Pesquisadores da Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada (ATAP) do Laboratório Berkeley se uniram a colegas da Instalação de Feixes de Isótopos Raros (FRIB) da Universidade Estadual de Michigan, o acelerador de íons pesados mais poderoso do mundo, para desenvolver um novo ímã supercondutor baseado na tecnologia de nióbio-estanho (Nb 3 Sn).

Este ímã, o primeiro do gênero, pode melhorar significativamente o desempenho do FRIB e aumentar suas capacidades, abrindo novas aplicações na medicina, indústria e pesquisa. O artigo foi publicado no periódico IEEE Transactions on Applied Superconductivity .

No FRIB, feixes de átomos ionizados (íons) de elementos que abrangem a tabela periódica, incluindo elementos pesados como urânio, são acelerados à metade da velocidade da luz. Quando esses feixes colidem com um alvo, eles se quebram para criar isótopos de vida curta.

Ao estudar esses isótopos raros, alguns dos quais nunca foram observados, os cientistas podem entender melhor a estrutura da matéria e a formação do nosso universo.

"Um componente essencial do FRIB é uma fonte de íons de ressonância de ciclotron de elétrons, ou ECRIS, que cria íons de alta corrente e alto estado de carga para injeção na linha de luz do acelerador", explica Tengming Shen, cientista da equipe do Programa de Ímãs Supercondutores (SMP) do ATAP, que está liderando o desenvolvimento do novo ímã.

"Este ECRIS usa um ímã sextupolo e um solenóide para confinar os elétrons e íons em um plasma. Os elétrons são então aquecidos com micro-ondas de alta frequência (28 GHz), criando elétrons de alta energia que retiram elétrons de átomos neutros no plasma para produzir íons de alto estado de carga." (Esta configuração, observa Shen, é baseada no design Versatile ECRIS for Nuclear Science (VENUS) usado no acelerador de ciclotron do Berkeley Lab.)

Fabricado no Berkeley Lab, este ímã sextupolo é enrolado com bobinas supercondutoras de nióbio-titânio (Nb-Ti). No entanto, ímãs de Nb-Ti de 28 GHz têm um campo de pico de 6,7 tesla (T) nas temperaturas do hélio líquido (4,2 Kelvin, -452,1°Fahrenheit) nas quais o ECIRS é operado.

Shen diz que para melhorar o desempenho da instalação e expandir sua gama de aplicações, o ECRIS precisa ser construído com ímãs que possam produzir campos magnéticos mais altos para permitir a operação em frequências de micro-ondas mais altas.

"Nosso objetivo é aumentar a frequência de micro-ondas para mais de 45 GHz. Nessa frequência, o pico do campo magnético aumenta para 10,8 T; no entanto, a capacidade de condução de corrente do material Nb-Ti diminui significativamente."

Para esse fim, os pesquisadores escolheram um projeto de ímã baseado em bobinas supercondutoras feitas de Nb 3 Sn. Bobinas feitas de Nb 3 Sn podem transportar uma alta densidade de corrente de mais de 100 amperes por milímetro quadrado em campos magnéticos muito mais altos — potencialmente até 22 T — do que aqueles produzidos por Nb-Ti a 4,2 K.

Entretanto, embora as propriedades supercondutoras do Nb 3 Sn excedam as do Nb-Ti, Shen diz que as características condutoras do Nb 3 Sn são muito diferentes das do Nb-Ti.

"Por exemplo, diferentemente do Nb-Ti, o Nb 3 Sn é quebradiço e sensível à deformação. Além disso, as bobinas feitas de Nb 3 Sn sofrem alterações dimensionais durante a fabricação, o que exige maior gerenciamento do processo de fabricação.

"Além disso, o ímã é construído usando pequenos condutores em vez dos grandes cabos Rutherford usados nos projetos atuais de ímãs e requer cerca de trezentas voltas para cada bobina."

Ele diz que esses fatores aumentam a complexidade da produção das bobinas e da montagem do ímã.

"Consequentemente", ele continua, "fabricar bobinas de Nb 3 Sn é mais desafiador, especialmente para este ímã pioneiro para o qual não existe nenhum projeto atualmente. Portanto, criar tal ímã requer ampla experiência em projetar e fabricar ímãs supercondutores."

Felizmente, o Berkeley Lab tem experiência considerável trabalhando com ímãs baseados em Nb 3 Sn. No ano passado, por exemplo, o Lab fabricou e montou com sucesso o primeiro conjunto de ímãs quadripolares feitos de cabos supercondutores de Nb 3 Sn.

Este trabalho faz parte da contribuição contínua do Projeto de Atualização do Acelerador dos EUA para o Projeto de Atualização do Acelerador do Grande Colisor de Hádrons de Alta Luminosidade, que visa aprimorar as capacidades do Grande Colisor de Hádrons, prometendo novas descobertas em física de partículas e de alta energia.

O desenvolvimento deste ímã ECRIS "é um excelente exemplo de como a P&D de ímãs aceleradores de alto campo para futuros aceleradores pode beneficiar outras aplicações científicas", diz Soren Prestemon, vice-diretor de tecnologia da ATAP e chefe do SMP.

"Além disso, oferece uma excelente oportunidade para nossa talentosa equipe de cientistas, engenheiros e equipe técnica contribuírem diretamente para instalações novas e operacionais como o FRIB e para o avanço da pesquisa em física de altas energias."

Shen diz que a equipe já conduziu vários cálculos de projeto magnético e mecânico para gerenciar a natureza sensível a manchas do Nb 3 Sn.

"Também avaliamos o processo de fabricação do condutor, conduzimos testes de enrolamento e fabricação e desenvolvemos um novo design que aborda os desafios da fabricação de bobinas. Estamos perto de concluir a bobina de prática, o design de ferramentas, os procedimentos de fabricação e os processos."

Ele acrescenta que o trabalho já começou a enrolar uma bobina protótipo de tamanho normal, e eles pretendem testar uma versão de comprimento total em breve para verificar seu desempenho supercondutor. Se o teste for bem-sucedido, ele diz que planejam desenvolver, construir e testar um sistema de 28 GHz com "um olho para atualizações futuras".

De acordo com Jie Wei, diretor da Divisão de Sistemas de Aceleração da FRIB e principal colaborador da instalação no trabalho, o novo design de ímã baseado na tecnologia Nb 3 Sn "levará a um campo magnético mais alto do que a fonte atual de Nb-Ti, oferecendo desempenho superior e ao mesmo tempo uma margem de segurança maior. Mais importante, ele permite um novo design de fonte ECR para operar em frequências mais altas (até 45 GHz) e maior potência de plasma."

Quando concluído, ele diz que o ímã "garantirá que o FRIB permaneça na fronteira da pesquisa científica fundamental".