Física da USP busca mais eficiência para aceleradores de partículas
O uso de aceleradores de partículas não se restringe à pesquisa
fundamental em física de altas energias. Equipamentos de grande porte ou
até mesmo gigantescos, como o Large Hadron Collider (LHC), são
empregados com essa finalidade. Mas também existem aceleradores
relativamente pequenos, utilizados em medicina (exames por imagem ou
tratamento de tumores), na indústria (esterilização de alimentos,
inspeção de cargas, engenharia eletrônica) ou em vários tipos de
investigação (prospecção de petróleo, pesquisa arqueológica, estudo de
obras de arte).
Qualquer que seja o objetivo, controlar o caos e aumentar a
eficiência do fluxo de partículas são alvos da comunidade científica
mobilizada na área.
Uma nova contribuição nesse sentido está em estudo feito
por Meirielen Caetano de Sousa, pós-doutoranda no Instituto de Física da
USP (IF) com bolsa da Fapesp, e seu orientador Iberê Luiz Caldas,
professor titular do IF. Resultados do trabalho foram publicados na
revista Physics of Plasmas.
“O que fizemos foi um estudo teórico, com modelagem e simulação
numérica, visando controlar o caos no interior de aceleradores e
aumentar a velocidade máxima das partículas aceleradas”, disse Sousa
à Agência Fapesp.
O mecanismo idealizado baseou-se na utilização de uma barreira de
transporte, que confina as partículas, impedindo que passem de uma
região do acelerador para outra. Esse procedimento, ainda não efetivado
em aceleradores comuns, já foi observado em tokamaks (reatores de
formato toroidal utilizados em fusão nuclear), nos quais o confinamento
das partículas impede que o plasma superaquecido entre em contato com as
paredes do equipamento.
“Nos tokamaks, a barreira de transporte é obtida por meio de
eletrodos, aplicados nas bordas do plasma, que alteram o campo elétrico.
Em aceleradores, isso ainda não foi realizado. O que já se fez foi
adicionar uma onda eletrostática com parâmetros bem definidos ao
sistema”, disse Meirielen Sousa.
“Ao interagir com as partículas, a onda consegue controlar o caos mas
gera múltiplas barreiras, que não vedam a região de forma tão precisa.
Trata-se de uma solução menos robusta. Em nosso estudo, modelamos um
sistema com uma única barreira, a exemplo do que ocorre em tokamaks”,
explicou.
Essa barreira única robusta seria produzida por meio de uma
perturbação magnética ressonante. Ao responder à perturbação, o plasma
fica confinado em uma só região.
“Criamos o modelo, o descrevemos matematicamente e as simulações
numéricas mostraram que ele funciona. Cabe agora levar a proposta aos
físicos experimentais, para que a solução seja testada na prática”,
afirmou a pesquisadora.
As partículas são geradas por um canhão de elétrons, devido à
diferença de potencial entre o ânodo e o cátodo, ou pela aplicação de um
pulso de laser ao plasma. E são aceleradas por meio de ondas
eletromagnéticas, que lhes fornecem sucessivos aportes de energia. Mas é
justamente a interação entre as ondas e as partículas que gera o caos.
Uma solução, testada experimentalmente em aceleradores, é acrescentar
outra onda, com parâmetros ajustados para compensar o processo caótico.
“Tratamos disso em artigo anterior, publicado em 2012 em Physical Review E.
Esse método funciona, mas, como já falei, cria múltiplas barreiras de
transporte que são suscetíveis a perturbações, e isso torna o
confinamento das partículas menos efetivo. O que modelamos agora foi uma
solução baseada em uma única barreira robusta, que continua existindo
mesmo na presença de perturbações elevadas”, disse Sousa.
.
Substituir radioisótopos
A barreira de transporte controla o caos e possibilita que a
velocidade máxima alcançada pelas partículas aumente e que a velocidade
inicial necessária diminua. Para uma onda de baixa amplitude, a
velocidade final simulada aumentou 7% e a velocidade inicial diminuiu
73%.
Para uma onda de amplitude mais elevada, o comportamento, sem
barreira, mostrou-se bastante caótico. Com a introdução da barreira, ele
foi regularizado. A velocidade final subiu 3% e a velocidade inicial
baixou cerca de 98%. Isso mostra que a principal contribuição da
barreira de transporte é a redução na velocidade inicial que as
partículas devem ter ao serem injetadas no acelerador.
“O que se espera de um acelerador é que todas as partículas cheguem
juntas no final, sem se desviar no caminho, e mais ou menos com a mesma
energia e velocidade. Se elas se comportam de forma caótica, isso não
acontece. E o feixe deixa de servir para qualquer aplicação”, disse
Caldas.
“Hoje em dia, a emissão de partículas, para uso médico ou industrial,
ainda é muito baseada no emprego de materiais radioativos. Decorrem
disso vários problemas, como poluição, decaimento do material emissor
com necessidade de reposição e altos custos. Os aceleradores evitam
esses problemas. A utilização de radioisótopos está sendo parcialmente
substituída por aceleradores. Daí o grande interesse em otimizar o
funcionamento desses equipamentos”, disse o professor do IF.
O artigo Improving particle beam acceleration in plasmas tem autoria de Meirielen Caetano de Sousa e Iberê Luiz Caldas.
José Tadeu Arantes / Agência Fapesp
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