Fonte Chinesa de Neutrões por Espalação inicia operações a 200 kW enquanto avança a expansão para 500 kW

Instalação em Dongguan duplica a potência prevista no projeto original

A Fonte Chinesa de Neutrões por Espalação, em Dongguan, na província de Guangdong, começou a servir investigadores com uma potência do feixe de 200 quilowatts, o dobro do valor previsto no projeto original. O Instituto de Física de Altas Energias da Academia Chinesa de Ciências anunciou, a 24 de outubro, que a instalação atingiu este marco a 20 de outubro, após quase um mês de afinação do acelerador.

Esta conquista aumenta de imediato a capacidade de uma instalação cujos 11 instrumentos de neutrões estão disponíveis para os utilizadores. Também põe à prova equipamentos e métodos de operação necessários para a segunda fase da construção, conhecida como CSNS-II, que pretende elevar a potência do feixe para 500 kW.

O instituto afirmou que os especialistas em aceleradores reduziram as perdas do feixe, mesmo aumentando a potência. Manter mais partículas na trajetória prevista é importante, porque as partículas que escapam do feixe podem depositar energia no equipamento circundante e dificultar uma operação fiável.

Os trabalhos mais recentes vão além do acelerador. Um novo alvo, designado T8, foi instalado e testado a 25 de setembro, com um sistema de arrefecimento concebido para funcionar a 200 kW. As equipas de manutenção também assistiram os instrumentos que os investigadores utilizam para analisar materiais.

Para os cientistas que estudam baterias, ligas, materiais biológicos e outras amostras, o valor prático está nos neutrões que chegam às suas experiências. Uma fonte mais potente pode recolher medições úteis mais rapidamente e apoiar estudos que exijam amostras menores ou maior detalhe. A instalação atingiu agora o dobro da potência original, mas será necessária mais construção do acelerador para alcançar a meta da segunda fase.

Como um feixe de protões se transforma numa ferramenta de investigação

A CSNS produz neutrões ao acelerar protões e dirigi-los contra um alvo. As colisões libertam neutrões através de um processo chamado espalação. Os instrumentos orientam esses neutrões para as amostras e medem a forma como são dispersos.

Os cientistas analisam as alterações na direção, energia e quantidade de movimento dos neutrões dispersos para determinar como os átomos estão organizados e como se movem. Em termos simples, as partículas funcionam como sondas de estruturas demasiado pequenas para serem observadas com um microscópio convencional.

A potência do feixe descreve a energia fornecida pelo feixe de protões em cada segundo. Aumentá-la permite à fonte produzir mais neutrões, dando aos investigadores mais informação para recolher. O benefício para cada experiência também depende do instrumento, da amostra e do método de medição.

O que os investigadores podem ganhar

Wang Sheng, diretor-adjunto 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 neutrões em simultâneo, o que significa que a duração das experiências poderá ser reduzida e a sua resolução melhorada, permitindo medir amostras menores e estudar processos dinâmicos mais rápidos», afirmou Wang.

Experiências mais curtas podem libertar tempo nos instrumentos para mais projetos. Uma melhor resolução permite aos investigadores distinguir pormenores que, de outro modo, se confundiriam, enquanto medições mais rápidas ajudam a acompanhar as alterações que ocorrem no interior de um material.

A instalação já apoia a investigação sobre baterias de iões de lítio, células solares, componentes aeroespaciais, materiais magnéticos, supercondutores, películas finas e ligas de elevada resistência. Zhang Junrong, responsável pelas experiências e aplicações dos utilizadores na CSNS, identificou estas áreas ao descrever o trabalho da instalação no lançamento da segunda fase.

Estes temas ligam o acelerador a problemas práticos. Os estudos sobre baterias podem analisar alterações nos materiais durante a utilização, enquanto a investigação sobre ligas e componentes aeroespaciais pode ajudar a compreender a relação entre as respetivas estruturas internas e o desempenho. A modernização também pretende alargar a investigação nas ciências da vida, no desenvolvimento de medicamentos e na conceção de catalisadores.

