ULVAC lança nióbio de alta pureza para aceleradores de partículas supercondutores (ULVAC Launches High-purity Niobium Material for Superconducting Accelerators)

Com uma taxa de resistência residual superior a 250, o nióbio de alta pureza é adequado para aceleradores supercondutores usados para acelerar partículas carregadas como elétrons, pósitrons, prótons e átomos ionizados.

A empresa ULVAC anuncia que desenvolveu nióbio de alta pureza para aceleradores de partículas supercondutores e vai começar a vender o material.

Há uma grande expectativa no uso de aceleradores de partículas supercondutores em uma ampla variedade de áreas, incluindo física de partículas, análise de estruturas de proteínas e separação e transmutação de resíduos altamente radioativos. Aceleradores supercondutores são usados ​​para acelerar partículas carregadas (elétrons, pósitrons, prótons e átomos ionizados).

O nióbio (Nb), que se torna supercondutor à temperatura mais alta (9,25 K) entre os metais puros, é usado como material em cavidades de aceleração. O nióbio para uso nestas cavidades deve ter uma taxa de resistência residual (RRR) superior a 250. A taxa de resistência residual é um índice da pureza do material que é calculado pela razão entre a resistividade elétrica à temperatura ambiente e a resistividade elétrica acima da temperatura de transição supercondutora (T_c). Quanto maior a taxa, maior será a sua pureza.

       Para aumentar a pureza do nióbio, a ULVAC otimizou várias condições como a seleção de matérias-primas, o grau do vácuo e a velocidade de fusão, produzindo com sucesso lingotes de nióbio com uma RRR superior a 250.

      

As características do produto são:

1) Lingotes de nióbio de alta pureza com uma RRR superior a 250

2) Material com um gradiente de campo elétrico de 41 MV/m

3) Produção integrada de placas, barras e tubos de lingotes de nióbio

4) Tubos sem solda e outros produtos processados ​​também estão disponíveis

       Atualmente, cavidades de aceleração são fabricadas com placas de nióbio moldadas em prensa na forma de taça e as peças são soldadas por feixes de elétrons. Há preocupação com a diminuição do rendimento resultante de defeitos da solda, bem como um declínio no desempenho causado por grânulos de solda dentro das cavidades. Para resolver esses problemas, pesquisas estão em desenvolvimento na produção de cavidades de aceleração sem solda.

A fabricação de tubos sem solda usa um método de moldagem que coloca o material em forma de tubo num molde de metal dentro de um dispositivo selado e impõe alta pressão sobre o líquido injetado no interior do tubo para inflar o material na forma do molde. Essa técnica deve reduzir de forma significativa a necessidade de soldagem, aumentando assim o rendimento e evitando a redução na capacidade de aceleração.

Fonte: http://news.thomasnet.com/fullstory/niobium-material-targets-superconducting-accelerators-20046572

Próxima geração de aceleradores de partículas com filmes finos de nióbio (A grad student works toward the next generation of particle accelerator)

Matthew Burton (à direita) e sua orientadora Ale Lukaszew estão trabalhando em melhorias de um importante componente de aceleradores de partículas.

É preciso um grande instrumento para investigar uma partícula pequena. Os aceleradores de partículas, usados ​​pelos físicos para estudar as partículas elementares, são geralmente construídos no subsolo e seu tamanho é muitas vezes medido em milhas. Como o conhecimento das partículas fundamentais avança através de novas descobertas, os cientistas precisam de melhores aceleradores de partículas. Matthew Burton trabalha para fazer um acelerador melhor.

       Burton está se concentrando em um componente acelerador chamado cavidade ressonante de rádio-frequência (RF). As cavidades de RF são supercondutores em forma de anel que aceleram as partículas de modo que possam colidir umas com as outras em um esforço para dividi-las em seus componentes menores. As RF supercondutoras (SRF) usadas atualmente são feitas de nióbio, um metal que deve ser resfriado a -257 °C para se comportar como um supercondutor. O acelerador no JLab usa 338 cavidades de nióbio.

Um técnico do Jefferson Lab examina uma cavidade RF. O acelerador de partículas do JLab contém mais de 300 desses componentes supercondutores.

       Burton explicou que as cavidades feitas de nióbio apresentam alguns problemas. Por um lado, o nióbio é um metal altamente caro e também tem inconvenientes técnicos relacionados com a sua capacidade de conduzir o calor. Além disso, as cavidades SRF de nióbio têm progredido a um ponto em que exige-se um novo tipo de cavidade que ofereça um desempenho além do que o nióbio pode proporcionar.

       Para encarar estes problemas, Burton tem duas abordagens: uma é testar a possibilidade de utilizar filmes finos à base de nióbio para o revestimento das cavidades de cobre, que é mais barato e um condutor de calor mais eficiente. Outra é usar os filmes finos em multicamadas para criar uma cavidade ainda melhor com outros materiais adequados.

       Segundo Ale Lukaszew, “se o CERN tivesse as cavidades com a qualidade que temos hoje, o famoso bóson de Higgs teria sido descoberto há 25 anos. As cavidades que o CERN estava usando para realizar os experimentos na época chegou a um nível de energia muito abaixo do que era necessário para provar a existência do bóson de Higgs”, explicou.

       O processo de alinhar as cavidades com filmes finos oferece vários desafios. Lukaszew explicou que o filme deve ter espessura uniforme em toda a cavidade e também deve ter as qualidades de superfície adequadas. A menor imperfeição pode interromper seu caráter supercondutor.

