Un acelerador de partículas avanzado diseñado en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Podría reducir el costo y aumentar la versatilidad de las instalaciones para la investigación en física y el tratamiento del cáncer. Utiliza peso ligero, Marcos impresos en 3-D para sostener bloques de imanes permanentes y un método innovador para ajustar el campo magnético para dirigir múltiples haces a diferentes energías a través de un solo tubo de haz.

Con este diseño, los físicos podrían acelerar las partículas a través de múltiples etapas a energías cada vez más altas dentro de un solo anillo de imanes, en lugar de requerir más de un anillo para lograr estas energías. En un entorno médico, donde la energía de los haces de partículas determina qué tan lejos penetran en el cuerpo, los médicos podrían administrar más fácilmente una variedad de energías para eliminar un tumor en toda su profundidad.

Científicos que prueban un prototipo del compacto, El diseño rentable en las instalaciones de prueba del acelerador de Brookhaven (ATF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, dice que se logró con gran éxito. Las imágenes codificadas por colores muestran cómo una serie de haces de electrones acelerados a cinco energías diferentes pasaron con éxito a través de la curva de imanes de cinco pies de largo, con cada rayo trazando un camino diferente dentro del mismo tubo de viga de dos pulgadas de diámetro.

"Para cada uno de los cinco niveles de energía, inyectamos el rayo en la trayectoria 'ideal' para esa energía y escaneamos para ver qué sucede cuando está ligeramente fuera de la órbita ideal, "dijo el físico de Brookhaven Lab Stephen Brooks, arquitecto principal del diseño. Christina Swinson, un físico de la ATF, dirigió el rayo a través de la línea ATF y el conjunto de imanes de Brooks y desempeñó un papel esencial en la ejecución de los experimentos.

"Diseñamos estos experimentos para probar nuestras predicciones y ver qué tan lejos puedes ir de la trayectoria entrante ideal y aún así hacer que el rayo pase. En su mayor parte, toda la viga que entró salió por el otro extremo, "Dijo Brooks.

Los rayos alcanzaron energías más de 3,5 veces superiores a las que se habían logrado anteriormente en un acelerador similar hecho de electroimanes significativamente más grandes. con una duplicación de la relación entre los haces de energía más alta y más baja.

"Estas pruebas nos dan la confianza de que esta tecnología de acelerador se puede utilizar para transportar haces en una amplia gama de energías, "Dijo Brooks.

No se requieren cables

La mayoría de los aceleradores de partículas utilizan electroimanes para generar los poderosos campos magnéticos necesarios para dirigir un haz de partículas cargadas. Para transportar partículas de diferentes energías, Los científicos cambian la fuerza del campo magnético aumentando o disminuyendo la corriente eléctrica que pasa a través de los imanes.

En cambio, el diseño de Brooks utiliza imanes permanentes, del tipo que permanece magnético sin corriente eléctrica, como los que se adhieren a su refrigerador, solo más fuerte. Al disponer bloques magnéticos de diferentes formas para formar un círculo, Brooks crea un campo magnético fijo que varía en intensidad en diferentes posiciones dentro de la apertura central de cada matriz de imanes en forma de rosquilla.

Cuando los imanes se alinean de extremo a extremo como cuentas en un collar para formar un arco curvo, como lo estaban en el experimento de ATF con la ayuda del equipo de topografía de Brookhaven para lograr una alineación de precisión, las partículas de mayor energía se mueven a la parte más fuerte del campo. La alternancia de las direcciones de campo de los imanes secuenciales mantiene a las partículas oscilando a lo largo de su trayectoria preferida a medida que se mueven a través del arco. sin energía necesaria para acomodar partículas de diferentes energías.

La falta de electricidad significa menos infraestructura de apoyo y una operación más fácil, todo lo cual contribuye al significativo potencial de ahorro de costos de esta falta de escala. campo fijo, tecnología de acelerador de gradiente alterno.

Diseño simplificado

Brooks trabajó con George Mahler y Steven Trabocchi, ingenieros del Departamento de Aceleradores y Colisionadores de Brookhaven, para ensamblar los imanes engañosamente simples pero poderosos.

