I palloncini possono aiutare a rendere uno spazio perfetto per una festa. Ora possono anche aiutare quando si tratta di accelerare le particelle vicino alla velocità della luce.

L'uso innovativo dei palloncini fornisce un nuovo, modo brevettato per gli ingegneri di modellare il cuore metallico degli acceleratori di particelle.

Molti acceleratori di particelle utilizzano strutture chiamate cavità, che forniscono il calcio necessario per accelerare le particelle a energie sempre più elevate mentre le particelle scorrono attraverso una dopo l'altra. Situato in profondità all'interno di un acceleratore e raffreddato da un guscio contenente elio liquido, le cavità devono essere della forma e delle dimensioni giuste per portare le particelle alle energie desiderate. Anche piccole differenze nella forma di queste camere metalliche fanno grandi differenze nei campi elettrici che si generano all'interno delle cavità per spingere le particelle a velocità maggiori.

Di fronte a una cavità particolare, troppo deformata per essere utilizzata e inaccessibile a causa del suo guscio metallico, Gli ingegneri del Fermilab Mohamed Hassan e Donato Passarelli hanno avuto un'idea:e se si potesse rimodellare una cavità senza rimuovere il guscio circostante? sono andati a lavorare, sviluppando un processo innovativo chiamato messa a punto del palloncino.

"Spero che la messa a punto del pallone sia un esempio per la comunità degli acceleratori, che dovremmo pensare fuori dagli schemi e non attenerci sempre alla tecnica standard e comune, ", ha detto Passarelli.

Il processo brevettato di ottimizzazione del palloncino è una nuova opzione nella suite di tecniche utilizzate per preparare le cavità prima che vengano installate in un acceleratore.

La maggior parte delle cavità di accelerazione sono una serie di cavità rotonde, celle vuote che sembrano un gigantesco filo di perline di metallo. Prima di installare qualsiasi cavità, viene accuratamente testato e messo a punto utilizzando una macchina automatizzata che afferra i bordi di ogni cella per realizzare piccoli, regolazioni precise:una piccola spinta qui, un po' di stretching lì. Il processo continua finché la cavità non viene regolata in modo che, una volta che la cavità è in funzione all'interno di un acceleratore, è in grado di produrre il campo elettrico perfetto per spingere le particelle cariche.

Ma prima che la maggior parte delle cavità possa essere installata, devono inoltre essere provvisti di una camicia metallica in modo che la cavità possa essere raffreddata a temperature estremamente basse con elio liquido. Dopo di che, l'unico modo semplice per applicare forze alle cellule è spingere o tirare le estremità della cavità, piuttosto che prendere di mira ogni cella individualmente. Se una cavità si deforma durante o dopo il processo di inserimento della giacca, il metodo di accordatura tradizionale non può essere applicato senza tagliare il rivestimento metallico, un laborioso, compito che richiede tempo.

Hassan e Passarelli hanno iniziato a contemplare questa sfida dopo che una vecchia cavità di prova si è deformata durante una prova di pressione.

"Dopo la prova di pressione, Ero determinato a trovare un modo per riparare questa cavità e ho pensato, 'Perché non accedervi dall'interno, che è accessibile anche con una giacca?'", ha detto Hassan.

La necessità di applicare la forza all'interno delle cavità senza graffiare la superficie interna o introdurre livelli di contaminazione inaccettabili li ha portati ad utilizzare palloncini appositamente progettati in nylon gommato.

Una pompa riempie ogni palloncino d'aria fino a quando non applica circa due bar di pressione, un po' meno di quanto raccomandato per i pneumatici standard per auto. Questa non è una pressione sufficiente per rimodellare una cellula cavità da sola, ma quella pressione può essere usata per influenzare quale cella si deforma quando vengono applicate forze alle estremità di una cavità a temperatura ambiente. I palloncini ti consentono di individuare una cella particolare, allungandolo o stringendolo.

Se una particolare cella deve essere allungata, un palloncino gonfiato al suo interno fornisce una spinta in più per espandersi mentre le flange vengono separate. Considerando che se una cella deve essere schiacciata, una serie di palloncini può sostenere tutte le altre celle man mano che le due estremità vengono spinte insieme.

Gli ingegneri e il loro team hanno dimostrato il concetto mettendo a punto una cavità non rivestita. Quindi hanno rivolto la loro attenzione alla cavità deformata che li aveva ispirati a sviluppare il processo. Sono riusciti a riportarlo in condizioni utilizzabili.

"L'accordatura dei palloncini sarà un ottimo strumento aggiuntivo per la produzione di cavità che può far risparmiare un bel po' di tempo e denaro, "Ha detto Hassan.

Le cavità ad alte prestazioni sono componenti cruciali dell'imminente acceleratore PIP-II del Fermilab e del laser a raggi X LCLS-II dello SLAC National Accelerator Laboratory, e sono una parte importante di un progetto Fermilab in corso per estendere il tempo in cui un qubit può mantenere le informazioni.

La tecnica del balloon-tuning è stata recentemente brevettata, velocizzare l'ufficio brevetti a tempo di record per il Fermilab, disse Aaron Sauers, l'esecutivo dei brevetti e delle licenze del laboratorio.

"Mohamed e Donato hanno sviluppato un metodo e un apparato davvero belli per sintonizzare le cavità vestite, " Sauers ha detto. "Ero entusiasta di depositare la domanda di brevetto sulla loro invenzione".

Hassan e Passarelli vedono come una possibilità la messa a punto automatizzata del pallone, che potrebbe renderlo comodo da usare come il metodo attuale è per cavità non rivestite. La tecnica può trovare applicazioni anche in altri campi che utilizzano cavità simili.

"La speranza è che le persone che guardano a questa idea trovino ispirazione e adattino o utilizzino questa tecnica nella propria applicazione, " ha detto Passarelli.