Los haces de iones acelerados se calientan. A medida que las partículas que forman el haz se mueven y se dispersan unas de otras, algunas se aceleran mientras que otras disminuyen la velocidad, lo que conduce a una amplia dispersión en sus velocidades. Esta propagación de velocidades calienta y amplíahaz, lo que crea un desafío para los físicos que intentan hacer que las partículas colisionen, por lo que los físicos del Relativistic Heavy Ion Collider RHIC, una instalación de investigación de física nuclear en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU., están explorando formas de enfriar los hacesy mantenga sus partículas bien compactas
"Le gustaría obtener una temperatura lo más baja posible en el haz", dijo Alexei Fedotov, físico acelerador de Brookhaven Lab que trabaja en RHIC. Una temperatura baja significa partículas muy compactas y una mayor probabilidad de que los iones colisionen.
RHIC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, se trata de producir estos aplastamientos de partículas subatómicas. Sus colisiones de iones pesados como los núcleos de oro les han dado a los científicos su primer vistazo de los componentes básicos de la materia - quarks y gluones - comoexistieron apenas microsegundos después del Big Bang. También han revelado detalles sobre la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos estos bloques de construcción para formar casi toda la masa visible en el universo actual.
Uno de los descubrimientos más profundos de RHIC ha sido la naturaleza "líquida perfecta" del plasma de quarks y gluones que fluye libremente que llenó el universo primitivo. Al emprender un estudio detallado de este plasma de quark-gluon QGP, los científicos esperanpara aprender más sobre cómo el universo evolucionó de una sopa primordial a un lugar lleno de planetas, estrellas y maravillas.
Obtener altas tasas de colisión a baja energía
Como parte de ese objetivo, los físicos de RHIC han estado colisionando haces en una amplia gama de energías para explorar el "diagrama de fase" nuclear, un mapa de las características de la materia nuclear en diversas condiciones de temperatura y densidad.para evidencia de cambios de fase, como los que transforman el agua líquida en vapor y hielo, y también un posible punto crítico, donde el tipo de transición de la materia nuclear ordinaria a QGP en sí cambia de un cruce suave a una transición repentina, como el aguahirviendo en una olla
RHIC tiene muchos datos de colisiones a muy altas energías. Pero para trazar ciertos puntos en el mapa de fase nuclear, los físicos de RHIC tienen que rechazar la energía de colisión.
"RHIC puede operar a una energía más baja para explorar esta parte del diagrama de fase. Pero desafortunadamente, la temperatura de los haces a estas energías aumenta fuertemente debido a que las partículas se dispersan entre sí", dijo Fedotov. Eso significa la tasa delas colisiones, o luminosidad, son demasiado bajas para obtener datos adecuados. "Es por eso que queremos buscar formas de enfriar los rayos, para aumentar la luminosidad", dijo Fedotov.
Usando electrones fríos para enfriar iones
La idea de utilizar un haz de electrones para extraer calor de los iones calientes de RHIC parece bastante simple al principio: "Si tienes algo caliente, quieres poner algo frío en el mismo volumen para que alcancen una temperatura media", dijo FedotovLa temperatura de un haz de partículas es proporcional a la masa de las partículas y la propagación de las velocidades del haz, por lo que los haces formados por electrones de baja masa tienen una temperatura inherentemente más fría que los haces de iones pesados, siempre que los dos se muevan al mismovelocidad.
De hecho, los físicos han estado utilizando esta técnica de "enfriamiento de electrones" para mantener fríos los haces de partículas de relativamente baja energía desde la década de 1970. Utilizan un generador electrostático para crear un haz continuo de electrones fríos e inyectar ese haz en el flujo de ionesA medida que los iones calientes se dispersan de los electrones fríos, abandonan parte de su energía: su calor.
Este método podría funcionar para enfriar haces RHIC a baja energía. Pero eventualmente a los científicos les gustaría usar electrones para enfriar haces RHIC acelerados a miles de millones de electronvoltios, tanto para futuros estudios en RHIC como para lograr la alta luminosidad requerida para unfuturo colisionador de iones de electrones EIC propuesto. El problema es conseguir que los electrones lleguen a esa energía.
"Si tiene un tren que se mueve a alta velocidad y sus electrones se mueven a baja velocidad, no pueden enfriar los iones en el tren ya que no pueden alcanzarlo", dijo Fedotov. "Debe acelerar los electrones parala misma velocidad que los iones para que se muevan juntos para que esta técnica funcione "
Por lo tanto, los físicos de RHIC utilizarán un nuevo enfoque de enfriamiento de electrones basado en la aceleración de radiofrecuencia lineal RF de los haces de electrones durante el siguiente escaneo de energía del haz, con la instalación de los primeros elementos de la sección de enfriamiento para comenzar este diciembre. Nuevos métodos para generarlos haces de electrones de brillo también jugarían un papel clave en un componente acelerador de electrones de recuperación de energía de un EIC.
Photocathodes y una pistola de electrones
El primer paso de los científicos para desarrollar la nueva técnica fue desechar el concepto de un generador electrostático, que, incluso para el enfriamiento continuo con haz de electrones de baja energía, tendría que ser bastante grande, demasiado grande para caber dentro del túnel RHICEn cambio, están desarrollando fotocatodos para instalar en una pistola de electrones de alta corriente. Esta pistola producirá racimos de electrones extremadamente brillantes en lugar de una corriente continua y los acelerará para encontrarse y enfriar los racimos de iones en RHIC.
