Användningen av partikelacceleratorer begränsas inte till grundforskning inom högenergifysik. Storskaliga acceleratorer och gigantiska instrument som Large Hadron Collider (LHC) används för detta ändamål, men relativt små acceleratorer används inom medicin (bilddiagnostik, cancer behandling), industri (livsmedelssterilisering, lastskanning, elektronisk teknik), och olika typer av undersökningar (oljeprospektering, arkeologisk undersökning, analys av konstverk).

Oavsett användning, att kontrollera kaos och öka effektiviteten i partikelflödet är målen för det vetenskapliga samfundet på detta område.

Ett papper som beskriver ett nytt bidrag i denna riktning har nyligen publicerats i tidskriften Plasmas fysik av Meirielen Caetano de Sousa, en postdoktorand med ett stipendium från São Paulo Research Foundation-FAPESP som arbetar vid University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) i Brasilien, och hennes handledare Iberê Luiz Caldas, Full professor vid IF-USP.

"Vi genomförde en teoretisk studie med modellering och numerisk simulering för att undersöka sätt att kontrollera kaos inuti acceleratorer och öka den maximala hastigheten för accelererade partiklar, "Sa Sousa.

Författarna utformade en mekanism baserad på utplacering av en transportbarriär för att begränsa partiklarna och förhindra att de rör sig från en region i acceleratorn till en annan. Denna procedur har ännu inte implementerats i vanliga acceleratorer men används i tokamaks (experimentella toroidala reaktorer som används vid kärnfusionsforskning), där överhettad plasma förhindras genom partikelbegränsning från att interagera med enhetens väggar.

"I tokamaks, transportbarriären erhålls med hjälp av elektroder införda i plasmakanten för att förändra det elektriska fältet. Detta har ännu inte gjorts i acceleratorer, där den vanliga lösningen är att lägga till en elektrostatisk våg med väldefinierade parametrar till systemet, "sa forskaren.

"När vågen interagerar med partiklarna, det kontrollerar kaos i systemet men skapar flera hinder som inte täcker regionen lika exakt. Detta är en mindre robust lösning. I vår studie, vi modellerade ett system med en enda barriär i linje med vad som händer i tokamaks. "

Denna enda robusta barriär skulle produceras av en resonansmagnetisk störning. Som svar på RMP, plasma är begränsat till en enda region.

"Vi skapade modellen och beskrev den matematiskt. De numeriska simuleringarna visade att den fungerar. Nästa steg är att ta förslaget till experimentella fysiker som kan testa det i praktiken, "Sa Sousa.

Partiklarna genereras av en elektronpistol på grund av skillnaden i potential mellan anoden och katoden eller genom att applicera en laserpuls på plasma. De accelereras genom successiva injektioner av energi från elektromagnetiska vågor. Interaktion mellan vågor och partiklar skapar kaos. En lösning som testas experimentellt i acceleratorer består av att lägga till ytterligare en våg med parametrar justerade för att kompensera den kaotiska processen.

"Detta diskuterades i en tidigare artikel som publicerades 2012 i Fysisk granskning E . Metoden fungerar, men som sagt, det skapar flera transportbarriärer som är mottagliga för störningar, gör partikelbegränsning mindre effektiv. I denna senaste studie, vi modellerade en lösning baserad på en enda robust barriär, som fortsätter att existera även i närvaro av höga störningar, "Sa Sousa.

Substitution av radioisotoper

Transportbarriären kontrollerar kaos, tillåta maximal partikelhastighet att öka och minska den erforderliga initialhastigheten. För en våg med låg amplitud, den simulerade sluthastigheten ökade med 7 procent, och initialhastigheten sjönk 73 procent.

För en våg med högre amplitud, systemet visade sig vara kaotiskt utan barriären men reglerades med barriären. Sluthastigheten ökade med 3 procent, och initialhastigheten sjönk cirka 98 procent. Detta visar att transportbarriärens främsta bidrag är en minskning av den initiala hastigheten som krävs för partiklarna när de injiceras i acceleratorn.

"Vad som förväntas av en accelerator är att alla partiklar anländer tillsammans i slutet utan att gå vilse på väg, och med mer eller mindre samma energi och hastighet. Om de beter sig kaotiskt, det händer inte, och strålen är till ingen nytta för någon applikation, "Sa Caldas.

"Partikelutsläpp för medicinsk eller industriell användning är fortfarande mestadels baserad på användning av radioaktivt material. Detta orsakar ett antal problem, som föroreningar, sönderfall av emittermaterial som kräver påfyllning, och höga kostnader. Acceleratorer undviker dessa problem och är ett delvis substitut för radioisotoper. Därav det starka intresset för att optimera acceleratorns funktion, "sade FAPESP -bidragsansvarige.