Cuando se trata de aceleradores de partículas, los imanes son una de las claves del éxito. Los potentes campos magnéticos mantienen los haces de partículas "encaminados" a medida que aumentan a una energía más alta, chocó contra colisiones para experimentos de física, o entregado a pacientes para eliminar tumores. Los imanes innovadores tienen el potencial de mejorar todas estas aplicaciones.

Ese es uno de los objetivos del acelerador de pruebas "Energy-Recovery Linac" de Cornell-Brookhaven, o CBETA, en construcción en la Universidad de Cornell y financiado por la Autoridad de Investigación y Desarrollo Energético del Estado de Nueva York (NYSERDA). CBETA se basa en una línea de luz hecha de imanes de vanguardia diseñados por físicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Que puede transportar cuatro rayos a energías muy diferentes al mismo tiempo.

"Los científicos e ingenieros del Departamento de Aceleradores y Colisionadores de Brookhaven (C-AD) acaban de completar la producción y el montaje de 216 campos fijos de calidad excepcional, gradiente alterno, imanes permanentes para este proyecto, un hito importante, "dijo el presidente de C-AD, Thomas Roser, que supervisa las contribuciones del laboratorio a CBETA.

El novedoso diseño de imán, desarrollado por el físico de Brookhaven Stephen Brooks y el ingeniero de C-AD George Mahler, tiene un campo magnético fijo que varía en fuerza en diferentes puntos dentro de la apertura de cada imán circular. "En lugar de tener que aumentar el campo magnético para acomodar haces de diferentes energías, rayos con diferentes energías simplemente encuentran su propio 'punto óptimo' dentro de la apertura, ", dijo Brooks. El resultado:rayos de cuatro energías diferentes pueden pasar a través de una sola línea de luz simultáneamente.

En CBETA, una cadena de estos imanes ensartados como cuentas en un collar formará lo que se llama un bucle de retorno que entrega repetidamente racimos de electrones a un acelerador lineal (linac). Cuatro viajes a través de las cavidades superconductoras de radiofrecuencia del linac aumentarán la energía de los electrones, y otros cuatro los reducirán para que la energía almacenada en el rayo se pueda recuperar y reutilizar para la siguiente ronda de aceleración.

"Los racimos a diferentes energías están todos juntos en el bucle de retorno, con campos magnéticos alternos que los mantienen oscilando a lo largo de sus trayectorias individuales, pero luego se fusionan y entran al linac secuencialmente, ", explicó el ingeniero mecánico jefe de C-AD, Joseph Tuozzolo." Cuando un grupo pasa y se acelera, otro grupo se desacelera y la energía recuperada de la desaceleración puede acelerar el siguiente grupo ".

Incluso cuando los rayos se utilizan para experimentos, se espera que la recuperación de energía sea cercana al 99,9 por ciento, haciendo de este "linac de recuperación de energía superconductora (ERL)" un cambio de juego potencial en términos de eficiencia. Nuevos racimos de electrones cercanos a la velocidad de la luz se elevan a la energía máxima cada microsegundo, por lo que siempre hay disponibles vigas nuevas para experimentos.

Esa es una de las grandes ventajas de utilizar imanes permanentes. Electroimanes, que requieren electricidad para cambiar la fuerza del campo magnético, nunca podría aumentar lo suficientemente rápido, él explicó. Usar imanes permanentes de campo fijo que no requieren electricidad, como los imanes que se adhieren a su refrigerador, solo que mucho más fuerte:evita ese problema y reduce la energía / costo requerido para hacer funcionar el acelerador.

Para preparar los imanes para CBETA, el equipo de Brookhaven comenzó con conjuntos de imanes permanentes de alta calidad producidos por KYMA, una empresa de fabricación de imanes, basado en el diseño desarrollado por Brooks y Mahler. Tuozzolo de C-AD organizó y dirigió el esfuerzo de adquisición con KYMA y la adquisición de los otros componentes para el ciclo de devolución.

Los ingenieros de la división de imanes superconductores de Brookhaven tomaron medidas precisas de la intensidad de campo de cada imán y utilizaron un sistema de corrección de campo magnético desarrollado y construido por Brooks para ajustar los campos y lograr la precisión necesaria para CBETA. Mahler luego dirigió el ensamblaje de los imanes terminados sobre placas de vigas que los mantendrán en perfecta alineación en el acelerador terminado, mientras que el ingeniero de C-AD, Robert Michnoff, dirigió el esfuerzo para construir y probar la electrónica para los monitores de posición del haz que rastrearán las trayectorias de las partículas a través de la línea del haz.

"El equipo CBETA de Brookhaven alcanzó los objetivos de este hito nueve días antes de lo programado gracias al trabajo de personas extremadamente dedicadas que realizaron múltiples mediciones magnéticas y estudios magnéticos durante muchos días de trabajo prolongados. "Dijo Roser.

Los componentes ensamblados por Brookhaven ahora están en camino a Cornell para el ensamblaje final del acelerador. El equipo de CBETA comenzará a poner en marcha el acelerador en marzo de 2019, ejecutarlo a través de los primeros pasos hacia la funcionalidad completa.

Las tecnologías desarrolladas para CBETA podrían revolucionar la ciencia de los aceleradores con múltiples aplicaciones potenciales, dice el equipo.

Por ejemplo, tal ERL sería una forma eficiente de acelerar y reutilizar haces de electrones para enfriar haces de iones pesados ​​en un futuro Colisionador de Electrones-Iones (EIC) propuesto que está siendo considerado por la Oficina de Física Nuclear del DOE. La energía máxima que CBETA espera lograr en su haz de electrones sería una combinación perfecta para extraer el exceso de calor de los haces de iones para mantener los iones agrupados estrechamente, un requisito para maximizar las interacciones de las partículas en un colisionador.

La innovadora tecnología de imanes desarrollada para CBETA también podría usarse en aceleradores que producen isótopos médicos, grabar chips de computadora a escalas cada vez más pequeñas, o entregar haces de partículas o protones de alta energía para apuntar con precisión a los tumores. Los sistemas de suministro de haz hechos de imanes permanentes a pequeña escala podrían reducir drásticamente el costo de los aceleradores de terapia de cáncer de haz de partículas, potencialmente haciendo que este prometedor tratamiento esté más disponible.

"Es emocionante ser parte de un proyecto que tiene tantas posibilidades para la ciencia básica y para la sociedad, "Dijo Brooks.