Primero usaron una impresora 3-D para crear marcos de plástico para sostener los bloques magnéticos con forma, como piezas de un rompecabezas, alrededor de la abertura central. "Diferentes tamaños, o espesores de bloque, y las direcciones del magnetismo permiten un campo personalizado dentro de la apertura, "Dijo Brooks.

Después de golpear los bloques en los marcos con un mazo para crear un ensamblaje grueso, John Cintorino, un técnico en la división de imanes de Lab, midió la fuerza del campo. Luego, el equipo afinó cada ensamblaje insertando diferentes longitudes de varillas de hierro en hasta 64 posiciones alrededor de un segundo cartucho impreso en 3D que encaja dentro del anillo de imanes. Un programa computacional que escribió Brooks utiliza las mediciones de intensidad de campo de ensamblaje grueso para determinar exactamente cuánto hierro entra en cada ranura. Actualmente también está trabajando en un robot para cortar e insertar las varillas a medida.

El ajuste fino de la etapa final "compensa cualquier error en el mecanizado y el posicionamiento de los bloques magnéticos, Brooks dijo:mejorando la calidad del campo 10 veces más que el ensamblaje grueso. Las propiedades de los imanes finales igualan o incluso superan a las de los electroimanes sofisticados, que requieren una ingeniería y un mecanizado mucho más precisos para crear cada pieza de metal individual.

"El único equipo de alta tecnología en nuestra configuración es la bobina giratoria que usamos para realizar las mediciones de precisión, " él dijo.

Aplicaciones y próximos pasos

El ligero Los componentes compactos y la operación simplificada de la línea de transporte de haces de imanes permanentes de Brooks serían "una mejora dramática de lo que se encuentra actualmente en el mercado para la entrega de haces de partículas en los centros de tratamiento del cáncer, "dijo Dejan Trbojevic, Supervisor de Brooks, que posee varias patentes sobre diseños para pórticos de terapia de partículas.

Un pórtico es la línea de luz en arco que envía partículas que matan el cáncer desde un acelerador a un paciente. En algunas instalaciones de terapia de partículas, el pórtico y la infraestructura de apoyo pueden pesar 50 toneladas o más, a menudo ocupando un ala especialmente construida de un hospital. Trbojevic estima que un pórtico con el diseño compacto de Brooks pesaría solo una tonelada. Eso reduciría el costo de construcción de tales instalaciones.

"Además, sin necesidad de electricidad [para los imanes] para cambiar las intensidades de campo, sería mucho más fácil de operar, ", Dijo Trbojevic.

La capacidad de acelerar partículas rápidamente a niveles de energía cada vez más altos dentro de un solo anillo acelerador también podría reducir el costo de los experimentos de física futuros propuestos. incluyendo un colisionador de muones, una fábrica de neutrinos, y un colisionador de electrones-iones (EIC). En estos casos, componentes adicionales del acelerador impulsarían los haces a una energía más alta.

Por ejemplo, Los físicos de Brookhaven han estado colaborando con físicos de la Universidad de Cornell en un diseño de campo fijo similar llamado CBETA. Ese proyecto, desarrollado con fondos de la Autoridad de Investigación y Desarrollo de Energía del Estado de Nueva York (NYSERDA), es una versión un poco más grande de la máquina de Brooks e incluye todos los componentes del acelerador para llevar los haces de electrones a las energías requeridas para un EIC. CBETA también desacelera los electrones una vez que se han utilizado en experimentos para recuperar y reutilizar la mayor parte de la energía. También probará haces de múltiples energías al mismo tiempo, algo que no hizo el experimento de prueba de principio de Brooks en la ATF. Pero la prueba exitosa de Brooks refuerza la confianza de que el diseño de CBETA es sólido.

"Todos en el Departamento de Aceleradores y Colisionadores de Brookhaven han apoyado mucho este proyecto, "dijo Trbojevic, Investigador principal de Brookhaven en CBETA.

Como señaló el presidente del departamento de Collider-Accelerator, Thomas Roser, "Todos estos esfuerzos están trabajando hacia conceptos avanzados de aceleradores que, en última instancia, beneficiarán a la ciencia y la sociedad en su conjunto. Esperamos con ansias el próximo capítulo en la evolución de esta tecnología".