Un avanzato acceleratore di particelle progettato presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti potrebbe ridurre i costi e aumentare la versatilità delle strutture per la ricerca fisica e il trattamento del cancro. Si usa leggero, Cornici stampate in 3D per contenere blocchi di magneti permanenti e un metodo innovativo per la messa a punto del campo magnetico per dirigere più fasci a diverse energie attraverso un singolo tubo del fascio.

Con questo disegno, i fisici potrebbero accelerare le particelle attraverso più stadi a energie sempre più elevate all'interno di un singolo anello di magneti, invece di richiedere più di un anello per raggiungere queste energie. In un ambiente medico, dove l'energia dei fasci di particelle determina quanto penetrano nel corpo, i medici potrebbero fornire più facilmente una gamma di energie per colpire un tumore in tutta la sua profondità.

Scienziati che testano un prototipo del compatto, design economico presso l'Accelerator Test Facility (ATF) di Brookhaven, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, afferma che è uscito a pieni voti. Le immagini codificate a colori mostrano come una serie di fasci di elettroni accelerati a cinque diverse energie sia passata con successo attraverso la curva di magneti lunga cinque piedi, con ogni raggio che traccia un percorso diverso all'interno dello stesso tubo del raggio di due pollici di diametro.

"Per ciascuno dei cinque livelli di energia, abbiamo iniettato il raggio nella traiettoria "ideale" per quell'energia e abbiamo scansionato per vedere cosa succede quando è leggermente fuori dall'orbita ideale, ", ha affermato il fisico del Brookhaven Lab Stephen Brooks, architetto capofila del progetto. Christina Swinson, un fisico dell'ATF, ha guidato il raggio attraverso la linea ATF e il gruppo del magnete di Brooks e ha svolto un ruolo essenziale nell'esecuzione degli esperimenti.

"Abbiamo progettato questi esperimenti per testare le nostre previsioni e vedere quanto lontano puoi andare dalla traiettoria ideale in entrata e comunque far passare il raggio. Per la maggior parte, tutta la trave che entrava usciva dall'altra parte, " ha detto Brooks.

I fasci hanno raggiunto energie più di 3,5 volte superiori a quelle ottenute in precedenza in un acceleratore simile realizzato con elettromagneti significativamente più grandi, con un raddoppio del rapporto tra i raggi di energia più alta e quella più bassa.

"Questi test ci danno la certezza che questa tecnologia di accelerazione può essere utilizzata per trasportare fasci a un'ampia gamma di energie, " ha detto Brooks.

Nessun cavo richiesto

La maggior parte degli acceleratori di particelle utilizza elettromagneti per generare i potenti campi magnetici necessari per guidare un fascio di particelle cariche. Per trasportare particelle di diversa energia, gli scienziati modificano la forza del campo magnetico aumentando o diminuendo la corrente elettrica che passa attraverso i magneti.

Il design di Brooks utilizza invece magneti permanenti, il tipo che rimane magnetico senza corrente elettrica, come quelli che si attaccano al tuo frigorifero, solo più forte. Disponendo blocchi magnetici di forma diversa per formare un cerchio, Brooks crea un campo magnetico fisso che varia in intensità in diverse posizioni all'interno dell'apertura centrale di ciascuna serie di magneti a forma di ciambella.

Quando i magneti sono allineati da un capo all'altro come perline su una collana per formare un arco curvo, come avveniva nell'esperimento ATF con l'assistenza del team di rilevamento di Brookhaven per ottenere un allineamento di precisione, le particelle di energia più elevate si spostano verso la parte più forte del campo. L'alternanza delle direzioni di campo dei magneti sequenziali mantiene le particelle oscillanti lungo la loro traiettoria preferita mentre si muovono attraverso l'arco, senza potenza necessaria per accogliere particelle di energie diverse.

Nessuna elettricità significa meno infrastrutture di supporto e un funzionamento più semplice, il che contribuisce al significativo potenziale di risparmio sui costi di questo sistema non ridimensionabile, campo fisso, tecnologia di accelerazione a gradiente alternato.

Design semplificato

Brooks ha lavorato con George Mahler e Steven Trabocchi, ingegneri nel reparto Collider-Accelerator di Brookhaven, per assemblare i magneti apparentemente semplici ma potenti.

