Obtido primeiro feixe de elétrons em teste com acelerador supercondutor (Superconducting Test Accelerator Achieves First Electron Beam)

As primeiras cavidades SRF do acelerador supercondutor no Fermilab impulsionaram seus primeiros elétrons.

Os mais novos aceleradores de partículas e os do futuro serão construídos com cavidades supercondutoras de rádio-freqüência (SRF), e instituições de todo o mundo estão trabalhando duro para desenvolver esta tecnologia. O teste do acelerador supercondutor do Fermilab foi construído para tirar proveito da pesquisa e desenvolvimento do acelerador com tecnologia SRF. Depois de sete anos de planejamento e construção por cientistas e engenheiros, o acelerador emitiu o seu primeiro feixe.

O acelerador de teste supercondutor do Fermilab é um acelerador linear com três componentes principais: uma fotoinjetor que inclui um canhão de RF acoplado a um sistema de laser ultravioleta, vários criomódulos e um feixe de luz. Feixes de elétrons são produzidos quando impulso ultravioleta gerado pelo laser atinge um cátodo localizado na placa traseira do canhão. Aceleração continua através de duas cavidades no interior dos criomódulos SRF. Depois de sair dos criomódulos, os feixes viajam abaixo de um feixe de luz, onde os pesquisadores podem avaliá-los.

Cada metro de comprimento da cavidade consiste em nove células feitas de nióbio de alta pureza. De modo a torná-las supercondutoras, as cavidades são mergulhadas em um vaso cheio de hélio líquido a temperaturas próximas do zero absoluto.

Os pulsos através destas cavidades criam um campo elétrico oscilante que percorre as células. Se as partículas carregadas estiverem em fase com as ondas oscilantes, elas são empurradas para frente e impulsionadas para baixo do acelerador.

A principal vantagem da utilização de supercondutores é a ausência de resistência elétrica que permite toda a energia que passa através das cavidades seja utilizada para acelerar as partículas, criando aceleradores mais eficientes.

“É mais retorno para os investimentos”, disse Elvin Harms, um dos líderes do esforço do comissionamento.

O teste do acelerador supercondutor produziu elétrons pela primeira vez em junho de 2013. Na execução atual, os elétrons estão sendo arremessados por um criomódulo de cavidade única, com um segundo modelo melhorado a ser instalado nos próximos meses. Os planos futuros pretendem acelerar o feixe de elétrons através de um criomódulo de oito cavidades, CM2, que foi o primeiro a alcançar as especificações propostas do Internacional Linear Collider (ILC).

O Fermilab é uma das poucas facilidades que oferece espaço para pesquisa avançada e desenvolvimento de acelerador. Esses experimentos vão ajudar a definir o cenário para futuros aceleradores supercondutores, como o Linac Coherent Light Source II, dos quais o Fermilab é um dos vários laboratórios parceiros.

“O LINAC é semelhante a outros aceleradores que existem, mas a capacidade de usar esse tipo de instalação para realizar experimentos científicos e treinar os alunos, é única”, disse Philippe Piot, físico do Fermilab e professor da Northern Illinois University, líder de um dos primeiros experimentos de teste no acelerador. Uma equipe do Fermilab foi designada e está começando a construir o anel Integrable Optics Test Accelerator, um anel de armazenamento que será anexado ao acelerador de teste supercondutor nos próximos anos.

“Isso consolida o fato de que o Fermilab tem construído a infra-estrutura para dominar a tecnologia SRF”, disse Harms. “Essa é a joia da coroa: dizer que podemos construir os componentes, colocá-los juntos, e agora podemos acelerar um feixe”.

Fonte1: http://www.labmanager.com/news/2015/04/superconducting-test-accelerator-achieves-first-electron-beam?fw1pk=2#.VSul9pNwv8J

Fonte2: http://www.fnal.gov/pub/today/archive/archive_2015/today15-03-30.html

Eletroímãs supercondutores do LHC: grandes desafios da engenharia (Superconducting electromagnets of the LHC)

Foto: Maximilien Brice, CERN

A maioria das pessoas está familiarizada com ímãs, mas podem não saber que estes são parte integrante de quase todos os modernos aceleradores de partículas. Esses ímãs não são o mesmo que você põe na geladeira. Embora tenham um polo norte e sul, assim como seus ímãs fazem, ímãs de acelerador exigem um pouco de engenharia.

     Quando uma partícula carregada eletricamente, como um próton, se move através de um campo magnético constante, descreve um percurso circular. O tamanho do círculo depende da força dos magnetos e da energia do feixe. Aumentar a energia, o anel se torna maior; aumentar a força dos ímãs, o anel fica menor.

     O Large Hadron Collider é um acelerador, uma palavra crucial que nos lembra que podemos usá-lo para aumentar a energia das partículas do feixe. Se a força dos ímãs permanecer a mesma, então quando aumentarmos a energia do feixe, o tamanho do anel terá que aumentar. Uma vez que o tamanho do anel permanece necessariamente o mesmo, é preciso aumentar a força dos ímãs quando a energia do feixe é aumentada. Por essa razão, os aceleradores de partículas usam um tipo especial de ímã.

     Quando uma corrente elétrica passa através de um fio, ela cria um campo magnético; a intensidade do campo magnético é proporcional à quantidade de corrente elétrica. Ímãs criados dessa forma são chamados de eletroímãs. Ao controlar a quantidade de corrente, podemos fazer eletroímãs de qualquer força que queremos. Podemos até mesmo inverter a polaridade do ímã, invertendo a direção da corrente.

     Dada a ligação entre corrente elétrica e campo magnético, é claro que precisamos de grandes correntes em nossos ímãs aceleradores. Para conseguir isso, usamos os supercondutores, materiais que perdem sua resistência à corrente elétrica quando são arrefecidos o suficiente. E ‘resfriar’ é um eufemismo. Em 1,9 Kelvin, os centros dos ímãs do LHC são um dos lugares mais frios do universo – mais frio do que a temperatura do espaço entre as galáxias.

     Dado o papel central dos ímãs em aceleradores modernos, os cientistas e engenheiros do Fermilab e CERN estão constantemente trabalhando para torná-los ainda mais fortes. Embora os principais ímãs do LHC gerem um campo magnético cerca de 800.000 vezes o da Terra, aceleradores futuros exigirão ainda mais. A tecnologia de eletroímãs é uma parte vibrante e crucial de futuros dos laboratórios.

Fonte: http://www.symmetrymagazine.org/article/january-2015/superconducting-electromagnets-of-the-lhc