimento em uma liga que combina nióbio com estanho.

Este material permanece em um estado supercondutor - o que significa que não oferece resistência à corrente que o atravessa - mesmo que gere altos campos magnéticos, o que o torna perfeito para construir os chamados ímãs onduladores. Fontes de luz como o APS geram feixes de fótons (partículas de luz) ao desviar a energia emitida pelos elétrons à medida que circulam dentro de um anel de armazenamento. Os ímãs ondulantes são os dispositivos que convertem essa energia em luz, e quanto mais alto o campo magnético que você pode gerar com eles, mais fótons você pode criar a partir do mesmo tamanho de dispositivo.

Existem alguns ímãs onduladores supercondutores instalados no APS agora, mas eles são feitos de uma liga de nióbio-titânio, que por décadas tem sido o padrão. De acordo com Soren Prestemon, cientista sênior do Berkeley Lab, supercondutores de nióbio-titânio são bons para campos magnéticos mais baixos - eles param de ser supercondutores por volta de 10 teslas. (Isso é cerca de 8, 000 vezes mais forte do que o seu ímã de geladeira típico.)

"Estanho de Nióbio-3 é um material mais complicado, "Prestemon disse, "mas é capaz de transportar corrente em um campo superior. É supercondutor até 23 tesla, e em campos mais baixos pode transportar três vezes a corrente do nióbio-titânio. Esses ímãs são mantidos frios a 4,2 Kelvin, que é cerca de 450 graus Fahrenheit negativos, para mantê-los supercondutores. "

Prestemon tem estado na vanguarda do programa de pesquisa de estanho com nióbio-3 de Berkeley, que começou na década de 1980. O novo design, desenvolvido em Argonne, baseado no trabalho anterior de Prestemon e seus colegas.

"Este é o primeiro ondulador de nióbio-3-estanho que atendeu às especificações atuais do projeto e foi totalmente testado em termos de qualidade de campo magnético para transporte de feixe, " ele disse.

O Fermilab começou a trabalhar com este material na década de 1990, de acordo com Sasha Zlobin, que iniciou e liderou o programa de ímã de estanho de nióbio-3 lá. O programa de nióbio-3-estanho do Fermilab se concentrou em ímãs supercondutores para aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider no CERN na Suíça e o próximo acelerador linear PIP-II, a ser construído no site do Fermilab.

"Demonstramos sucesso com nossos ímãs de estanho de nióbio-3 de alto campo, "Zlobin disse." Podemos aplicar esse conhecimento a onduladores supercondutores baseados neste supercondutor. "

Parte do processo, de acordo com a equipe, tem aprendido como evitar resfriamentos prematuros nos ímãs conforme eles se aproximam do nível desejado de campo magnético. Quando os ímãs perdem sua capacidade de conduzir corrente sem resistência, a reação resultante é chamada de extinção, e elimina o campo magnético e pode danificar o próprio ímã.

A equipe relatou nos procedimentos da Conferência de Supercondutividade Aplicada 2020 que seu novo dispositivo acomoda quase duas vezes a quantidade de corrente com um campo magnético mais alto do que os onduladores supercondutores de nióbio-titânio atualmente em uso no APS.

O projeto baseou-se na experiência de Argonne na construção e operação de onduladores supercondutores e no conhecimento de estanho de nióbio-3 de Berkeley e Fermilab. O Fermilab ajudou a orientar o processo, aconselhar na seleção de fios supercondutores e compartilhar os desenvolvimentos recentes em sua tecnologia. Berkeley projetou um sistema de última geração que usa técnicas de computação avançadas para detectar quenches e proteger o ímã.

Em Argonne, o protótipo foi projetado, fabricado, montado e testado por um grupo de engenheiros e técnicos sob a orientação do Gerente de Projeto Ibrahim Kesgin, com contribuições no design, construção e teste por membros da equipe do ondulador supercondutor APS liderada por Yury Ivanyushenkov.

A equipe de pesquisa planeja instalar seu protótipo em tamanho real, que deve terminar no ano que vem, no Setor 1 da APS, que faz uso de feixes de fótons de alta energia para examinar amostras mais espessas de material. Este será um campo de testes para o dispositivo, mostrando que pode operar nas especificações de projeto em uma fonte de luz funcional. Mas o olho, Gluskin diz, está transferindo ambas as tecnologias, nióbio titânio e nióbio-3 estanho, para parceiros industriais e fabricação desses dispositivos para futuras instalações de fonte de luz de alta energia.

"A chave tem sido um trabalho constante e persistente, apoiado pelos laboratórios e fundos de pesquisa e desenvolvimento do DOE, "Gluskin disse." Foi um progresso incremental, passo a passo, para chegar a este ponto. "