Alta tensione per l'acceleratore di particelle del futuro
I ricercatori dell'ETH di Zurigo sono stati incaricati dal Cern di sviluppare un dispositivo ad alta tecnologia per generare impulsi ad alta tensione molto precisi. Potrebbe essere utilizzato nella prossima generazione di acceleratori di particelle.
L'applicazione più nota degli impulsi ad alta tensione è probabilmente quella dei recinti elettrici per pascoli. Tuttavia, anche gli acceleratori di particelle di grandi strutture di ricerca come il Cern di Ginevra si affidano a generatori di impulsi ad alta tensione che, a differenza dei recinti elettrici, generano impulsi con energia e tensione molto più elevate. Al Cern sono in corso i lavori preparatori per il prossimo grande progetto di ricerca che inizierà nel 2025. Uno dei due progetti candidati è la costruzione di un acceleratore lineare lungo 50 chilometri in un tunnel che si estenderà da Nyon al Rodano vicino a Bellegarde in Francia (Progetto Clic, vedi riquadro). Nell'ambito di una collaborazione con il Cern, i ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un generatore di impulsi necessario per questo acceleratore. Pochi giorni fa hanno consegnato il loro prototipo al Cern. Ora è in fase di collaudo.
Il generatore di impulsi, grande circa tre metri cubi, genera impulsi di 180.000 volt dalla tensione di 400 volt della rete elettrica pubblica, della durata esatta di 140 milionesimi di secondo. Per garantire che la rete elettrica pubblica sia caricata in modo uniforme e non sia disturbata dai picchi degli impulsi, 8 condensatori grandi e quasi 200 piccoli (unità di accumulo intermedie) vengono continuamente caricati all'interno del generatore di impulsi e poi scaricati 50 volte al secondo. Un trasformatore appositamente sviluppato garantisce il raggiungimento della tensione di uscita desiderata nel modo più rapido ed efficiente possibile.
Diverse centinaia di stadi di accelerazione
Elettroni e positroni (antiparticelle degli elettroni) saranno accelerati nel possibile futuro grande progetto di ricerca del Cern. "L'accelerazione avviene in un klystron. Questo dispositivo si basa su impulsi ad alta tensione forniti dal nostro generatore di impulsi", spiega Jürgen Biela, professore di elettronica di alta potenza all'ETH di Zurigo. In un klystron, gli impulsi di 140 microsecondi vengono utilizzati per generare un campo alternato ad altissima frequenza. Gli elettroni o i positroni vengono accelerati in questo campo alternato.
Se l'acceleratore Clic verrà costruito, saranno necessari un migliaio di klystron per accelerare elettroni e positroni in fasi successive fino a raggiungere quasi la velocità della luce. Ogni klystron sarebbe alimentato da un proprio generatore di impulsi.
Misure in tempo reale per la massima efficienza
Una delle sfide più grandi per gli scienziati dell'ETH è stata quella di costruire il generatore di impulsi in modo che gli impulsi generati siano tutti esattamente della stessa lunghezza e la loro tensione sia la stessa con una tolleranza relativa di appena un centomillesimo. Il Cern ha inoltre richiesto che durante un impulso la tensione salti con estrema rapidità da 0 a 180.000 volt e viceversa. Per ottenere questo risultato, il dispositivo misura il flusso di corrente centinaia di migliaia di volte al secondo e lo controlla in tempo reale.
"Con un salto d'impulso più lento, una maggiore quantità di energia inutilizzata verrebbe trasferita al klystron, riducendo così l'efficienza energetica del generatore d'impulsi", spiega Sebastian Blume. Egli ha svolto un ruolo chiave nello sviluppo del generatore di impulsi come parte della sua tesi di dottorato nel laboratorio di Biela. L'efficienza è fondamentale perché la quantità di energia coinvolta è relativamente alta: un generatore di impulsi ha una potenza più di cento volte superiore a quella di una lavatrice o di un grande aspirapolvere.
L'ETH Biela ha svolto un ruolo chiave nello sviluppo dei generatori di impulsi per SwissFEL, la sorgente di radiazione di sincrotrone inaugurata pochi mesi fa all'Istituto Paul Scherrer. Questo fa parte di un progetto congiunto con l'azienda svizzera di ingegneria elettrica Ampegon.
Acceleratore lineare o acceleratore ad anello?
L'acceleratore di particelle LHC (Large Hadron Collider) del Cern dovrebbe rimanere in funzione fino al 2035 o 2040. Per il periodo successivo, sono attualmente in discussione due possibili programmi di ricerca su larga scala, in competizione tra loro. Il Cern deciderà probabilmente quale di questi sarà realizzato entro i prossimi tre anni.
Nel progetto Clic (Compact Linear Collider), gli elettroni saranno accelerati da un'estremità e i positroni dall'altra verso il centro del tunnel in un tunnel lungo 50 chilometri, dove si scontreranno tra loro. Con un acceleratore lineare di questo tipo, le particelle elementari come il bosone di Higgs potranno essere misurate in modo molto più preciso di quanto sia attualmente possibile con l'LHC o di quanto sarebbe possibile con il secondo progetto futuro in discussione, l'FCC (Future Circular Collider).
Quest'ultimo prevede un anello acceleratore con una circonferenza di 80-100 chilometri. In confronto, l'LHC ha una circonferenza di 27 chilometri. L'FCC raggiungerebbe un'energia di collisione sette volte superiore a quella dell'LHC. Rispetto a Clic, avrebbe il vantaggio di poter scoprire più facilmente nuovi effetti e particelle fondamentali.