Per prima cosa hanno usato una stampante 3D per creare cornici di plastica per contenere i blocchi magnetici sagomati, come pezzi di un puzzle, intorno all'apertura centrale. "Misure differenti, o spessori di blocco, e le direzioni del magnetismo consentono un campo personalizzato all'interno dell'apertura, " ha detto Brooks.

Dopo che i blocchi sono stati inseriti nei telai con un martello per creare un assemblaggio grossolano, Giovanni Cintorino, un tecnico nella divisione magneti di Lab, misurato la forza del campo. Il team ha quindi messo a punto ogni assemblaggio inserendo diverse lunghezze di barre di ferro in ben 64 posizioni attorno a una seconda cartuccia stampata in 3D che si adatta all'anello di magneti. Un programma di calcolo scritto da Brooks utilizza le misurazioni dell'intensità di campo dell'assemblaggio grossolano per determinare esattamente quanto ferro va in ciascuna fessura. Attualmente sta anche lavorando su un robot per tagliare e inserire le aste su misura.

La messa a punto finale "compensa eventuali errori di lavorazione e posizionamento dei blocchi magnetici, "Brook ha detto, migliorando la qualità del campo di 10 volte rispetto all'assemblaggio grossolano. Le proprietà dei magneti finali corrispondono o addirittura superano quelle dei sofisticati elettromagneti, che richiedono un'ingegneria e una lavorazione molto più precise per creare ogni singolo pezzo di metallo.

"L'unica attrezzatura ad alta tecnologia nella nostra configurazione è la bobina rotante che utilizziamo per eseguire le misurazioni di precisione, " Egli ha detto.

Applicazioni e prossimi passi

Il leggero, componenti compatti e il funzionamento semplificato della linea di trasporto del raggio di magneti permanenti di Brooks sarebbero "un notevole miglioramento rispetto a ciò che è attualmente sul mercato per la fornitura di fasci di particelle nei centri di cura del cancro, " ha detto Dejan Trbojevic, Il supervisore di Brooks, che detiene numerosi brevetti su progetti di portali per terapia con particelle.

Un portale è la linea di luce ad arco che fornisce particelle che uccidono il cancro da un acceleratore a un paziente. In alcune strutture di terapia con particelle il cavalletto e l'infrastruttura di supporto possono pesare 50 tonnellate o più, spesso occupando un'ala appositamente costruita di un ospedale. Trbojevic stima che un portale con il design compatto di Brooks peserebbe solo una tonnellata. Ciò ridurrebbe i costi di costruzione di tali strutture.

"Inoltre, senza bisogno di elettricità [ai magneti] per cambiare le intensità di campo, sarebbe molto più facile operare, " ha detto Trbojevic.

La capacità di accelerare rapidamente le particelle a livelli di energia sempre più alti all'interno di un singolo anello acceleratore potrebbe anche ridurre il costo dei futuri esperimenti di fisica proposti, compreso un collisore di muoni, una fabbrica di neutrini, e un collisore di ioni di elettroni (EIC). In questi casi, componenti aggiuntivi dell'acceleratore aumenterebbero i raggi a una maggiore energia.

Per esempio, I fisici di Brookhaven hanno collaborato con i fisici della Cornell University su un progetto simile a campo fisso chiamato CBETA. Quel progetto, sviluppato con il finanziamento della New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA), è una versione leggermente più grande della macchina di Brooks e include tutti i componenti dell'acceleratore per portare i fasci di elettroni alle energie richieste per un EIC. CBETA decelera anche gli elettroni una volta che sono stati usati per esperimenti per recuperare e riutilizzare la maggior parte dell'energia. Testerà anche fasci di più energie allo stesso tempo, qualcosa che l'esperimento di dimostrazione del principio di Brooks all'ATF non ha fatto. Ma il test di successo di Brooks rafforza la fiducia che il design CBETA sia valido.

"Tutti nel reparto Collider-Accelerator di Brookhaven hanno supportato molto questo progetto, " disse Trbojevic, Investigatore principale di Brookhaven su CBETA.

Come ha osservato il presidente del dipartimento Collider-Accelerator Thomas Roser, "Tutti questi sforzi stanno lavorando verso concetti avanzati di acceleratore che alla fine andranno a beneficio della scienza e della società nel suo insieme. Non vediamo l'ora che arrivi il prossimo capitolo nell'evoluzione di questa tecnologia".