Fonte Chinesa de Nêutrons por Espalação inicia operação a 200 kW enquanto expansão avança rumo a 500 kW

Instalação em Dongguan dobra a potência prevista no projeto original

A Fonte Chinesa de Nêutrons por Espalação, em Dongguan, na província de Guangdong, começou a atender pesquisadores com potência de feixe de 200 quilowatts, o dobro do nível previsto em seu projeto original. O Instituto de Física de Altas Energias da Academia Chinesa de Ciências anunciou em 24 de outubro que a instalação atingiu esse marco em 20 de outubro, após quase um mês de ajustes no acelerador.

A conquista amplia imediatamente a capacidade de uma instalação cujos 11 instrumentos de nêutrons estão abertos aos usuários. Também testa equipamentos e métodos operacionais necessários para a segunda fase da construção, conhecida como CSNS-II, que pretende elevar a potência do feixe a 500 kW.

O instituto informou que especialistas em aceleradores reduziram a perda de feixe mesmo com o aumento da potência. Manter mais partículas na trajetória prevista é importante porque as partículas que escapam do feixe podem depositar energia nos equipamentos ao redor e dificultar uma operação confiável.

O trabalho mais recente vai além do acelerador. Um novo alvo, denominado T8, foi instalado e testado em 25 de setembro, com um sistema de refrigeração projetado para operar a 200 kW. As equipes de manutenção também fizeram a revisão dos instrumentos usados pelos pesquisadores para examinar materiais.

Para cientistas que estudam baterias, ligas, materiais biológicos e outras amostras, o valor prático está nos nêutrons que chegam aos experimentos. Uma fonte mais potente pode coletar medições úteis mais rapidamente e viabilizar pesquisas que precisam de amostras menores ou de maior nível de detalhe. A instalação alcançou agora o dobro da potência original, mas ainda serão necessárias novas obras no acelerador para chegar à meta completa da segunda fase.

Como um feixe de prótons se transforma em ferramenta de pesquisa

A CSNS produz nêutrons acelerando prótons e direcionando-os a um alvo. As colisões liberam nêutrons por meio de um processo chamado espalação. Instrumentos direcionam esses nêutrons às amostras e medem como eles se dispersam.

Os cientistas analisam mudanças na direção, na energia e no momento dos nêutrons dispersos para descobrir como os átomos estão organizados e como se movem. Em termos simples, as partículas atuam como sondas de estruturas pequenas demais para serem vistas com um microscópio comum.

A potência do feixe descreve a energia fornecida pelo feixe de prótons a cada segundo. Elevá-la permite que a fonte produza mais nêutrons, dando aos pesquisadores mais informações para coletar. O benefício para cada experimento também depende do instrumento, da amostra e do método de medição.

O que os pesquisadores podem ganhar

Wang Sheng, vice-diretor do Instituto de Física de Altas Energias e diretor-geral do projeto de modernização, descreveu os ganhos científicos esperados quando a construção da segunda fase começou, em março de 2024.

"Após a conclusão da fase II, a fonte poderá gerar mais nêutrons ao mesmo tempo, o que significa que a duração dos experimentos poderá ser reduzida e sua resolução, aprimorada, permitindo medir amostras menores e estudar processos dinâmicos mais rápidos", disse Wang.

Experimentos mais curtos podem liberar tempo nos instrumentos para mais projetos. Uma resolução melhor permite aos pesquisadores distinguir detalhes que, de outra forma, se confundiriam, enquanto medições mais rápidas ajudam a acompanhar mudanças que ocorrem dentro de um material.

A instalação já apoia pesquisas sobre baterias de íons de lítio, células solares, componentes aeroespaciais, materiais magnéticos, supercondutores, filmes finos e ligas de alta resistência. Zhang Junrong, responsável pelos experimentos e pelas aplicações dos usuários na CSNS, citou essas áreas ao descrever o trabalho da instalação no lançamento da segunda fase.

Esses temas conectam o acelerador a problemas práticos. Estudos sobre baterias podem examinar mudanças nos materiais durante o uso, enquanto pesquisas sobre ligas e componentes aeroespaciais podem ajudar a compreender como suas estruturas internas se relacionam com o desempenho. A modernização também pretende ampliar pesquisas em ciências da vida, desenvolvimento de medicamentos e concepção de catalisadores.

