Undersøgelse udvikler en model, der øger effektiviteten af ​​partikelstråler

Brugen af ​​partikelacceleratorer er ikke begrænset til grundforskning inden for højenergifysik. Store acceleratorer og gigantiske instrumenter såsom Large Hadron Collider (LHC) bruges til dette formål, men relativt små acceleratorer bruges i medicin (diagnostisk billeddannelse, kræftbehandling), industri (fødevaresterilisering, lastskanning, elektronikteknik), og forskellige former for undersøgelser (efterforskning af olie, arkæologisk undersøgelse, analyse af kunstværker).

Uanset brug, at kontrollere kaos og øge effektiviteten af ​​partikelstrømme er målene for det videnskabelige samfund på dette område.

Et papir, der beskriver et nyt bidrag i denne retning, er for nylig blevet offentliggjort i tidsskriftet Plasmas fysik af Meirielen Caetano de Sousa, en postdoktor med et stipendium fra São Paulo Research Foundation-FAPESP, der arbejder ved University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) i Brasilien, og hendes vejleder Iberê Luiz Caldas, Fuld professor ved IF-USP.

"Vi udførte et teoretisk studie med modellering og numerisk simulering for at undersøge måder at kontrollere kaos inde i acceleratorer og øge den maksimale hastighed for accelererede partikler, " sagde Sousa.

Forfatterne designede en mekanisme baseret på indsættelse af en transportbarriere for at begrænse partiklerne og forhindre dem i at bevæge sig fra et område af acceleratoren til en anden. Denne procedure er endnu ikke blevet implementeret i almindelige acceleratorer, men bruges i tokamaks (eksperimentelle toroidale reaktorer, der bruges i atomfusionsforskning), hvor overophedet plasma forhindres af partikelindeslutning i at interagere med enhedens vægge.

"I tokamaks, transportbarrieren opnås ved hjælp af elektroder indsat i plasmakanten for at ændre det elektriske felt. Dette er endnu ikke blevet gjort i acceleratorer, hvor den sædvanlige løsning er at tilføje en elektrostatisk bølge med veldefinerede parametre til systemet, "sagde forskeren.

"Når bølgen interagerer med partiklerne, det styrer kaos i systemet, men skaber flere barrierer, der ikke forsegler området så præcist. Dette er en mindre robust løsning. I vores undersøgelse, vi modellerede et system med en enkelt barriere på samme måde som det, der sker i tokamaks. "

Denne enkelt robuste barriere ville blive frembragt af en resonant magnetisk forstyrrelse. Som svar på RMP, plasmaet er begrænset til et enkelt område.

"Vi skabte modellen og beskrev den matematisk. De numeriske simuleringer viste, at den virker. Næste trin er at tage forslaget til eksperimentelle fysikere, der kan teste det i praksis, "Sagde Sousa.

Partiklerne genereres af en elektronpistol på grund af forskellen i potentialet mellem anoden og katoden eller ved at påføre en laserpuls til plasmaet. De accelereres af successive injektioner af energi fra elektromagnetiske bølger. Interaktion mellem bølger og partikler skaber kaos. En løsning, der er testet eksperimentelt i acceleratorer, består i at tilføje endnu en bølge med parametre justeret for at opveje den kaotiske proces.

"Dette blev diskuteret i en tidligere artikel, der blev offentliggjort i 2012 i Fysisk gennemgang E . Metoden virker, men som bemærket, det skaber flere transportbarrierer, der er modtagelige for forstyrrelser, gør partikelindeslutning mindre effektiv. I denne seneste undersøgelse, vi modellerede en løsning baseret på en enkelt robust barriere, som fortsat eksisterer selv i nærvær af store forstyrrelser, "Sagde Sousa.

Substitution af radioisotoper

Transportbarrieren styrer kaos, tillader maksimal partikelhastighed at stige og reducere den nødvendige initialhastighed. For en lavamplitudebølge, den simulerede sluthastighed steg 7 procent, og den indledende hastighed faldt 73 procent.

For en bølge med større amplitude, systemet viste sig kaotisk uden barrieren, men blev reguleret med barrieren. Den endelige hastighed steg 3 procent, og den indledende hastighed faldt cirka 98 procent. Dette viser, at transportbarrierens hovedbidrag er en reduktion af den initiale hastighed, der kræves for partiklerne, når de sprøjtes ind i acceleratoren.

"Hvad der forventes af en accelerator er, at alle partikler ankommer til sidst uden at komme på afveje undervejs, og med mere eller mindre den samme energi og hastighed. Hvis de opfører sig kaotisk, det sker ikke, og strålen er ikke til nogen nytte til nogen anvendelse, "Sagde Caldas.

"Partikelemission til medicinsk eller industriel brug er stadig mest baseret på brugen af ​​radioaktive materialer. Dette forårsager en række problemer, såsom forurening, henfald af emittermaterialet, der kræver genopfyldning, og høje omkostninger. Acceleratorer undgår disse problemer og er en delvis erstatning for radioisotoper. Derfor den stærke interesse for optimering af acceleratorfunktion, " sagde FAPESP-tilskudslederen.