Schema dell'acceleratore di prova ERL Cornell-BNL. Le cavità a radiofrequenza superconduttiva (SRF) accelerano gli elettroni ad alta energia in fasi, mandandoli intorno all'acceleratore a forma di pista dopo ogni fase di accelerazione. Ogni arco curvo è costituito da una serie di campi fissi, magneti permanenti a gradiente alternato (FFA) che possono trasportare fasci a più energie contemporaneamente. Dopo quattro passaggi attraverso l'infrastruttura in accelerazione e gli archi FFA, gli elettroni poi decelerano gradualmente, restituendo la loro energia alle cavità SRF in modo che possa essere utilizzata per accelerare nuovamente gli elettroni. Credito:Cornell University
Scienziati della Cornell University e del Brookhaven National Laboratory (BNL) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti hanno dimostrato con successo la prima cattura e riutilizzo di energia al mondo in un acceleratore di particelle multigiro, dove gli elettroni vengono accelerati e decelerati in più fasi e trasportati a diverse energie attraverso un'unica linea di luce. Questo progresso apre la strada ad acceleratori di particelle ultra brillanti che utilizzano molta meno energia rispetto alle macchine odierne.
Le applicazioni includono la produzione di isotopi medici, terapia del cancro, sorgenti di raggi X, e applicazioni industriali come la produzione di microchip, così come macchine più efficienti dal punto di vista energetico per la ricerca di base in fisica, scienza dei materiali, e molti altri campi. Un esempio:gli scienziati possono utilizzare tale tecnologia di accelerazione del recupero di energia per generare in modo efficiente elettroni per "raffreddare" gli ioni all'Electron-Ion Collider, una struttura di ricerca di fisica nucleare pianificata all'avanguardia che sarà situata al Brookhaven Lab.
L'acceleratore di prova ERL Cornell-BNL, o CBETA, situato a Cornell, è un acceleratore lineare di recupero energetico (ERL) che utilizza due tecnologie "verdi" di trasformazione:invece di scaricare l'energia delle particelle precedentemente accelerate, recupera e riutilizza quell'energia per accelerare il successivo lotto di particelle. E la linea di luce che guida le particelle attraverso l'acceleratore è fatta di magneti permanenti, che non richiedono elettricità per funzionare. Si prevede che queste diventeranno le tecnologie più efficienti dal punto di vista energetico per gli acceleratori ad alte prestazioni del futuro.
"Il riutilizzo dell'energia di un fascio di particelle in questo nuovo tipo di acceleratore rende disponibili fasci più luminosi, che avrebbe richiesto troppa energia fino ad ora, " disse Georg Hoffstaetter, professore di fisica e ricercatore principale per Cornell. Oltre alle domande di cui sopra, Hoffstaetter sottolinea che "tale tecnologia innovativa e questi raggi più luminosi porteranno probabilmente a ulteriori usi ancora da immaginare".
La costruzione di CBETA è stata finanziata dalla New York State Energy Research and Development Authority (NYSERDA) e ha utilizzato componenti sviluppati con i fondi della National Science Foundation (NSF) e di partner industriali. Il team CBETA ha raggiunto il traguardo chiave del pieno recupero energetico e della riaccelerazione delle particelle nelle prime ore del 24 dicembre, 2019, in orario. Da allora, il team ha continuato a migliorare le prestazioni di CBETA.
Alicia Barton, Presidente e AD, NYSERDA, disse, “NYSERDA è estremamente orgogliosa di supportare questo progetto innovativo e non vediamo l'ora di vedere come migliora la nostra capacità di affrontare le sfide scientifiche e sociali più urgenti del nostro tempo. leadership e ci congratuliamo con i nostri partner per questo straordinario traguardo".
Georg Hoffstaetter (a sinistra) e Dejan Trbojevic presso la struttura CBETA della Cornell University. Credito:Cornell University
Nozioni di base sulla progettazione del recupero energetico
La macchina CBETA include il primo acceleratore lineare superconduttore a recupero di energia a otto passaggi al mondo, in cui un raggio viene accelerato passando quattro volte attraverso una cavità a radiofrequenza superconduttiva (SRF) per raggiungere la sua massima energia. Facendo altri quattro passaggi attraverso la stessa cavità, ma questa volta decelerando, l'energia del raggio viene catturata e resa disponibile per l'accelerazione di nuove particelle. Questo concetto ERL è stato proposto per la prima volta nel 1965 da Maury Tigner, professore emerito alla Cornell University, ma ci sono voluti decenni di lavoro alla Cornell e altrove per sviluppare la tecnologia necessaria.
Dopo ogni passaggio attraverso l'apparato di accelerazione, le particelle hanno un'energia diversa e percorrono la propria "corsia" attraverso una speciale catena di magneti, indicata come linea di luce a gradiente lineare alternato a campo fisso (FFA-LG), che riporta le particelle alle cavità SRF. I magneti permanenti che compongono questa linea di luce sono stati progettati, sviluppato, e sagomato con precisione a Brookhaven per consentire a tutti i raggi di attraversare la stessa struttura del magnete, anche se hanno quattro energie diverse. Questo design riduce la necessità di più anelli acceleratori per ospitare fasci a diverse energie ed elimina la necessità di elettricità per alimentare i magneti, riducendo ulteriormente i costi e migliorando l'efficienza complessiva.
Dejan Trbojevic, fisico senior e ricercatore principale per la partecipazione di Brookhaven al progetto, ha descritto per la prima volta l'idea di accelerare fasci a più energie in un'unica linea di luce composta da magneti a gradiente alternato a campo fisso in un laboratorio di collisori di muoni nel 1999. Nel frattempo, Cornell stava sviluppando componenti per un ERL superconduttore.
"Con CBETA, l'idea era di mostrare che il circuito di ritorno a linea singola di Brookhaven avrebbe funzionato con la tecnologia ERL di Cornell per l'accelerazione degli elettroni, particelle con molte più potenziali applicazioni rispetto ai loro cugini muoni più pesanti, " ha detto Trbojevic.
A fine dicembre, con il fisico di Cornell Adam Bartnik come operatore principale, CBETA ha fatto proprio questo. A partire da un fascio di elettroni all'energia di sei milioni di elettronvolt (MeV), i componenti dell'acceleratore hanno portato le particelle a 42, 78, 114, e 150 MeV in quattro passaggi attraverso l'ERL. Dopo la decelerazione durante quattro passaggi aggiuntivi attraverso le cavità SRF, le particelle hanno raggiunto la loro energia originale di 6 MeV, esattamente nella stessa posizione del raggio iniziale. Ciò ha mostrato che era stato raggiunto il completo recupero dell'energia degli elettroni, e che le cavità SRF sono state energizzate per accelerare il successivo lotto di particelle.
Questo risultato rende CBETA il primo ERL multigiro a recuperare l'energia dei fasci di particelle accelerati nelle strutture acceleranti SRF, e il primo acceleratore ad utilizzare una singola linea di luce con campi magnetici fissi per trasportare sette diversi fasci di energia in accelerazione e decelerazione.
"Non avremmo potuto ottenere questi risultati senza molti contributi in tutto il design, costruzione, e fasi di commissioning da parte di scienziati, ingegneri, e personale tecnico sia a Brookhaven che a Cornell, insieme al contributo di molti partner industriali e rinomati esperti di acceleratori, ", ha affermato Rob Michnoff, ingegnere di Brookhaven Lab, direttore del progetto CBETA.
