Esquema del acelerador de pruebas Cornell-BNL ERL. Las cavidades de radiofrecuencia superconductora (SRF) aceleran los electrones a alta energía en etapas, enviándolos alrededor del acelerador en forma de pista de carreras después de cada etapa de aceleración. Cada arco curvo está formado por una serie de campos fijos, imanes permanentes de gradiente alterno (FFA) que pueden transportar haces a múltiples energías simultáneamente. Después de cuatro pasadas a través de la infraestructura acelerada y los arcos FFA, los electrones luego se desaceleran en etapas, devolviendo su energía a las cavidades SRF para que pueda usarse para acelerar electrones nuevamente. Crédito:Universidad de Cornell
Científicos de la Universidad de Cornell y del Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han demostrado con éxito la primera captura y reutilización de energía del mundo en un acelerador de partículas de múltiples vueltas. donde los electrones se aceleran y desaceleran en múltiples etapas y se transportan a diferentes energías a través de una sola línea de luz. Este avance allana el camino para los aceleradores de partículas ultrabrillantes que utilizan mucha menos energía que las máquinas actuales.
Las aplicaciones incluyen la producción de isótopos médicos, terapia contra el cáncer, Fuentes de rayos X, y aplicaciones industriales como la producción de microchips, así como máquinas más eficientes energéticamente para la investigación básica en física, ciencia de los Materiales, y muchos otros campos. Un ejemplo:los científicos pueden usar dicha tecnología de acelerador de recuperación de energía para generar electrones de manera eficiente para "enfriar" iones en el colisionador de iones y electrones, una instalación de investigación de física nuclear innovadora planificada que se ubicará en Brookhaven Lab.
El acelerador de pruebas Cornell-BNL ERL, o CBETA, ubicado en Cornell, es un acelerador lineal de recuperación de energía (ERL) que utiliza dos tecnologías transformadoras "verdes":en lugar de descargar la energía de partículas previamente aceleradas, recupera y reutiliza esa energía para acelerar el siguiente lote de partículas. Y la línea de luz que dirige las partículas a través del acelerador está hecha de imanes permanentes, que no requieren electricidad para funcionar. Se espera que se conviertan en las tecnologías de mayor eficiencia energética para los aceleradores de alto rendimiento del futuro.
"Reutilizar la energía de un haz de partículas en este nuevo tipo de acelerador hace que haya haces más brillantes disponibles, que habría requerido demasiada energía hasta ahora, "dijo Georg Hoffstaetter, profesor de física e investigador principal de Cornell. Además de las aplicaciones mencionadas, Hoffstaetter señala que "una tecnología tan innovadora y estos haces más brillantes probablemente darán lugar a usos adicionales que aún no se han imaginado".
La construcción de CBETA fue financiada por la Autoridad de Investigación y Desarrollo de Energía del Estado de Nueva York (NYSERDA) y utilizó componentes que fueron desarrollados con fondos de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) y socios industriales. El equipo de CBETA logró el hito clave de recuperación total de energía y reaceleración de partículas en las primeras horas del 24 de diciembre. 2019, en la fecha prevista. Desde entonces, el equipo ha continuado mejorando el desempeño de CBETA.
Alicia Barton, Presidente y CEO, NYSERDA, dijo, "NYSERDA se enorgullece enormemente de apoyar este proyecto innovador y esperamos ver cómo avanza nuestra capacidad para abordar los desafíos científicos y sociales más urgentes de nuestro tiempo. El apoyo de Nueva York a las tecnologías que brindan beneficios en toda la economía es inquebrantable bajo la política del Gobernador Cuomo. liderazgo y felicitamos a nuestros socios por este tremendo hito ".
Georg Hoffstaetter (izquierda) y Dejan Trbojevic en las instalaciones de CBETA en la Universidad de Cornell. Crédito:Universidad de Cornell
Conceptos básicos del diseño de recuperación de energía
La máquina CBETA incluye el primer acelerador lineal superconductor de recuperación de energía de ocho pasos del mundo, en el que un rayo se acelera al pasar cuatro veces a través de una cavidad de radiofrecuencia superconductora (SRF) para alcanzar su energía más alta. Haciendo otros cuatro pases por la misma cavidad, pero esta vez desacelerando, la energía del rayo se captura y se pone a disposición para que se aceleren nuevas partículas. Este concepto de ERL fue propuesto por primera vez en 1965 por Maury Tigner, profesor emérito de la Universidad de Cornell, pero se necesitaron décadas de trabajo en Cornell y en otros lugares para desarrollar la tecnología necesaria.
Después de cada pasada por el aparato de aceleración, las partículas tienen una energía diferente y atraviesan su propio "carril" a través de una cadena especial de imanes, denominada línea de luz de gradiente lineal alterno de campo fijo (FFA-LG), que devuelve las partículas a las cavidades SRF. Los imanes permanentes que componen esta línea de luz fueron diseñados, desarrollado, y con forma precisa en Brookhaven para permitir que todas las vigas atraviesen la misma estructura de imán, a pesar de que tienen cuatro energías diferentes. Este diseño reduce la necesidad de múltiples anillos aceleradores para acomodar haces a diferentes energías y elimina la necesidad de electricidad para alimentar los imanes. reduciendo aún más los costos y mejorando la eficiencia general.
Dejan Trbojevic, físico senior e investigador principal por la participación de Brookhaven en el proyecto, describió por primera vez la idea de acelerar haces a múltiples energías en una sola línea de haz hecha de imanes de gradiente alterno de campo fijo en un taller de colisionador de muones en 1999. Mientras tanto, Cornell estaba desarrollando componentes para un ERL superconductor.
"Con CBETA, la idea era mostrar que el bucle de retorno de una sola línea de haz de Brookhaven funcionaría con la tecnología ERL de Cornell para la aceleración de electrones, partículas con muchas más aplicaciones potenciales que sus primos muones más pesados, ", Dijo Trbojevic.
A finales de diciembre con el físico de Cornell Adam Bartnik como operador principal, CBETA hizo precisamente eso. Comenzando con un haz de electrones a la energía de seis millones de electronvoltios (MeV), los componentes del acelerador llevaron las partículas a 42, 78, 114, y 150 MeV en cuatro pasadas por el ERL. Después de la desaceleración durante cuatro pasadas adicionales a través de las cavidades del SRF, las partículas alcanzaron su energía original de 6 MeV, exactamente en la misma posición que el rayo de partida. Esto mostró que se había logrado una recuperación total de energía de electrones, y que las cavidades SRF se energizaron para acelerar el siguiente lote de partículas.
Este logro convierte a CBETA en el primer ERL multivuelta en recuperar la energía de los haces de partículas acelerados en estructuras de aceleración SRF. y el primer acelerador en utilizar una sola línea de luz con campos magnéticos fijos para transportar siete diferentes haces de energía de aceleración y desaceleración.
"No podríamos haber logrado estos resultados sin muchas contribuciones a lo largo del diseño, construcción, y fases de puesta en servicio por parte de científicos, ingenieros y personal técnico de Brookhaven y Cornell, junto con los aportes de muchos socios industriales y reconocidos expertos en aceleradores, "dijo Rob Michnoff, ingeniero de Brookhaven Lab, director del proyecto CBETA.
