El innovador eliminador de carga de litio líquido aumenta el rendimiento del acelerador

Izquierda:Fotografía de la película de litio líquido formada en la cámara de la línea de luz FRIB. La superficie extremadamente lisa de la película de litio apareció como un espejo. Derecha:Ilustración correspondiente con etiquetas para mayor claridad. Crédito:Instalación para haces de isótopos raros

La Instalación para haces de isótopos raros (FRIB) acelera haces de iones pesados con una potencia de haz de hasta 400 kilovatios en un objetivo para crear isótopos raros para la investigación científica. Un separador de carga juega un papel esencial en este proceso. Elimina electrones adicionales del haz de partículas cargadas para acelerarlo de manera más eficiente.

El haz de FRIB es demasiado potente para un separador de carga convencional hecho de papel de carbono. Este tipo de separador de carga sufriría graves daños térmicos y de radiación, lo que limitaría su vida útil y la potencia del haz. Para superar esto, FRIB desarrolló y demostró un extractor de carga de litio líquido de última generación. Dado que se autorepone, este nuevo eliminador de carga es un eliminador de calor superior y no puede dañarse con la radiación.

Los científicos consideraron dos diseños alternativos al diseñar el separador de carga de FRIB. Incluso el separador de carga de lámina de carbono de mejor rendimiento solo duraría seis horas en FRIB. Otro tipo de separador de carga autorrecargable es un separador de gas.

Si bien esto puede durar indefinidamente, el estado de carga del haz después del separador de carga de gas es significativamente más bajo que después de un separador de carga sólida o líquida. El estado de carga del ion es igual al número de electrones extraídos de un átomo neutro. Cuanto mayor sea el estado de carga, más aceleración puede proporcionar el acelerador al ion.

Un separador de carga de litio líquido tiene una doble ventaja:puede producir un estado de carga tan alto como un separador de carga sólida y durar indefinidamente. Esta nueva tecnología ayudará a FRIB a acelerar haces de iones pesados de hasta 400 kilovatios y abrirá nuevas posibilidades en varios otros desarrollos de aceleradores de alta potencia.

Se necesitan instalaciones de haz de iones pesados de alta potencia como FRIB para permitir descubrimientos fundamentales de la ciencia nuclear. FRIB permite a los científicos estudiar las propiedades de los isótopos raros, la astrofísica nuclear, las interacciones fundamentales y las aplicaciones para la sociedad, incluso en la medicina, la seguridad nacional y la industria. En tales aceleradores, los separadores de carga juegan un papel esencial en la aceleración efectiva de los haces.

Sin embargo, el separador de carbono convencional es el cuello de botella, lo que limita la potencia del haz. En esta investigación, una película de litio líquido con un espesor de 10 a 20 micrómetros (alrededor de una décima parte del espesor de un cabello humano), que fluye a más de 50 metros por segundo (180 kilómetros por hora o 112 millas por hora) fue estable. formado en la línea de luz del acelerador en FRIB, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) en la Universidad Estatal de Michigan.

Se aplicaron haces de xenón, argón y uranio a la película y se midió su estabilidad y capacidad de pelado. Los resultados mostraron que la película de litio era un eliminador de iones pesados eficaz, incluso con el haz de uranio. Junto con el éxito de un experimento anterior de demostración de alta potencia en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE, la investigación mostró por primera vez que el separador de carga de litio líquido puede aumentar significativamente la potencia del acelerador más allá del límite actual.

La investigación se publica en Physical Review Letters . + Explora más