Los físicos e ingenieros de la División de Instrumentación de Brookhaven Lab han estado trabajando durante muchos años en formas de generar haces de electrones de alto brillo para experimentos de investigación. Sus métodos aprovechan el efecto fotoeléctrico, la tendencia de los materiales a emitir electrones cuando son golpeados por la luzde una longitud de onda apropiada.
"En una pistola de electrones, hay un cátodo y un ánodo. Cuando se aplica un voltaje a uno de ellos, establece un campo eléctrico entre ellos. Parte del cátodo está recubierto con un material fotoemisor, lo que significa que cuandoSi aplica un láser, el efecto fotoeléctrico hace que los electrones salgan. Cuando eso sucede, el campo eléctrico acelera los electrones ", explicó el físico de la División de Instrumentación Triveni Rao." Si acelera los electrones rápidamente, puede mantener el brillo alto ".
Pero incluso las pistolas RF de última generación, fuentes convencionales de haces de electrones de alto brillo, producen una corriente bastante baja, alrededor de 120 billonésimas de amplificador.
"Para el enfriamiento de electrones de baja energía en RHIC, necesitamos generar casi un millón de veces más corriente, aproximadamente 50 miliamperios, para que coincida con la velocidad de los grupos de iones que estamos tratando de enfriar. Y para otras aplicaciones futuras, como una energía-"Acelerador de electrones de recuperación que estamos desarrollando para un colisionador de iones de electrones, necesitaremos decenas de millones de pulsos por segundo", dijo Rao. "Aunque se están desarrollando pistolas de RF de mayor corriente, ninguna está operativa en una instalación todavía. Así que tenemospara repensar todo el concepto: el cátodo, la pistola y cómo manejaremos el rayo ", dijo.
El número de electrones emitidos por un fotocátodo depende de la longitud de onda del láser. Por ejemplo, un fotocátodo de metal típico requiere una longitud de onda láser de aproximadamente 250 nanómetros. Tales láseres de onda corta con suficiente energía son difíciles de producir y notodavía existe. Por lo tanto, el grupo de Rao está tratando de amplificar la salida de electrones desde el otro extremo, desarrollando fotocatodos a partir de materiales que liberan sus electrones más fácilmente en longitudes de onda más largas.
"A diferencia de los fotocátodos metálicos utilizados en las pistolas de RF convencionales, estos nuevos materiales de fotocátodos son muy sensibles a la contaminación por humedad y exposición al oxígeno, por lo que tenemos que fabricarlos en un vacío ultra alto", dijo Rao. Además, los materiales no 'duran tanto como los fotocátodos de metal a granel, por lo que deben reemplazarse con frecuencia, posiblemente con la frecuencia de cada uno o dos días.
sofisticada "maleta" evacuada
Estos problemas de sensibilidad y degradación del material son un desafío particular para una instalación de física en funcionamiento como RHIC, que funciona continuamente, las 24 horas del día, los siete días de la semana, con el túnel del acelerador completamente fuera de los límites durante varios meses a la vez, excepto para períodos de mantenimiento de aproximadamente seis horas una vez cada dos semanas.
"Estamos haciendo muchos experimentos para investigar cómo hacer los mejores fotocátodos, cómo mejorar su eficiencia cuántica, cuántos electrones obtienes por fotón de luz, cómo responden a la contaminación, cuántos necesitaremos, y qué tan rápido podemos reemplazarlos ", dijo Rao.
El esquema actual requiere hacer más de un fotocátodo al día en una cámara de vacío ultraalta en la División de Instrumentación. Adjunto a la cámara, como algo sacado de una película de James Bond, será "la 'maleta' evacuada más sofisticada del mundo"- un aparato portátil hecho de tuberías, cámaras y válvulas que mantendrá el vacío y transportará los fotocátodos, 12 a la vez, a la pistola de electrones en RHIC.
"El Departamento del Acelerador Collider conectará esta maleta a los equipos en el túnel de vacío RHIC para que los fotocátodos se puedan insertar en la pistola mientras aún están bajo vacío ultra alto", dijo Rao. Mientras una maleta está conectada a RHIC, los físicos en Instrumentación lo haránestará haciendo 12 fotocátodos más en otro, y las dos maletas se moverán de un lado a otro entre las instalaciones. En RHIC, un sistema automatizado que mantiene el vacío intercambiará los fotocátodos a medida que se degradan mientras RHIC está funcionando.
"Estamos planeando con suposiciones muy conservadoras, reemplazando los fotocátodos cada día o dos, pero pueden durar más", dijo Fedotov.
Para la prueba de prueba de principio de baja energía, los físicos utilizarán una pistola de electrones de corriente continua CC, diseñada y construida por colaboradores de la Universidad de Cornell. Cornell ha demostrado que esta pistola de CC puede alcanzar los 50nivel de corriente de miliamperios.
"Si podemos demostrar que podemos fabricar y reemplazar los fotocátodos y enfriar eficientemente los racimos de iones de baja energía en RHIC, esta será la primera vez que los racimos de electrones producidos por una pistola de electrones de fotoemisión se usan para enfriar el haz en una instalación operativa,"Dijo Fedotov.
Se necesitarán pistolas de electrones de mayor corriente para proyectos futuros; cosas como el enfriamiento de electrones de alta energía y la construcción de un acelerador de electrones de alto brillo para el EIC propuesto. El éxito de los experimentos de enfriamiento de electrones de baja energía sentaría las bases paraconstruyendo esas tecnologías futuras.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia NP del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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