Paragens de verão abrem espaço à construção

A equipa da CSNS-II aproveita a paragem anual de verão para instalar equipamento, limitando as interrupções na investigação prevista. Isto cria uma sequência exigente: a construção, os testes de equipamento e a afinação do acelerador têm de se enquadrar na operação de uma instalação científica já em funcionamento.

Durante a mais recente paragem, os trabalhadores instalaram e testaram equipamento na parte inicial do acelerador linear, todos os moduladores de estado sólido e uma terceira cavidade de liga magnética no sincrotrão de ciclo rápido. Os moduladores fornecem impulsos 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 estas entrarem no sincrotrão, onde circulam e ganham energia adicional. O equipamento de ambas as partes tem de funcionar em conjunto para que o feixe chegue ao alvo nas condições necessárias.

Segundo o instituto, todo o equipamento do acelerador previsto para a CSNS-II está agora instalado, à exceção da secção supercondutora. Essa secção ainda por instalar faz parte dos trabalhos necessários para aumentar a energia do feixe do acelerador linear para 300 milhões de eletrões-volt, ou 300 MeV.

Manter sob controlo um feixe mais denso

O aumento da potência tornou mais difícil afinar o acelerador. As alterações às definições do equipamento interagiram com forças no interior do feixe e com o meio envolvente, criando condições em que grupos de partículas podiam tornar-se instáveis.

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

A equipa do acelerador ajustou secções fundamentais do acelerador linear modernizado, incluindo o quadrupolo de radiofrequência, ou RFQ, e a secção de transporte do feixe de energia média, ou MEBT. Estas secções preparam, aceleram e orientam o feixe antes da etapa seguinte.

O instituto afirmou que alterações significativas ao modo de operação resolveram a instabilidade coletiva do feixe. Acrescentou que o índice de densidade do feixe ultrapassou o nível mais elevado divulgado para aceleradores comparáveis a nível internacional. O comunicado não indicou o valor numérico desse índice nem a redução das perdas do feixe.

A redução de perdas comunicada representa um resultado útil para o projeto, para além de atingir determinado valor de potência: a equipa demonstrou uma forma de operar um feixe mais exigente, mantendo mais partículas sob controlo.

Novo alvo e instrumentos assistidos

O alvo T8 encontra-se no ponto onde os protões acelerados colidem para libertar neutrões. O seu sistema de arrefecimento foi concebido para funcionar a 200 kW, e um novo sistema de monitorização da temperatura acompanha as condições nas placas do alvo.

A gestão do calor torna-se mais exigente à medida que a potência do feixe aumenta. As medições do T8 servirão de base à conceção do alvo mais potente necessário para a CSNS-II, dando aos engenheiros experiência operacional antes de a instalação avançar para os 500 kW.

Os 11 instrumentos disponíveis para os utilizadores também foram sujeitos a manutenção durante o verão. Os trabalhos abrangeram câmaras de dispersão, choppers, detetores e ambientes de amostras, elementos que influenciam a realização e a medição das experiências.

Os choppers controlam que partes de um impulso de neutrões atravessam um instrumento. Os detetores registam os neutrões dispersos, enquanto os ambientes de amostras permitem aos cientistas estudar materiais em condições selecionadas, como diferentes temperaturas. A assistência a estes sistemas prepara a componente experimental da instalação para utilizar a fonte mais potente.

Como o plano de 500 kW aumenta a capacidade

O Instituto de Física de Altas Energias apresentou a dimensão da CSNS-II no seu comunicado de lançamento do projeto. A reunião de lançamento realizou-se em Dongguan a 30 de março de 2024, e o prazo de construção anunciado foi de cinco anos e nove meses.

O plano oficial aumenta a potência do feixe de 100 kW para 500 kW e eleva o número de espectrómetros de neutrões de 11 para 20. Prevê também mais dois terminais experimentais, incluindo um destinado a experiências com protões de alta energia. O programa de construção inclui laboratórios para utilizadores, bem como novos instrumentos e terminais.

