¿Qué tan difícil sería construir un acelerador de partículas decente para un grupo de estudiantes universitarios mecatrónicos?

Los aceleradores de partículas se han construido con éxito para proyectos escolares. Mi propia tesis de licenciatura hace muchos años implicó la configuración de un fusor Farnsworth como generador de neutrones para el análisis de activación, y lo usé como un trampolín en una carrera centrada en las aplicaciones de acelerador de partículas. Sus posibilidades están limitadas por la cantidad de tiempo y fondos que tiene, así como por su conjunto de habilidades anteriores y su nivel de ambición. La tecnología del acelerador va desde pequeñas y simples (líneas de luz de caída potencial y fusores Farnsworth) hasta gigantes y complejas, pero los proyectos realistas emprendidos para los cursos educativos tienden a ser asuntos simples que dependen en gran medida del equipo disponible y la búsqueda oportunista. El mayor error que cometen los estudiantes al abordar un proyecto como este es sobreestimar lo que pueden lograr en el tiempo disponible, a menudo un solo año escolar.

• Esta no debería ser su primera experiencia con electrónica de potencia, aspiradora técnica o uso en talleres mecánicos. Esas son las habilidades previas necesarias para la mayoría de los proyectos de aceleración de partículas. Tener experiencia práctica competente en su equipo al ingresar al proyecto probablemente hará la diferencia entre el éxito, la seguridad y el disfrute de su proyecto con tiempo de sobra, en lugar de luchar sin cesar con detalles frustrantes. La mayoría de los aceleradores, ya sean máquinas de RF o CC, funcionan con sistemas eléctricos muy peligrosos que no perdonarán los errores.
• Su organización necesita apoyar el proyecto. Como mínimo, el asesor de su facultad debe comprometer un espacio dedicado donde pueda trabajar con alto voltaje, radiación, gases comprimidos y sistemas de vacío voluminosos y ruidosos. Una mejor perspectiva implicaría pedir prestado por adelantado muchas de las cosas que necesita, por ejemplo, bombas de vacío; o tener un presupuesto modesto para obtener hardware personalizado.
• Divide y conquistaras. La línea de tiempo se verá menos desalentadora si divide el proyecto en fragmentos o módulos manejables. Planear de esta manera también puede ayudarlo a ver dónde su horario no es realista. Por ejemplo: sistema de vacío, diseño y fabricación de la estructura del acelerador, fuente de alimentación del acelerador, fuente de partículas (fuente de iones o pistola de electrones), componentes objetivo y HEBT, blindaje e ingeniería de seguridad específica del sitio, etc.
• Aprende de los demás. Hay comunidades en línea donde el acelerador de partículas y los proyectos relacionados se discuten todos los días.

• http://www.Fusor.net , del cual soy administrador y al que he contribuido durante casi dos décadas, tiene un foro útil que trata principalmente con fusores Farnsworth configurados como generadores de neutrones.
• La línea de haz de electrones de Van Lee de 1956 de Franklin Lee escrita en Scientific American sigue siendo una piedra de toque relevante para los entusiastas de los aceleradores principiantes, a pesar de que muchos de sus métodos específicos están fechados:
  http://www.sciencemadness.org/ta …
• La disertación doctoral de Raemer Schreiber describe con un detalle fantástico un generador de neutrones de Van de Graaff, muy potente (¡por el momento!) Fabricado en casa a partir de muchas partes estropeadas, incluidos frascos Mason como aisladores de columna. Búscalo a través de las suscripciones electrónicas de tu biblioteca. Schreiber pasó a una distinguida carrera al servicio del Proyecto Manhattan y la propulsión espacial nuclear, entre muchas otras cosas.

No debería ser demasiado difícil. No puedo encontrar una foto del primer ciclotrón de Lawrence (ca. 1932, IIRC); los sitios web parecen haberlo eliminado a favor de varias versiones grandes e impresionantes [en sus opiniones].

Pero el primero era una especie de tamaño de mano hecho aparentemente de cera sellante y trozos caseros. Supongo que fue una burbuja de vidrio soplado aplastada en un disco muy plano con espacio para un bonito camino en espiral dentro después de la evacuación. Por lo tanto, necesitaría puertos para conexiones de vacío y acceso a la región central donde tiene que hacer una fuente de iones, que será complicado, y tal vez un detector interno para informarle si está funcionando.

Luego se hacen los “dees” (D, por su forma) recubriendo el vidrio con una capa gruesa de conductor (probablemente oro o plata, aunque el aluminio podría hacerlo) en todas partes, excepto por una tira en el medio, que sirve como ” brecha ”: trate de mantener la brecha lo más uniforme posible.

Necesitará una bomba de vacío bastante buena, obviamente, y por supuesto un buen electroimán lo suficientemente grande como para que la cámara de vacío se ajuste perfectamente entre las puntas de los postes. Si desea que funcione bien, necesitará hacer un ajuste de imán para obtener el campo correcto.

Finalmente, necesita una fuente de alimentación de alto voltaje con frecuencia variable o exactamente la frecuencia que necesita para que coincida con la resonancia del ciclotrón para el campo magnético elegido.

Luego, ensamble y pruebe, desde detrás de algún blindaje. Probablemente no necesitará el blindaje, especialmente al principio mientras intenta averiguar por qué no funciona; Pero es mejor estar a salvo. Dudo que obtenga una energía lo suficientemente alta como para escapar del recipiente de vacío, y ciertamente no podrá hacer un haz significativamente relativista: la condición del “período orbital constante” se rompe tan pronto como la “masa efectiva” del Las partículas aceleradas se vuelven significativamente diferentes de su masa en reposo, en cuyo punto debe hacer imanes centrados en el sector con formas especiales. Pero si tiene el éxito suficiente para hacer radiografías, no querrá pararse en ellas.

He estado asumiendo que quieres acelerar los protones, pero los electrones son probablemente más fáciles. Sin embargo, dado que su masa en reposo es de solo 511 keV, apenas podrá llevarlos a unos keV antes de que se establezcan los efectos relativistas. Probablemente la forma más fácil (?) De acelerar electrones a energías significativas es con un Betatron, que no No utilice la potencia de RF para la aceleración: simplemente activa el campo magnético. En este caso, debe construir puntas de polo especiales para su imán y poder aumentar su corriente más rápido de lo que los electrones se pierden por una variedad de inestabilidades. ¡Aprenderá mucho E&M si lo hace de esta manera!

Hasta donde sé, no hay leyes contra la construcción de su propio acelerador, pero ciertamente existen requisitos legales para la seguridad, la suya y la de los demás, así que asegúrese de obtener permiso y autorización (y, probablemente, supervisión) antes de comenzar. Este no es uno de esos casos donde es más fácil obtener el perdón que el permiso.