       Burton explicou que a técnica de forrar as cavidades com filmes finos foi testada, mas principalmente com amostras de tamanho maiores. Amostras assim fornecem uma ideia de como a cavidade se comportaria se todo o interior for revestido com uma película fina. Burton estará entre os primeiros a tentar cavidades totalmente revestidas com um filme fino de nióbio. Ele está trabalhando com um processo chamado High Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS) para produzir filmes mais densos e uniformes por toda a cavidade. “Isso nunca foi usado antes. Nosso objetivo é utilizar esta nova técnica para tentar obter um melhor controle sobre a densidade dos filmes”, disse Burton.

       Os cientistas que tentam produzir uma cavidade com filmes finos de nióbio estão correndo contra o relógio. Lukaszew explicou que o CERN já começou a atualizar seus aceleradores de partículas: “Eles precisam de uma resposta no prazo de quatro anos, se o que estamos fazendo é melhor do que as cavidades atuais, então elas vão ser implementadas no CERN”.

       A segunda fase do trabalho baseia-se em uma ideia de um físico teórico, Alexander Gurevich, que propôs um modelo usando filmes finos em multicamadas para aumentar o campo de aceleração das cavidades. Gurevich propôs que a superfície interior das cavidades devem ser revestidas com filmes finos alternando camadas supercondutoras e isolantes para aumentar o campo de aceleração das cavidades. “Se você faz cada camada fina o suficiente ela vai ter um campo crítico maior”, disse Burton. Quanto mais energia for inserida no interior das cavidades, mais rápido as partículas irão acelerar. As camadas alternadas permitem que as cavidades suportem campos de aceleração mais elevados.

       “A teoria prevê que você pode chegar ao dobro do campo máximo de aceleração fora destas cavidades. Assim, você pode fazer um acelerador com a metade do seu tamanho atual”. Aceleradores de partículas menores podem ser instalados em portos e em locais estratégicos semelhantes para verificar a presença de material nuclear. “Se você tiver uma cavidade reforçada que permita obter duas vezes o campo de aceleração, você pode fazer um acelerador que se encaixa em um porto de embarque. Você pode até mesmo encaixar na parte traseira de um caminhão pequeno”, disse ele. Este será o primeiro teste do modelo Gurevich em cavidades reais.

Fonte: https://www.wm.edu/news/stories/2015/a-grad-student-works-toward-the-next-generation-of-particle-accelerator123.php

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

Acelerador de íons pesados feito com material supercondutor (Superconducting accelerator for heavy ion accelerator developed domestically)

Ressonador de onda

       Pesquisadores coreanos desenvolveram com sucesso um acelerador supercondutor, conhecido como o dispositivo central de aceleradores de íons pesados. O acelerador supercondutor será aplicado a uma série de pesquisas como uma parte crucial das áreas da ciência médica e bioengenharia. A equipe de construção do acelerador de íons pesados no âmbito do Instituto de Ciências Básicas construiu o acelerador supercondutor e passou no teste de desempenho pelo laboratório nacional do Canadá de partículas e física nuclear (TRIUMF). A Coréia tornou-se o oitavo país do mundo a adquirir a tecnologia.

Um acelerador supercondutor é um cilindro em forma de tubo de vácuo que aumenta a velocidade dos íons pesados ​​altamente carregados perto da velocidade da luz. Feito de supercondutor de nióbio (Nb), o acelerador supercondutor anula a resistência elétrica próximo do zero absoluto -273,15 °C. O acelerador supercondutor desenvolvido é um ressonador de onda (SCL1) utilizado em baixa energia.

Um pesquisador do Instituto de Ciências Básicas afirmou que a tecnologia de produção do acelerador supercondutor pode ajudar a salvar o custo da construção e facilitar a entrada no mercado global de empresas coreanas envolvidas no processo de desenvolvimento. O acelerador pode ser construído pela metade do preço.

O líder da equipe do projeto disse que vai apoiar ativamente a produção de outros dispositivos-chave, tais como um módulo do termostato de baixa temperatura e um magneto supercondutor de alta temperatura, sem falar nos dois outros tipos de aceleradores até o final do ano para alcançar a taxa de 65% da produção interna.

Fonte: http://www.whowired.com/406784.htm

Acelerador Linear de Elétron produz primeiro feixe de partículas (Canada's Superconducting Electron Linear Accelerator produces first beam)

        Em 30 de setembro, o recém-construído acelerador linear de elétrons produziu seu primeiro feixe de partículas a uma energia inicial de 23 MeV. A tecnologia de aceleração foi projetada e construída em cooperação com instituições e indústrias em todo o país.

O Advanced Rare Isotope Laboratory (ARIEL) está a caminho de se tornar uma das mais sofisticadas instalações de isótopos raros do mundo. A conclusão bem-sucedida do projeto é fruto de uma colaboração notável entre TRIUMF, a indústria canadense, e 13 universidades liderado pela Universidade de Victoria.

O Dr. Gilles Patry, presidente e CEO do TPI, declarou: “A tecnologia desenvolvida tem o potencial para abrir novos caminhos para toda uma série de produtos inovadores e aplicações da ciência e da medicina que irão beneficiar os canadenses.”

ARIEL é composto de muitos sistemas complexos - incluindo cavidades supercondutoras de radiofreqüência (SRF) para aceleração de partículas - cujos milhares de componentes devem trabalhar em conjunto com tolerâncias extremas a fim de obter feixes com sucesso.

Fonte: http://phys.org/news/2014-10-canada-superconducting-electron-linear.html