O aumento previsto de 11 para 20 espectrómetros acrescenta nove instrumentos, uma expansão de cerca de 82%. A meta de potência é cinco vezes superior aos 100 kW previstos no projeto original. Com 200 kW, a instalação funciona a 40% da potência final prevista, embora o progresso da construção dependa de muito mais do que esse único indicador.

A atualização mais recente descreve o projeto como estando aproximadamente a meio da construção. Os trabalhos de construção civil foram concluídos no final de setembro, e um frigorífico de hélio capaz de fornecer cerca de 1 kW de arrefecimento a 2 kelvin foi instalado a 15 de outubro. Dois kelvin correspondem a cerca de 271 graus Celsius negativos, uma temperatura utilizada nos sistemas de aceleradores supercondutores.

As datas da modernização

A CSNS passou do programa de construção original para uma expansão realizada em paralelo com as operações destinadas aos utilizadores. As principais datas mostram como o marco mais recente se enquadra neste esforço mais prolongado.

• 2011: Começou a construção do projeto original da CSNS, com um investimento de 2,3 mil milhões de yuan.
• Agosto de 2018: A instalação entrou em funcionamento.
• 30 de março de 2024: Realizou-se em Dongguan a reunião de lançamento da CSNS-II, com um prazo de construção anunciado de cinco anos e nove meses.
• 25 de setembro, durante os mais recentes trabalhos de modernização: O alvo T8 foi instalado e testado.
• Final de setembro: Foram concluídos os trabalhos de construção civil da segunda fase.
• 15 de outubro: Foi instalado o frigorífico de hélio para funcionamento a 2 kelvin.
• 20 de outubro: A instalação atingiu o marco dos 200 kW, após quase um mês de afinação do feixe.
• 24 de outubro: O Instituto de Física de Altas Energias anunciou o início das operações para os utilizadores com a potência mais elevada.

O próximo passo no acelerador identificado pelo instituto é aumentar a energia do feixe do acelerador linear para 300 MeV. A experiência adquirida durante a mais recente entrada em funcionamento orientará esse trabalho e o subsequente aumento de potência.

A procura vai além do acelerador

O comunicado de lançamento de 2024 do instituto registou mais de 6.000 utilizadores inscritos e mais de 1.500 projetos experimentais concluídos desde que a CSNS entrou em funcionamento, em 2018. Estes números descrevem a instalação na altura do comunicado de lançamento.

Segundo o instituto, mais de 100 projetos concluídos envolveram utilizadores de Hong Kong, Macau, Taiwan e do estrangeiro. A comunidade de utilizadores abrange os setores da energia, da física, dos materiais e da engenharia, criando procura tanto pelo acesso aos instrumentos como por uma maior variedade de condições experimentais.

Zhang Junrong, responsável pelas experiências e aplicações dos utilizadores, descreveu a pressão para expandir a instalação durante o lançamento.

«É urgente modernizar a CSNS para dar resposta à crescente procura dos utilizadores», afirmou Zhang.

A segunda fase responde a essa procura de duas formas interligadas. Feixes mais potentes podem acelerar algumas medições, enquanto instrumentos adicionais oferecem aos investigadores mais espaços e métodos para realizar experiências. Para os utilizadores, o resultado depende do funcionamento conjunto de ambas as componentes: uma fonte mais potente e capacidade experimental suficiente para transformar os seus neutrões em resultados.

Pontos principais

• A CSNS atingiu 200 kW a 20 de outubro e iniciou as operações para os utilizadores com o dobro da potência prevista no projeto original.
• Segundo o instituto, as perdas do feixe diminuíram à medida que a potência aumentou, na sequência da afinação do equipamento e de alterações ao modo de operação.
• Um novo alvo T8 e a manutenção dos 11 instrumentos disponíveis para os utilizadores apoiam as operações com a potência mais elevada.
• A CSNS-II tem como objetivo atingir 500 kW e aumentar de 11 para 20 o número de espectrómetros de neutrões, além de acrescentar terminais experimentais.
• A secção supercondutora do acelerador ainda está por instalar; entre os próximos passos está o aumento da energia do acelerador linear para 300 MeV.
• A expansão pretende apoiar medições mais rápidas, amostras menores e uma gama mais vasta de investigação.