Paradas de verão abrem espaço para obras

A equipe da CSNS-II aproveita a parada anual de verão para instalar equipamentos e, ao mesmo tempo, limitar as interrupções nas pesquisas programadas. Isso exige uma sequência intensa: obras, testes de equipamentos e ajustes do acelerador precisam ser encaixados na operação de uma instalação científica já em funcionamento.

Durante a parada mais recente, os trabalhadores instalaram e testaram equipamentos na parte dianteira do acelerador linear, todos os moduladores de estado sólido e uma terceira cavidade de liga magnética no síncrotron de ciclo rápido. Os moduladores fornecem pulsos elétricos controlados, enquanto a cavidade ajuda a fornecer a energia necessária para acelerar o feixe.

O acelerador linear envia as partículas por uma trajetória reta antes de elas entrarem no síncrotron, onde circulam e ganham energia adicional. Os equipamentos das duas partes precisam funcionar em conjunto para que o feixe chegue ao alvo nas condições necessárias.

Segundo o instituto, todos os equipamentos do acelerador previstos para a CSNS-II já foram instalados, com exceção da seção supercondutora. Essa seção restante faz parte do trabalho necessário para elevar a energia do feixe do acelerador linear a 300 milhões de elétron-volts, ou 300 MeV.

Controle de um feixe mais denso

O aumento da potência tornou mais difícil ajustar o acelerador. Mudanças nas configurações dos equipamentos interagiram com as forças dentro do feixe e com o ambiente ao redor, criando condições nas quais grupos de partículas poderiam se tornar instáveis.

Um dos desafios foi a carga espacial, a repulsão elétrica entre partículas com a mesma carga. Outro envolveu interações entre o feixe e as estruturas do acelerador, descritas como efeitos de impedância do feixe. Em conjunto, esses efeitos podem perturbar o feixe e aumentar o número de partículas perdidas ao longo de sua trajetória.

A equipe do acelerador ajustou seções importantes do acelerador linear modernizado, entre elas o quadrupolo de radiofrequência, ou RFQ, e a seção de transporte de feixe de energia média, ou MEBT. Essas seções preparam, aceleram e guiam o feixe antes da etapa seguinte.

O instituto informou que mudanças importantes no modo de operação resolveram a instabilidade coletiva do feixe. Também afirmou que o índice de densidade do feixe superou o nível mais alto divulgado para aceleradores comparáveis em outros países. O comunicado não informou o valor numérico desse índice nem a magnitude da redução da perda de feixe.

A redução de perdas relatada dá ao projeto um resultado importante além de alcançar determinada potência: a equipe demonstrou uma forma de operar um feixe mais exigente mantendo mais partículas sob controle.

Novo alvo e instrumentos revisados

O alvo T8 fica no ponto em que os prótons acelerados colidem para liberar nêutrons. Seu sistema de refrigeração foi projetado para operação a 200 kW, e um novo monitoramento de temperatura acompanha as condições nas placas do alvo.

O controle do calor se torna mais exigente à medida que a potência do feixe aumenta. As medições do T8 contribuirão para o projeto do alvo mais potente necessário à CSNS-II, dando aos engenheiros experiência operacional antes de a instalação avançar rumo a 500 kW.

Os 11 instrumentos abertos aos usuários também passaram por manutenção durante o verão. O trabalho incluiu câmaras de espalhamento, choppers, detectores e ambientes de amostras, todos com impacto na realização e na medição de um experimento.

Os choppers controlam quais partes de um pulso de nêutrons passam pelo instrumento. Os detectores registram os nêutrons dispersos, enquanto os ambientes de amostras permitem que os cientistas estudem materiais em condições específicas, como diferentes temperaturas. A revisão desses sistemas prepara a parte experimental da instalação para usar a fonte mais potente.

Como o plano de 500 kW amplia a capacidade

O Instituto de Física de Altas Energias apresentou a dimensão da CSNS-II em seu comunicado de lançamento do projeto. A reunião de lançamento ocorreu em Dongguan em 30 de março de 2024, e o prazo de construção anunciado foi de cinco anos e nove meses.

