I ricercatori del Jefferson Lab stanno attualmente indagando su come i magnetron, comunemente utilizzati nei forni a microonde, possano essere impiegati per migliorare l’efficienza degli acceleratori di particelle e ridurre i costi operativi. Questo piccolo ma potente dispositivo potrebbe rivoluzionare le imponenti macchine di ricerca e aprire la strada a future applicazioni industriali.
Il magnetron, un dispositivo tascabile che ha reso popolare il popcorn al microonde, potrebbe presto diventare il motore degli acceleratori di particelle del domani. Questa tecnologia, nata nel 1921 e derivante dalla combinazione delle parole “magnetico” ed “elettrone”, ha avuto un ruolo cruciale durante la Seconda Guerra Mondiale e successivamente è diventata un componente essenziale dei moderni forni a microonde.
Attualmente, fisici e ingegneri presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti stanno esplorando le potenzialità dei magnetron nel guidare acceleratori di particelle ad alte prestazioni. Questa innovazione potrebbe non solo ridurre l’impatto ambientale di queste macchine ad alta intensità energetica, ma anche ampliarne le applicazioni al di là della ricerca scientifica.
Gli acceleratori di particelle sono già utilizzati in diverse tecnologie, come macchine per la terapia del cancro, irraggiatori industriali per la sterilizzazione degli alimenti e la sanificazione della posta. Studi recenti hanno individuato nuove potenzialità nel trattamento dell’acqua, nella fabbricazione chimica e nella sicurezza.
Per rendere praticabili queste future applicazioni ad alta intensità energetica, gli scienziati e gli ingegneri devono trovare soluzioni creative per ridurre i costi e migliorare l’efficienza complessiva degli acceleratori.
Per questo motivo, l’Ufficio della Scienza del DOE sta finanziando una serie di progetti mirati ad adattare gli acceleratori di particelle all’ambito industriale. Guidati dal Jefferson Lab, questi progetti si concentrano su tecnologie di acceleratori compatti abilitati da materiali superconduttori innovativi, attrezzature di raffreddamento disponibili in commercio, apprendimento automatico e l’utilizzo dei magnetron come fonti di campi radiofrequenza (RF).
Questi progetti, finanziati attraverso le opportunità offerte dal DOE come “Research Opportunities in Accelerator Stewardship and Accelerator Development” e “Accelerate Innovations in Emerging Technologies”, mirano a far progredire le tecnologie per rendere gli acceleratori di particelle più compatti ed efficienti.
Haipeng Wang, fisico senior degli acceleratori presso il Jefferson Lab e responsabile dello studio sui magnetron, ha sottolineato l’importanza di sviluppare sistemi magnetron scalabili e a basso costo in grado di guidare acceleratori superconduttori a radiofrequenza (SRF) compatti e potenzialmente portatili.
Ma cosa sono esattamente i magnetron? Questi dispositivi, che generano microonde incrociando un flusso di elettroni con un campo magnetico, sono comunemente utilizzati nei forni a microonde domestici. La versione più diffusa è il magnetron a cavità, un cilindro di rame con un foro centrale circondato da camere forate, che generano onde RF grazie alla corrente elettrica oscillante prodotta dagli elettroni.
Originariamente sviluppati come segreto bellico durante la Seconda Guerra Mondiale, i magnetron hanno trovato successivamente impiego in applicazioni civili come i radar per l’aviazione e la navigazione marittima. Tuttavia, è stato il caso che li abbia portati a una nuova vita, come dimostrato dalla storia di Percy Spencer, l’inventore del forno a microonde commerciale.
Il magnetron, con la sua elevata efficienza energetica superiore al 70%, potrebbe rappresentare una soluzione ideale come fonte RF per gli acceleratori di particelle, offrendo un’efficienza che potrebbe superare il 70%.
Al contrario dei magnetron, che sono oscillatori non lineari, i klystron sono amplificatori lineari utilizzati in molti acceleratori di particelle ad alte prestazioni. Il Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) del Jefferson Lab, ad esempio, si basa su campi RF generati da klystron.
Tuttavia, i magnetron offrono un’efficienza energetica potenzialmente più elevata rispetto ai klystron, fino all’80%, e potrebbero contribuire a ridurre significativamente i costi operativi degli acceleratori di particelle.
Il team del Jefferson Lab sta attualmente affrontando diverse sfide tecniche legate all’utilizzo dei magnetron come fonti RF per gli acceleratori di particelle. L’instabilità a diversi livelli di potenza di uscita è uno dei problemi principali, che richiede soluzioni innovative come l’utilizzo di bobine di filo aggiuntive per regolare il campo magnetico e ridurre il rumore.
Il team sta anche esplorando la possibilità di combinare più fonti magnetron per aumentare l’efficienza energetica complessiva, con l’obiettivo di ridurre i costi operativi e rendere gli acceleratori di particelle più efficienti ed economici.
Questo approccio potrebbe non solo rivoluzionare il settore della ricerca scientifica, ma anche aprire nuove opportunità nel campo industriale e commerciale, offrendo soluzioni energetiche più sostenibili e convenienti.
Links:
