Het gebruik van deeltjesversnellers beperkt zich niet tot fundamenteel onderzoek in de hoge-energiefysica. Hiervoor worden grootschalige versnellers en gigantische instrumenten zoals de Large Hadron Collider (LHC) ingezet, maar relatief kleine versnellers worden gebruikt in de geneeskunde (diagnostische beeldvorming, kankerbehandeling), industrie (voedselsterilisatie, vracht scannen, elektronische techniek), en verschillende soorten onderzoek (olieprospectie, archeologisch onderzoek, analyse van kunstwerken).

Wat het gebruik ook is, het beheersen van chaos en het vergroten van de efficiëntie van de deeltjesstroom zijn de doelen van de wetenschappelijke gemeenschap op dit gebied.

Een paper waarin een nieuwe bijdrage in deze richting wordt beschreven, is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Fysica van plasma's door Meirielen Caetano de Sousa, een postdoctoraal student met een beurs van São Paulo Research Foundation—FAPESP, werkzaam aan het Physics Institute (IF-USP) van de Universiteit van São Paulo in Brazilië, en haar begeleider Iberê Luiz Caldas, Hoogleraar bij IF-USP.

"We hebben een theoretische studie uitgevoerd met modellering en numerieke simulatie om manieren te onderzoeken om chaos in versnellers te beheersen en de maximale snelheid van versnelde deeltjes te verhogen, ' zei Sousa.

De auteurs ontwierpen een mechanisme gebaseerd op de plaatsing van een transportbarrière om de deeltjes op te sluiten en te voorkomen dat ze van het ene gebied van de versneller naar het andere gaan. Deze procedure is nog niet geïmplementeerd in gewone versnellers, maar wordt gebruikt in tokamaks (experimentele ringkernreactoren die worden gebruikt in kernfusieonderzoek), waar wordt voorkomen dat oververhit plasma door opsluiting van deeltjes in wisselwerking staat met de wanden van het apparaat.

"In tokamaks, de transportbarrière wordt verkregen door middel van elektroden die in de plasmarand worden gestoken om het elektrische veld te veranderen. Dit is nog niet gedaan in versnellers, waarbij de gebruikelijke oplossing is om een ​​elektrostatische golf met goed gedefinieerde parameters aan het systeem toe te voegen, " zei de onderzoeker.

"Als de golf interageert met de deeltjes, het controleert de chaos in het systeem, maar creëert meerdere barrières die de regio niet zo precies afsluiten. Dit is een minder robuuste oplossing. In onze studie, we hebben een systeem met een enkele barrière gemodelleerd volgens dezelfde lijnen als wat er in tokamaks gebeurt."

Deze enkele robuuste barrière zou worden geproduceerd door een resonante magnetische verstoring. In reactie op het RMP, het plasma is beperkt tot een enkel gebied.

"We hebben het model gemaakt en wiskundig beschreven. De numerieke simulaties hebben aangetoond dat het werkt. De volgende stap is om het voorstel naar experimentele natuurkundigen te brengen die het in de praktijk kunnen testen, ' zei Sousa.

De deeltjes worden gegenereerd door een elektronenkanon vanwege het potentiaalverschil tussen anode en kathode of door een laserpuls op het plasma toe te passen. Ze worden versneld door opeenvolgende injecties van energie uit elektromagnetische golven. Interactie tussen de golven en deeltjes zorgt voor chaos. Een experimenteel geteste oplossing in versnellers bestaat uit het toevoegen van een nieuwe golf met parameters die zijn aangepast om het chaotische proces te compenseren.

"Dit werd besproken in een eerder artikel gepubliceerd in 2012 in Fysieke beoordeling E . De methode werkt, maar zoals opgemerkt, het creëert meerdere transportbarrières die gevoelig zijn voor verstoring, waardoor de opsluiting van deeltjes minder effectief is. In deze laatste studie we hebben een oplossing gemodelleerd op basis van een enkele robuuste barrière, die blijft bestaan, zelfs bij hoge verstoringen, ' zei Sousa.

Vervanging van radio-isotopen

De transportbarrière regelt chaos, waardoor de maximale deeltjessnelheid kan toenemen en de vereiste beginsnelheid kan worden verlaagd. Voor een golf met lage amplitude, de gesimuleerde eindsnelheid steeg met 7 procent, en de beginsnelheid daalde met 73 procent.

Voor een golf met een hogere amplitude, het systeem bleek chaotisch zonder de barrière, maar werd geregulariseerd met de barrière. De eindsnelheid steeg met 3 procent, en de beginsnelheid daalde met ongeveer 98 procent. Dit toont aan dat de belangrijkste bijdrage van de transportbarrière een verlaging van de initiële snelheid is die nodig is voor de deeltjes wanneer ze in de versneller worden geïnjecteerd.

"Wat van een versneller wordt verwacht, is dat alle deeltjes aan het einde samen aankomen zonder onderweg te verdwalen, en met min of meer dezelfde energie en snelheid. Als ze zich chaotisch gedragen, dat gebeurt niet, en de straal is voor geen enkele toepassing bruikbaar, ' zei Caldas.

"De emissie van deeltjes voor medisch of industrieel gebruik is nog steeds grotendeels gebaseerd op het gebruik van radioactieve stoffen. Dit veroorzaakt een aantal problemen, zoals vervuiling, verval van het emittermateriaal dat moet worden aangevuld, en hoge kosten. Versnellers vermijden deze problemen en zijn een gedeeltelijke vervanging voor radio-isotopen. Vandaar de sterke interesse in optimalisatie van de werking van de versneller, ", zei de FAPESP-toezichthouder.