O plano oficial eleva a potência do feixe de 100 kW para 500 kW e aumenta de 11 para 20 o número de espectrômetros de nêutrons. Também prevê dois terminais experimentais adicionais, incluindo um para experimentos com prótons de alta energia. O programa de construção inclui laboratórios para usuários, além de novos instrumentos e terminais.

O aumento previsto de 11 para 20 espectrômetros acrescenta nove instrumentos, uma expansão de cerca de 82%. A meta de potência é cinco vezes superior aos 100 kW do projeto original. A 200 kW, a instalação opera a 40% da potência final planejada, embora o avanço da construção dependa de muito mais do que esse único indicador.

A atualização mais recente descreve o projeto como estando aproximadamente na metade da construção. As obras foram concluídas no fim de setembro, e um refrigerador de hélio capaz de fornecer cerca de 1 kW de refrigeração a 2 kelvins foi instalado em 15 de outubro. Dois kelvins equivalem a cerca de 271 graus Celsius negativos, temperatura usada em sistemas de aceleradores supercondutores.

As datas por trás da modernização

A CSNS passou de seu programa de construção original para uma expansão realizada em paralelo às operações para usuários. As principais datas mostram como o marco mais recente se encaixa nesse esforço mais amplo.

• 2011: Começou a construção do projeto original da CSNS, com investimento de 2,3 bilhões de yuans.
• Agosto de 2018: A instalação entrou em operação.
• 30 de março de 2024: A reunião de lançamento da CSNS-II foi realizada em Dongguan, com prazo de construção anunciado de cinco anos e nove meses.
• 25 de setembro, durante os trabalhos mais recentes de modernização: O alvo T8 foi instalado e testado.
• Fim de setembro: As obras da segunda fase foram concluídas.
• 15 de outubro: Foi instalado o refrigerador de hélio para operação a 2 kelvins.
• 20 de outubro: A instalação alcançou a marca de 200 kW após quase um mês de ajustes do feixe.
• 24 de outubro: O Instituto de Física de Altas Energias anunciou o início da operação para usuários com a potência mais alta.

A próxima etapa do acelerador indicada pelo instituto é elevar a energia do feixe do acelerador linear a 300 MeV. A experiência obtida durante o comissionamento mais recente orientará esse trabalho e o aumento posterior da potência.

A demanda vai além do acelerador

O comunicado de lançamento de 2024 do instituto registrou mais de 6.000 usuários cadastrados e mais de 1.500 projetos experimentais concluídos desde que a CSNS entrou em operação, em 2018. Esses números descrevem a instalação na época do comunicado de lançamento.

Mais de 100 projetos concluídos envolveram usuários de Hong Kong, Macau, Taiwan e outros países, segundo o instituto. A comunidade de usuários abrange as áreas de energia, física, materiais e engenharia, gerando demanda tanto pelo acesso aos instrumentos quanto por uma maior variedade de condições experimentais.

Zhang Junrong, responsável pelos experimentos e pelas aplicações dos usuários, descreveu a pressão por expansão durante o lançamento.

"Há uma necessidade urgente de modernizar a CSNS para atender à crescente demanda dos usuários", disse Zhang.

A segunda fase atende a essa demanda de duas formas interligadas. Feixes mais potentes podem acelerar algumas medições, enquanto instrumentos adicionais oferecem aos pesquisadores mais locais e métodos para realizar experimentos. Para os usuários, o resultado depende do funcionamento conjunto dos dois elementos: uma fonte mais potente e capacidade experimental suficiente para transformar seus nêutrons em resultados.

Principais pontos

• A CSNS alcançou 200 kW em 20 de outubro e iniciou operações para usuários com o dobro da potência prevista em seu projeto original.
• O instituto afirma que a perda de feixe diminuiu com o aumento da potência, após ajustes nos equipamentos e mudanças no modo de operação.
• Um novo alvo T8 e a manutenção dos 11 instrumentos disponíveis aos usuários dão suporte à operação com a potência mais alta.
• A CSNS-II tem como meta atingir 500 kW e ampliar de 11 para 20 o número de espectrômetros de nêutrons, além de adicionar terminais experimentais.
• A seção supercondutora do acelerador ainda precisa ser instalada, e uma das próximas etapas é elevar a energia do acelerador linear a 300 MeV.
• A expansão pretende viabilizar medições mais rápidas, amostras menores e uma gama mais ampla de pesquisas.