A nome del CERN, ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un dispositivo ad alta tecnologia per la produzione di impulsi ad alta tensione che potrebbero essere utilizzati nella prossima generazione di acceleratori di particelle.

L'uso più noto degli impulsi ad alta tensione è nei recinti elettrici delle aziende agricole. Però, Anche gli acceleratori di particelle nelle strutture di ricerca su larga scala come il CERN di Ginevra si affidano a generatori di impulsi ad alta tensione, ma questi producono impulsi con energie e tensioni molto più elevate rispetto a quelli utilizzati nelle recinzioni agricole. Al CERN sono attualmente in corso i lavori preparatori per il prossimo progetto di ricerca su larga scala dal 2025. Uno dei due potenziali progetti è la costruzione di un acceleratore lineare lungo 50 chilometri in un tunnel che va da Nyon alla gola della valle del Rodano vicino a Bellegarde in Francia (progetto CLIC, vedi riquadro). I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un generatore di impulsi necessario per questo acceleratore nell'ambito di un accordo di collaborazione con il CERN. Pochi giorni fa, i prototipi sono stati consegnati al CERN, dove saranno ora messi alla prova.

Il generatore di impulsi, che occupa circa tre metri cubi, produce impulsi di 180, 000 volt dalla rete elettrica pubblica a 400 volt, che durano esattamente 140 milionesimi di secondo. Per garantire che l'alimentazione pubblica sia caricata in modo uniforme e non venga interrotta da impulsi di picco, 8 condensatori grandi e quasi 200 piccoli (dispositivi di accumulo temporaneo di energia) all'interno del generatore di impulsi vengono caricati e scaricati continuamente 50 volte al secondo. Un trasformatore appositamente sviluppato garantisce che la tensione di uscita richiesta venga raggiunta nel modo più rapido ed efficiente possibile.

Diverse centinaia di fasi di accelerazione

Il potenziale futuro progetto di ricerca su larga scala al CERN includerà l'accelerazione di elettroni e positroni (antiparticelle di elettroni). "Questa accelerazione avverrà in un klystron, che si basa sugli impulsi ad alta tensione forniti dal generatore di impulsi, " spiega Jürgen Biela, Professore di sistemi elettronici ad alta potenza all'ETH di Zurigo. Gli impulsi lunghi 140 microsecondi vengono utilizzati nel klystron per produrre un campo alternato ad altissima frequenza. Elettroni o positroni sono accelerati in questo campo alternato.

Se l'acceleratore CLIC è costruito, saranno necessari più di mille klystron per accelerare gli elettroni e i positroni gradualmente fino a quando non si avvicineranno alla velocità della luce. Ogni klystron sarebbe alimentato dal proprio generatore di impulsi.

Misurazione in tempo reale per la massima efficienza

Uno dei maggiori sfidanti per i ricercatori dell'ETH è stato quello di costruire il generatore di impulsi in modo tale che gli impulsi prodotti siano tutti di uguale lunghezza e uguale grandezza con una tolleranza relativa non superiore al centomillesimo. In aggiunta a questo, Il CERN ha specificato che la tensione per ogni impulso dovrebbe saltare da 0 volt a 180, 000 volt e viceversa in modo estremamente rapido. Per realizzare questo, il dispositivo misura centomila volte al secondo il flusso di corrente e lo controlla in tempo reale.

"Se il salto del polso fosse più lento, più potenza inutilizzata verrebbe trasmessa al klystron, che ridurrebbe l'efficienza energetica del generatore di impulsi, " spiega Sebastian Blume. Durante la sua ricerca di dottorato nel laboratorio di Biela, ha svolto un ruolo chiave nello sviluppo del generatore di impulsi. L'efficienza è quindi un fattore centrale, poiché l'apparecchiatura utilizza quantità di energia relativamente elevate:la potenza di un generatore di impulsi è più di cento volte quella di una lavatrice o di un grande aspirapolvere.

Il professor Biela dell'ETH ha già svolto un ruolo chiave nello sviluppo di generatori di impulsi per SwissFEL, la sorgente di radiazione di sincrotrone che ha iniziato a funzionare pochi mesi fa presso l'Istituto Paul Scherrer, nell'ambito di un progetto congiunto con l'azienda svizzera di ingegneria elettrica Ampegon.

Acceleratore lineare o acceleratore ad anello più grande?

Si prevede che l'acceleratore di particelle LHC (Large Hadron Collider) al CERN funzionerà fino al 2035 o al 2040. Oltre a questo, le discussioni sono attualmente incentrate su due possibili programmi di ricerca su larga scala che sono in concorrenza tra loro. Il CERN deciderà quale installare entro i prossimi tre anni.

Il progetto CLIC (Compact Linear Collider) utilizza un tunnel lungo 50 chilometri per accelerare gli elettroni da un'estremità e i positroni dall'altra fino al centro del tunnel, dove si scontrano tra loro. L'utilizzo di questo tipo di acceleratore lineare consente di misurare particelle elementari come il bosone di Higgs in modo molto più accurato di quanto sia attualmente possibile con LHC, o sarebbe possibile con l'altro futuro progetto in discussione, l'FCC (Future Circular Collider).

Per il progetto FCC è attualmente in discussione un anello di accelerazione con una circonferenza da 80 a 100 chilometri. A confronto, l'LHC ha una circonferenza di 27 chilometri. L'energia di collisione nell'FCC sarebbe sette volte maggiore di quella ottenuta nell'LHC. Rispetto al progetto CLIC, questo ha il vantaggio di fornire una piattaforma migliore per la scoperta di nuovi effetti e particelle fondamentali.