Ginebra, El lago de Ginebra y el acelerador de partículas LHC en funcionamiento en el CERN. Los posibles aceleradores de partículas futuros CLIC y FCC se muestran en líneas discontinuas. Crédito:Google Earth
En nombre del CERN, Los investigadores de ETH Zurich han desarrollado un dispositivo de alta tecnología para la producción de materiales extremadamente precisos. pulsos de alto voltaje que podrían usarse en la próxima generación de aceleradores de partículas.
El uso más conocido de pulsos de alto voltaje es en cercas eléctricas en granjas. Sin embargo, Los aceleradores de partículas en instalaciones de investigación a gran escala como el CERN en Ginebra también dependen de generadores de pulsos de alto voltaje, pero estos producen pulsos con energías y voltajes mucho más altos que los que se utilizan en cercas agrícolas. Actualmente se están realizando trabajos preparatorios en el CERN para el próximo proyecto de investigación a gran escala a partir de 2025. Uno de los dos posibles proyectos es la construcción de un acelerador lineal de 50 kilómetros de largo en un túnel que va desde Nyon hasta el desfiladero del valle del Ródano cerca de Bellegarde en Francia. (Proyecto CLIC, ver recuadro). Investigadores de ETH Zurich han desarrollado un generador de impulsos necesario para este acelerador en el marco de un acuerdo de colaboración con el CERN. Hace unos días, se entregaron prototipos al CERN, donde ahora se pondrán a prueba.
El generador de pulsos, que ocupa aproximadamente tres metros cúbicos, produce legumbres de 180, 000 voltios de la fuente de alimentación pública de 400 voltios, que duran exactamente 140 millonésimas de segundo. Para garantizar que la fuente de alimentación pública se cargue uniformemente y no se interrumpa por los picos de pulsos, 8 condensadores grandes y casi 200 pequeños (dispositivos de almacenamiento de energía temporal) dentro del generador de impulsos se cargan y descargan continuamente 50 veces por segundo. Un transformador especialmente desarrollado asegura que el voltaje de salida requerido se logre de la manera más rápida y eficiente posible.
Varios cientos de etapas de aceleración
El potencial futuro proyecto de investigación a gran escala en el CERN incluirá la aceleración de electrones y positrones (antipartículas electrónicas). "Esta aceleración tendrá lugar en un klystron, que se basa en los pulsos de alto voltaje suministrados por el generador de pulsos, "explica Jürgen Biela, Catedrático de Sistemas Electrónicos de Alta Potencia en ETH Zurich. Los pulsos de 140 microsegundos de largo se utilizan en el klystron para producir un campo alterno de muy alta frecuencia. Los electrones o positrones se aceleran en este campo alterno.
Durante su investigación doctoral en el laboratorio de Biela, Sebastian Blume jugó un papel clave en el desarrollo del generador de impulsos. Crédito:ETH Zurich / Peter Rüegg
Si el acelerador CLIC está integrado, se necesitarán más de mil klistrones para acelerar electrones y positrones en etapas hasta que se acerquen a la velocidad de la luz. Cada klystron estaría alimentado por su propio generador de pulsos.
Medición en tiempo real para máxima eficiencia
Uno de los mayores desafíos para los investigadores de ETH fue construir el generador de pulsos de tal manera que los pulsos producidos sean todos de igual longitud y magnitud con una tolerancia relativa de no más de cien milésimas. Además de esto, El CERN especificó que el voltaje para cada pulso debería saltar de 0 voltios a 180, 000 voltios y viceversa extremadamente rápido. Lograr esto, el dispositivo mide el flujo de corriente cien mil veces por segundo y lo controla en tiempo real.
"Si el pulso fuera más lento, más poder no utilizado se transmitiría al klystron, lo que reduciría la eficiencia energética del generador de impulsos, "explica Sebastian Blume. Durante su investigación doctoral en el laboratorio de Biela, Jugó un papel clave en el desarrollo del generador de impulsos. Por tanto, la eficiencia es un factor central, ya que el equipo utiliza cantidades relativamente altas de energía:la potencia de un generador de impulsos es más de cien veces mayor que la de una lavadora o una aspiradora grande.
La profesora Biela de ETH ya ha desempeñado un papel clave en el desarrollo de generadores de impulsos para SwissFEL, la fuente de radiación de sincrotrón que inició operaciones hace unos meses en el Instituto Paul Scherrer, como parte de un proyecto conjunto con la empresa suiza de ingeniería eléctrica Ampegon.
El generador de impulsos en el laboratorio ETH poco antes de ser transportado a Ginebra. Crédito:ETH Zurich / Peter Rüegg
¿Acelerador lineal o acelerador de anillo más grande?
Se prevé que el acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) del CERN funcionará hasta 2035 o 2040. Más allá de esto, Los debates se centran actualmente en dos posibles programas de investigación a gran escala que compiten entre sí. El CERN decidirá cuál instalar en los próximos tres años.
El proyecto CLIC (Compact Linear Collider) utiliza un túnel de 50 kilómetros de largo para acelerar los electrones de un extremo y los positrones del otro al medio del túnel donde chocan entre sí. El uso de este tipo de acelerador lineal permite medir partículas elementales como el bosón de Higgs con mucha más precisión de lo que es posible actualmente con el LHC. o sería posible con el otro proyecto futuro en discusión, la FCC (Future Circular Collider).
Actualmente se está discutiendo un anillo de aceleración con una circunferencia de 80 a 100 kilómetros para el proyecto FCC. En comparación, el LHC tiene una circunferencia de 27 kilómetros. La energía de colisión en la FCC sería siete veces mayor que la lograda en el LHC. En comparación con el proyecto CLIC, esto tiene la ventaja de que proporcionaría una mejor plataforma para el descubrimiento de nuevos efectos y partículas fundamentales.
