Quando si tratta di acceleratori di particelle, i magneti sono una delle chiavi del successo. I potenti campi magnetici mantengono i fasci di particelle "in rotta" mentre vengono portati a un'energia più elevata, si è schiantato in collisioni per esperimenti di fisica, o consegnati ai pazienti per eliminare i tumori. I magneti innovativi hanno il potenziale per migliorare tutte queste applicazioni.

Questo è uno degli obiettivi dell'acceleratore di test Cornell-Brookhaven "Energy-Recovery Linac", o CBETA, in costruzione presso la Cornell University e finanziato dalla New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA). CBETA si basa su una linea di luce composta da magneti all'avanguardia progettati dai fisici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, in grado di trasportare contemporaneamente quattro raggi a energie molto diverse.

"Scienziati e ingegneri del reparto Collider-Accelerator (C-AD) di Brookhaven hanno appena completato la produzione e l'assemblaggio di 216 dispositivi a campo fisso di eccezionale qualità, gradiente alternato, magneti permanenti per questo progetto, una pietra miliare importante, ", ha affermato il presidente di C-AD Thomas Roser, che sovrintende ai contributi del Lab a CBETA.

Il nuovo design del magnete, sviluppato dal fisico di Brookhaven Stephen Brooks e dall'ingegnere C-AD George Mahler, ha un campo magnetico fisso che varia in intensità in diversi punti all'interno dell'apertura di ciascun magnete circolare. "Invece di dover aumentare il campo magnetico per accogliere fasci di diverse energie, i raggi con energie diverse trovano semplicemente il loro "punto debole" all'interno dell'apertura, " ha detto Brooks. Il risultato:i raggi a quattro diverse energie possono passare simultaneamente attraverso una singola linea di luce.

In CBETA, una catena di questi magneti legati insieme come perline su una collana formerà quello che viene chiamato un anello di ritorno che fornisce ripetutamente grappoli di elettroni a un acceleratore lineare (linac). Quattro viaggi attraverso le cavità a radiofrequenza superconduttiva del linac aumenteranno l'energia degli elettroni, e altri quattro li ridurranno in modo che l'energia immagazzinata nel raggio possa essere recuperata e riutilizzata per il prossimo giro di accelerazione.

"I grappoli a diverse energie sono tutti insieme nel ciclo di ritorno, con campi magnetici alternati che li mantengono oscillanti lungo i loro percorsi individuali, ma poi si uniscono ed entrano nel linac in sequenza, " ha spiegato il capo ingegnere meccanico di C-AD Joseph Tuozzolo. "Mentre un gruppo passa e viene accelerato, un altro gruppo viene rallentato e l'energia recuperata dalla decelerazione può accelerare il gruppo successivo".

Anche quando i fasci vengono utilizzati per esperimenti, il recupero energetico dovrebbe essere vicino al 99,9 per cento, rendendo questo "linac per il recupero energetico superconduttore (ERL)" un potenziale punto di svolta in termini di efficienza. Nuovi grappoli di elettroni vicini alla velocità della luce vengono portati alla massima energia ogni microsecondo, così i fasci freschi sono sempre disponibili per gli esperimenti.

Questo è uno dei grandi vantaggi dell'utilizzo dei magneti permanenti. Elettromagneti, che richiedono elettricità per modificare la forza del campo magnetico, non sarebbe mai stato in grado di aumentare abbastanza velocemente, Lui ha spiegato. Usando magneti permanenti a campo fisso che non richiedono elettricità, come i magneti che si attaccano al tuo frigorifero, solo molto più forte:evita questo problema e riduce l'energia/costo richiesto per far funzionare l'acceleratore.

Per preparare i magneti per CBETA, il team Brookhaven ha iniziato con assemblaggi di magneti permanenti di alta qualità prodotti da KYMA, un'azienda produttrice di magneti, basato sul design sviluppato da Brooks e Mahler. Tuozzolo di C-AD ha organizzato e guidato lo sforzo di approvvigionamento con KYMA e l'acquisizione degli altri componenti per il circuito di ritorno.

Gli ingegneri della divisione dei magneti superconduttori di Brookhaven hanno effettuato misurazioni precise dell'intensità del campo di ciascun magnete e hanno utilizzato un sistema di correzione del campo magnetico sviluppato e costruito da Brooks per mettere a punto i campi per ottenere la precisione necessaria per CBETA. Mahler ha quindi guidato l'assemblaggio dei magneti finiti su piastre di trave che li manterranno in perfetto allineamento nell'acceleratore finito, mentre l'ingegnere C-AD Robert Michnoff ha guidato lo sforzo per costruire e testare l'elettronica per i monitor di posizione del raggio che seguiranno i percorsi delle particelle attraverso la linea del raggio.

"Il team CBETA di Brookhaven ha raggiunto gli obiettivi di questo traguardo nove giorni prima del previsto grazie al lavoro di persone estremamente dedicate che hanno eseguito più misurazioni magnetiche e rilevamenti magnetici per molte lunghe giornate di lavoro, " disse Roser.

I componenti assemblati da Brookhaven sono ora in viaggio verso Cornell per l'assemblaggio finale dell'acceleratore. Il team CBETA inizierà la messa in servizio dell'acceleratore a marzo 2019, eseguendo i primi passi verso la piena funzionalità.

Le tecnologie sviluppate per CBETA potrebbero rivoluzionare la scienza degli acceleratori con molteplici potenziali applicazioni, dice la squadra.

Per esempio, un tale ERL sarebbe un modo efficiente per accelerare e riutilizzare fasci di elettroni per raffreddare fasci di ioni pesanti in un futuro Electron-Ion Collider (EIC) proposto dall'Ufficio di fisica nucleare del DOE. L'energia di picco che CBETA si aspetta di ottenere nel suo fascio di elettroni sarebbe una combinazione perfetta per estrarre il calore in eccesso dai fasci di ioni per mantenere gli ioni strettamente raggruppati, un requisito per massimizzare le interazioni delle particelle in un collisore.

L'innovativa tecnologia dei magneti sviluppata per CBETA potrebbe essere utilizzata anche negli acceleratori che producono isotopi medici, incidere i chip dei computer su scale sempre più piccole, o fornire fasci di protoni o particelle ad alta energia per colpire con precisione i tumori. I sistemi di erogazione del raggio realizzati con magneti permanenti su piccola scala potrebbero ridurre drasticamente il costo degli acceleratori per la terapia del cancro a fasci di particelle, potenzialmente rendendo questo trattamento promettente più ampiamente disponibile.

"È emozionante far parte di un progetto che ha così tante possibilità per la scienza di base e per la società, " ha detto Brooks.